Сеть абонентского доступа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпускная квалификационная работа

Тема: Сеть абонентского доступа

Введение

Одной из важнейших проблем телекоммуникационных сетей продолжает оставаться проблема абонентского доступа к сетевым услугам. Актуальность этой проблемы определяется в первую очередь бурным развитием сети Интернет, доступ к которой требует резкого увеличения пропускной способности сетей абонентского доступа. Основным средством сети доступа, несмотря на появление новых самых современных беспроводных способов абонентского доступа, остаются традиционные медные абонентские пары. Вместе с тем в последнее время широко развиваются сети высокоскоростного абонентского доступа на основе оптоволоконных технологий связи. Отличительной их особенностью является:

* отсутствие вредного электромагнитного излучения;

* сигнал не искажается электромагнитными и радиочастотными помехами (оптический кабель абсолютно невосприимчив к воздействию высокого напряжения, электромагнитных наводок);

* оптоволоконный кабель легче;

* обладает гораздо большей пропускной способностью, чем обычный медный, а это значит, что оптоволокно может передать гораздо больше информации за то же время;

* малое затухание светового сигнала;

* защита от несанкционированного доступа и т.д.

Строительство и эксплуатация оптических линий гораздо дешевле, чем медных, поэтому по мере роста объема предоставления услуг оптического роста, цены должны снижаться

Целью дипломного проекта является разработка проекта сети высокоскоростного абонентского доступа на основе оптоволоконных технологий связи с использованием средств автоматизированного проектирования.

Для достижения цели дипломного проекта поставлены следующие задачи:

проанализировать методические и теоретические материалы по основам локальных и телекоммуникационных сетей;

изучить особенности и структуру локальных и телекоммуникационных сетей абонентского доступа;

исследовать этапы проектирования сетей, а также средства и методы, применяемые для проектирования сетей и обоснованно выбрать инструментарий для достижения цели дипломного проекта;

разработать проект сети абонентского доступа с использованием выбранного инструмента проектирования.

Практическая значимость дипломного проекта заключается в разработке проекта сети абонентского доступа инструментами и методами проектирования и дальнейшей реализации этого проекта на реальных объектах.

Структура дипломного проекта подчинена логике решения поставленных задач. В первой главе дипломного проекта будут представлены теоретические основы сетей передачи данных. Во второй главе будет представлен обзор технологий сетей. Третья глава посвящена проектированию: в ней будут представлены основные этапы проектирования, разработка проекта сети абонентского доступа согласно заданию на дипломный проект, выбор инструментария для разработки проекта. В четвёртой главе будет представлена организационно-экономическая часть. В пятой главе речь пойдёт о безопасности жизнедеятельности.

1. Обзор сетей передачи данных

1.1 Определение локальных сетей

Способов и средств обмена информацией за последнее время предложено множество: от простейшего переноса файлов с помощью дискеты до всемирной компьютерной сети Интернет, способной объединить все компьютеры мира. Какое же место в этой иерархии отводится локальным сетям?

Чаще всего термин "локальные сети" или "локальные вычислительные сети" (LAN, Local Area Network) понимают буквально, то есть это такие сети, которые имеют небольшие, локальные размеры, соединяют близко расположенные компьютеры. Однако достаточно посмотреть на характеристики некоторых современных локальных сетей, чтобы понять, что такое определение не точно. Например, некоторые локальные сети легко обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров. Это уже размеры не комнаты, не здания, не близко расположенных зданий, а, может быть, даже целого города. С другой стороны, по глобальной сети (WAN, Wide Area Network или GAN, Global Area Network) вполне могут связываться компьютеры, находящиеся на соседних столах в одной комнате, но ее почему-то никто не называет локальной сетью. Близко расположенные компьютеры могут также связываться с помощью кабеля, соединяющего разъемы внешних интерфейсов (RS232-C, Centronics) или даже без кабеля по инфракрасному каналу (IrDA) [10]. Но такая связь тоже почему-то не называется локальной.

Неверно и довольно часто встречающееся определение локальной сети как малой сети, которая объединяет небольшое количество компьютеров. Действительно, как правило, локальная сеть связывает от двух до нескольких десятков компьютеров. Но предельные возможности современных локальных сетей гораздо выше: максимальное число абонентов может достигать тысячи. Называть такую сеть малой неправильно.

Некоторые авторы определяют локальную сеть как "систему для непосредственного соединения многих компьютеров". При этом подразумевается, что информация передается от компьютера к компьютеру без каких-либо посредников и по единой среде передачи. Однако говорить о единой среде передачи в современной локальной сети не приходится. Например, в пределах одной сети могут использоваться как электрические кабели различных типов (витая пара, коаксиальный кабель), так и оптоволоконные кабели. Определение передачи "без посредников" также не корректно, ведь в современных локальных сетях используются репитеры, трансиверы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты, которые порой производят довольно сложную обработку передаваемой информации. Не совсем понятно, можно ли считать их посредниками или нет, можно ли считать подобную сеть локальной.

Наверное, наиболее точно было бы определить как локальную такую сеть, которая позволяет пользователям не замечать связи. Еще можно сказать, что локальная сеть должна обеспечивать прозрачную связь. По сути, компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам, входящим непосредственно в каждый отдельный компьютер. Под удобством в данном случае понимается высокая реальная скорость доступа, скорость обмена информацией между приложениями, практически незаметная для пользователя. При таком определении становится понятно, что ни медленные глобальные сети, ни медленная связь через последовательный или параллельный порты не попадают под понятие локальной сети.

Из данного определения следует, что скорость передачи по локальной сети обязательно должна расти по мере роста быстродействия наиболее распространенных компьютеров. Именно это и наблюдается: если еще десять лет назад вполне приемлемой считалась скорость обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной считается сеть, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, активно разрабатываются, а кое-где используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше. Без этого уже нельзя, иначе связь станет слишком узким местом, будет чрезмерно замедлять работу объединенного сетью виртуального компьютера, снижать удобство доступа к сетевым ресурсам.

Таким образом, главное отличие локальной сети от любой другой -- высокая скорость передачи информации по сети. Но это еще не все, не менее важны и другие факторы.

В частности, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи, вызванных как внутренними, так и внешними факторами. Ведь даже очень быстро переданная информация, которая искажена ошибками, просто не имеет смысла, ее придется передавать еще раз. Поэтому локальные сети обязательно используют специально прокладываемые высококачественные и хорошо защищенные от помех линии связи.

Особое значение имеет и такая характеристика сети, как возможность работы с большими нагрузками, то есть с высокой интенсивностью обмена (или, как еще говорят, с большим трафиком). Ведь если механизм управления обменом, используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры могут подолгу ждать своей очереди на передачу. И даже если эта передача будет производиться затем на высочайшей скорости и безошибочно, для пользователя сети такая задержка доступа ко всем сетевым ресурсам неприемлема. Ему ведь не важно, почему приходится ждать.

Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том случае, когда заранее известно, сколько компьютеров (или, как еще говорят, абонентов, узлов) допустимо подключить к сети. Иначе всегда можно включить столько абонентов, что вследствие перегрузки забуксует любой механизм управления. Наконец, сетью можно назвать только такую систему передачи данных, которая позволяет объединять до нескольких десятков компьютеров, но никак не два, как в случае связи через стандартные порты.

Таким образом, сформулировать отличительные признаки локальной сети можно следующим образом:

высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас -- не менее 100 Мбит/с;

низкий уровень ошибок передачи (или, что тоже самое, высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10-8 -- 10-12;

эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети;

заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

При таком определении понятно, что глобальные сети отличаются от локальных прежде всего тем, что они рассчитаны на неограниченное число абонентов. Кроме того, они используют (или могут использовать) не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи. А механизм управления обменом в них не может быть гарантированно быстрым. В глобальных сетях гораздо важнее не качество связи, а сам факт ее существования.

Нередко выделяют еще один класс компьютерных сетей -- городские, региональные сети (MAN, Metropolitan Area Network), которые обычно по своим характеристикам ближе к глобальным сетям, хотя иногда все-таки имеют некоторые черты локальных сетей, например, высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости передачи. В принципе городская сеть может быть локальной со всеми ее преимуществами.

Правда, сейчас уже нельзя провести четкую границу между локальными и глобальными сетями. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную. Но характер передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что приняты в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены также и в глобальную сеть, специфики локальной сети это не отменяет. Возможность выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, разделяемых пользователями локальной сети.

По локальной сети может передаваться самая разная цифровая информация: данные, изображения, телефонные разговоры, электронные письма и т.д. Кстати, именно задача передачи изображений, особенно полноцветных динамических, предъявляет самые высокие требования к быстродействию сети. Чаще всего локальные сети используются для разделения (совместного использования) таких ресурсов, как дисковое пространство, принтеры и выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная часть тех возможностей, которые предоставляют средства локальных сетей. Например, они позволяют осуществлять обмен информацией между компьютерами разных типов. Полноценными абонентами (узлами) сети могут быть не только компьютеры, но и другие устройства, например, принтеры, плоттеры, сканеры. Локальные сети дают также возможность организовать систему параллельных вычислений на всех компьютерах сети, что многократно ускоряет решение сложных математических задач. С их помощью, как уже упоминалось, можно управлять работой технологической системы или исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно.

Однако сети имеют и довольно существенные недостатки, о которых всегда следует помнить:

сеть требует дополнительных, иногда значительных материальных затрат на покупку сетевого оборудования, программного обеспечения, на прокладку соединительных кабелей и обучение персонала;

сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети), который будет заниматься контролем работы сети, ее модернизацией, управлением доступом к ресурсам, устранением возможных неисправностей, защитой информации и резервным копированием (для больших сетей может понадобиться целая бригада администраторов);

сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключенных к ней, так как при этом может понадобиться перекладка соединительных кабелей;

сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных вирусов, поэтому вопросам защиты от них придется уделять гораздо больше внимания, чем в случае автономного использования компьютеров, ведь достаточно инфицировать один, и все компьютеры сети будут поражены;

сеть резко повышает опасность несанкционированного доступа к информации с целью ее кражи или уничтожения; информационная защита требует проведения целого комплекса технических и организационных мероприятий.

Здесь же следует упомянуть о таких важнейших понятиях теории сетей, как абонент, сервер, клиент.

Абонент (узел, хост, станция) -- это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети. Далее вместо термина "абонент" для простоты будет использоваться термин "компьютер".

Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер - самый мощный компьютер. Выделенный (dedicated) сервер -- это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера -- это сетевой принтер.

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.

Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами -- клиентом [3].

1.2 Типы линий сетей связи

Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Информация в сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться на первый взгляд. При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже может превосходить ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо проще, чем 8, 16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля [1].

Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры, так как при этом необходимо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. В связи с этим, даже если разрабатывается сеть незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего выбирают последовательную передачу.

К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10 нс этот временной сдвиг не должен превышать 5--10 нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1--2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1--0,2%.

Надо отметить, что в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2--4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания. Но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.

Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований. Но все кабели можно разделить на три большие группы:

электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);

электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);

оптоволоконные кабели (fibre optic).

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:

полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле; два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала; надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание; или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлем; затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля;

помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации; эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю;

скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр - задержка сигнала на метр длины кабеля; этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети; типичные величины скорости распространения сигнала - от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме; соответственно типичные величины задержек - от 4 до 5 нс/м;

для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля; волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля; волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля; типичные значения волнового сопротивления - от 50 до 150 Ом.

В настоящее время действуют следующие стандарты на кабели:

EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) - американский;

ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) - международный;

CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) - европейский.

Эти стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией и нормами на параметры. В данном курсе предлагается придерживаться терминологии стандарта EIA/TIA 568.

1.3 Основные положения эталонной модели обмена информацией открытой системы

В сети производится множество операций, обеспечивающих передачу данных от компьютера к компьютеру. Пользователя не интересует, как именно это происходит, ему необходим доступ к приложению или компьютерному ресурсу, расположенному в другом компьютере сети. В действительности же вся передаваемая информация проходит много этапов обработки.

Прежде всего, она разбивается на блоки, каждый из которых снабжается управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, потом эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа, затем из принятых пакетов вновь восстанавливаются заключенные в них блоки данных, блоки соединяются в данные, которые и становятся доступны другому приложению. Это, конечно, упрощенное описание происходящих процессов.

Часть из указанных процедур реализуется только программно, другая часть - аппаратно, а какие-то операции могут выполняться как программами, так и аппаратурой.

Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, как раз и призваны модели сетей. Эти модели позволяют правильно организовать взаимодействие как абонентам внутри одной сети, так и самым разным сетям на различных уровнях. В настоящее время наибольшее распространение получила так называемая эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином "открытая система" понимается не замкнутая в себе система, имеющая возможность взаимодействия с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы).

Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standarts Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна, и не слишком гибка. Поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются принятого разделения функций. Однако знакомство с моделью OSI позволяет лучше понять, что же происходит в сети.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рисунок 1). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня - предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые и конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний - непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Модель OSI относится не только к локальным сетям, но и к любым сетям связи между компьютерами или другими абонентами. В частности, функции сети Интернет также можно поделить на уровни в соответствии с моделью OSI. Принципиальные отличия локальных сетей от глобальных, с точки зрения модели OSI, наблюдаются только на нижних уровнях модели.

Рисунок 1 - Семь уровней модели OSI

Функции, входящие в показанные на рисунке 1 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента. Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне. В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему (рисунок 2).

Данные, которые необходимо передать по сети, на пути от верхнего (седьмого) уровня до нижнего (первого) проходят процесс инкапсуляции. Каждый нижеследующий уровень не только производит обработку данных, приходящих с более высокого уровня, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией. Такой процесс обрастания служебной информацией продолжается до последнего (физического) уровня. На физическом уровне вся эта многооболочечная конструкция передается по кабелю приемнику. Там она проделывает обратную процедуру декапсуляции, то есть при передаче на вышестоящий уровень убирается одна из оболочек. Верхнего седьмого уровня достигают уже данные, освобожденные от всех оболочек, то есть от всей служебной информации нижестоящих уровней. При этом каждый уровень принимающего абонента производит обработку данных, полученных с нижеследующего уровня в соответствии с убираемой им служебной информацией.

Рисунок 2 - Путь информации от абонента к абоненту

Если на пути между абонентами в сети включаются некие промежуточные устройства (например, трансиверы, репитеры, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы), то и они тоже могут выполнять функции, входящие в нижние уровни модели OSI. Чем больше сложность промежуточного устройства, тем больше уровней оно захватывает. Но любое промежуточное устройство должно принимать и возвращать информацию на нижнем, физическом уровне. Все внутренние преобразования данных должны производиться дважды и в противоположных направлениях. Промежуточные сетевые устройства в отличие от полноценных абонентов (например, компьютеров) работают только на нижних уровнях и к тому же выполняют двустороннее преобразование [5].

Рисунок 3 - Включение промежуточных устройств между абонентами сети

1.4 Стандартные сетевые протоколы

Протоколы - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы в результате передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.

О протоколах нижних уровней (физического и канального), относящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В частности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, а также управления обменом в сети. Сейчас следует остановиться на особенностях протоколов более высоких уровней, реализуемых программно.

Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуществляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу компьютер может не знать никаких аппаратных особенностей адаптера (его адресов, правил обмена с ним, его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным взаимодействие программных средств высокого уровня с любым адаптером данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково работать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют функции канального уровня, хотя иногда они реализуют и часть функций сетевого уровня (рисунок 4). Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу, информируют компьютер о приеме пакета.

Рисунок 4 - Функции драйвера сетевого адаптера в модели OSI

Качество написания программы драйвера во многом определяет эффективность работы сети в целом. Даже при самых лучших характеристиках сетевого адаптера некачественный драйвер может резко ухудшить обмен по сети.

Прежде чем приобрести плату адаптера, необходимо ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в перечень HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше его не покупать.

Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, стеков) протоколов, получивших сейчас широкое распространение:

набор протоколов ISO/OSI;

IBM System Network Architecture (SNA);

Digital DECnet;

Novell NetWare;

Apple AppleTalk;

набор протоколов глобальной сети Интернет, TCP/IP.

Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь, как уже отмечалось, модель OSI используется для любой открытой системы: на базе как локальной, так и глобальной сети или комбинации локальной и глобальной сетей.

Протоколы перечисленных наборов делятся на три основных типа:

прикладные протоколы (выполняющие функции трех верхних уровней модели OSI - прикладного, представительского и сеансового);

транспортные протоколы (реализующие функции средних уровней модели OSI - транспортного и сеансового);

сетевые протоколы (осуществляющие функции трех нижних уровней модели OSI).

Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. Наиболее популярны:

FTAM (File Transfer Access and Management) - протокол OSI доступа к файлам;

X.400 - протокол CCITT для международного обмена электронной почтой;

Х.500 - протокол CCITT служб файлов и каталогов на нескольких системах;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Интернет для обмена электронной почтой;

FTP (File Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Интернет для передачи файлов;

SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компонентов и управления ими;

Telnet - протокол глобальной сети Интернет для регистрации на удаленных серверах и обработки данных на них;

Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Microsoft;

NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Novell.

Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярные из них следующие:

TCP (Transmission Control Protocol) - часть набора протоколов TCP/IP для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;

SPX - часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложенных компанией Novell;

NWLink - реализация протокола IPX/SPX компании Microsoft;

NetBEUI - (NetBIOS Extended User Interface, расширенный интерфейс NetBIOS) - устанавливает сеансы связи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI).

Сетевые протоколы управляют адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запросами на повторную передачу. Широко распространены следующие из них:

IP (Internet Protocol) - TCP/IP-протокол для негарантированной передачи пакетов без установления соединений;

IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол компании NetWare для негарантированной передачи пакетов и маршрутизации пакетов;

NWLink - реализация протокола IPX/SPX компании Microsoft;

NetBEUI - транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспортировки данных для сеансов и приложений NetBIOS.

Все перечисленные протоколы могут быть поставлены в соответствие тем или иным уровням эталонной модели OSI. Но при этом надо учитывать, что разработчики протоколов не слишком строго придерживаются этих уровней. Например, некоторые протоколы выполняют функции, относящиеся сразу к нескольким уровням модели OSI, а другие - только часть функций одного из уровней. Это приводит к тому, что протоколы разных компаний часто оказываются несовместимы между собой. Кроме того, протоколы могут быть успешно использованы исключительно в составе своего набора протоколов (стека протоколов), который выполняет более или менее законченную группу функций. Как раз это и делает сетевую операционную систему "фирменной", то есть, по сути, несовместимой со стандартной моделью открытой системы OSI [8].

В качестве примера на рисунке 5, рисунке 6 и рисунке 7 схематически показано соотношение протоколов, используемых популярными фирменными сетевыми операционными системами, и уровней стандартной модели OSI. Как видно из рисунков, практически ни на одном уровне нет четкого соответствия реального протокола какому-нибудь уровню идеальной модели. Выстраивание подобных соотношений довольно условно, так как трудно четко разграничить функции всех частей программного обеспечения. К тому же компании-производители программных средств далеко не всегда подробно описывают внутреннюю структуру продуктов.

Рисунок 5 - Соотношение уровней модели OSI и протоколов сети Интернет



Рисунок 6 - Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы Windows Server

Рисунок 7 - Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы NetWare

2. Технологии сетей

2.1 Сети на основе технологии PDH

Первый цифровой поток установила в 1957 г. компания Bell System. В дальнейшем технология была стандартизована, и теперь известна как Т1. Сделано это было для удовлетворения все возрастающих потребностей операторов связи. Местная телефония на родине технологии, в США, на тот момент была сравнительно хорошо развита. Изменений на клиентской сети, состоящей из медных пар, не предвиделось (и не произошло до сих пор). Поэтому основные усилия операторов сосредоточились на построении магистральных (транспортных) сетей и их эффективного использования для передачи голоса. Естественно, о передаче данных в те времена даже не шло и речи.

Разработанные системы использовали принцип импульсно-кодовой модуляции и методы мультиплексирования (суммирования) с временным разделением каналов (Time Division Multiplexing, сокращенно TDM) для передачи нескольких голосовых каналов, иначе называемых тайм-слотами, в одном потоке данных.

В США, Канаде и Японии за основу был принят поток T1, который со скоростью 1,536 Мбит/с передавал 24 тайм-слота, а в Европе (и немного позже в Советском Союзе) - поток Е1, имеющий скорость 2,048Мбит/с, и позволяющий передавать 30 каналов передачи данных со скоростью 64 кбит/с, плюс канал сигнализации (16 тайм слот) и синхронизации (нулевой тайм-слот). Это без преувеличения казалось вершиной прогресса.

Дальнейшее развитие привело к появлению ещё ряда стандартизированных потоков E2 - E3 - E4 - E5 скоростями передачи данных соответственно 8,448 - 34,368 - 139,264 - 564,992 Мбит/с. Они получили название плезиохронной цифровой иерархии - PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), которая до сих пор часто используется как для телефонии, так и для передачи данных [7]. Более современные технологии практически полностью вытеснили PDH с оптических коммуникаций, но на устаревших медных кабелях ее позиции до сих пор непоколебимы. Структура сети PDH представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структура сети PDH

В каждом устройстве есть свой тактовый генератор, который работает с небольшими отличиями от других. В паре приемопередатчиков ведущий узел задает свою синхронизацию (Sync 1-2), а ведомый подстраивается под него. Единая синхронизация для большой сети отсутствует. Поэтому плезиохронная в данном случае означает "почти" синхронная. Это удобно для строительства отдельных каналов, но вызывает лишние сложности при создании глобальных сетей.

2.2 Сети на основе технологии SDH

По мере объединения сетей различных операторов связи остро встает проблема глобальной синхронизации узлов. Плюс к этому, усложнение топологии вызвало трудности при извлечении из потока составляющих каналов. Технические особенности независимой синхронизации разных узлов (наличие выравнивающих бит) делали это невозможным. То есть, чтобы извлечь из потока Е4 поток Е1, необходимо демультиплексировать Е4 на четыре Е3, затем один из Е3 на четыре Е2, и только после этого получить нужный Е1.

В этой ситуации удачным решением стала разработанная в 80-х годах синхронная оптическая сеть SONET, и синхронная цифровая иерархия SDH, которые часто рассматриваются как единая технология SONET/SDH.

Появление стандартов синхронной цифровой иерархии передачи данных (SDH) в 1988 году ознаменовало собой новый этап развития транспортных сетей. Системы синхронной передачи не только преодолели ограничения плезиохронных систем-предшественниц (PDH), но и снизили накладные расходы на передачу информации. Ряд уникальных достоинств (доступ к низкоскоростным каналам без полного демультиплексирования всего потока, высокая отказоустойчивость, развитые средства мониторинга и управления, гибкое управление постоянными абонентскими соединениями) обусловили выбор специалистов в пользу новой технологии, ставшей основой первичных сетей нового поколения. На сегодняшний день технология SDH заслуженно считается не только перспективной, но и достаточно используемой технологией для создания транспортных сетей. Технология SDH обладает рядом важных достоинств с пользовательской, эксплуатационной и инвестиционной точек зрения. А именно:

Умеренная структурная сложность, снижающая затраты на монтаж, эксплуатацию и развитие сети, в том числе подключение новых узлов.

Широкий диапазон возможных скоростей - от 155,520 Мбит/с (STM-1) до 2,488 Гбит/с (STM-16) и выше.

Возможность интеграции с каналами PDH, поскольку цифровые каналы PDH являются входными каналами для сетей SDH.

Высокая надежность системы благодаря централизованному мониторингу и управлению, а также возможности использования резервных каналов.

Высокая степень управляемости системы благодаря полностью программному управлению.

Возможность динамического предоставления услуг - каналы для абонентов могут создаваться и настраиваться динамически, без внесения изменений в инфраструктуру системы.

Высокий уровень стандартизации технологии, что облегчает интеграцию и расширение системы, дает возможность применения оборудования различных производителей.

Высокая степень распространения стандарта в мировой практике.

9. Стандарт SDH обладает достаточной степенью зрелости, что делает его надежным для инвестиций. В дополнение к перечисленным достоинствам, необходимо отметить развитие магистральных телекоммуникаций российских операторов связи на основе SDH, что предоставляет дополнительные возможности для привлекательных интеграционных решений. Преобразование и передача данных в этой системе достаточно сложны. Нужно отметить лишь несколько моментов. В качестве минимальной "транспортной" единицы используется контейнер, размер полезной нагрузки которого составляет 1890 байтов, а служебной части - 540 байтов. Упрощенно, их можно рассматривать как некоторое количество каналов Т1/Е1, объединенных (мультиплексированных) в один SONET/SDH канал. При этом какая либо связь между потоками, или их изменение, не предусматривается (если не считать появившихся позже и сравнительно малораспространенных кросс-коннекторов). Схема сети SDH представлена на рисунке 9.

Можно видеть, что такая схема создавалась строго под нужды телефонии. Действительно, мультиплексоры (MUX) обычно устанавливаются на АТС, где потоки Е1 (собранные с других мультиплексоров) переводятся в медные аналоговые линии. Оптимизация пропускной способности сети (иначе говоря, межстанционных соединений) достигается подбором соотношения количества абонентских линий и используемых потоков.

Перечисленные достоинства делают решения, основанные на технологии SDH, рациональными с точки зрения инвестиций. В настоящее время она может считаться базовой для построения современных транспортных сетей, как для корпоративных сетей различного масштаба, так и для сетей связи общего пользования. SDH получает все большее применение для построения современных цифровых первичных сетей.

Также были разработаны технологии сетей Frame Relay, ISDN (Integrated Service Digital Network), АТМ (Asynchronous Transfer Mode). Но широкое использования данные технологии не нашли. Позднее были разработаны WDM (Wavelength Division Multiplexing -спектральное уплотнение каналов), техноло-

Рисунок 9- Структура транспортной сети SONET/SDH и схема возможных вариантов прохождения потоков Е1

гия плотного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing -- DWDM), многопротокольная коммутация меток MPLS.Наибольшее распространение данные технологии получили в США, где хорошо развит рынок волоконно-оптических систем [4]. Используются они и на сетях связи других регионов мира, особенно в Европе, Азии и Латинской Америке.

2.3 Сетевая топология

Под сетевой топологией принято понимать способ описания конфигурации сети, схему расположения и соединения сетевых устройств. Существует множество способов соединения сетевых устройств, из которых можно выделить восемь базовых топологий: шина, кольцо, звезда, двойное кольцо, ячеистая топология, решетка, дерево, Fat Tree. Остальные способы являются комбинациями базовых. В этом случае такие топологии называются смешанными или гибридными.

Рассмотрим некоторые виды сетевых топологий. Широко распространена топология - "Общая шина" (рисунок 10).

Рисунок 10 - Топология "Общая шина"

Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет -- кому адресовано сообщение и если ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо "несущий" сигнал, либо один из компьютеров является главным и "даёт слово" „МАРКЕР“ остальным станциям. Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость ее реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.

Рассмотрим Топологию "Кольцо" (рисунок 11).

Рисунок 11- Топология "Кольцо"

Кольцо -- это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли репитера, потому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведет передачу в этот момент, раньше, а другие - позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на "кольцо". В этих методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в "кольцо" обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии "шина", максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно большое (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).

В кольце, в отличие от других топологий (звезда, шина), не используется конкурентный метод посылки данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему. Список адресатов генерируется компьютером, являющимся генератором маркера. Сетевой модуль генерирует маркерный сигнал (обычно порядка 2-10 байт во избежание затухания) и передает его следующей системе (иногда по возрастанию MAC-адреса). Следующая система, приняв сигнал, не анализирует его, а просто передает дальше. Это так называемый нулевой цикл.

Последующий алгоритм работы таков -- пакет данных GRE, передаваемый отправителем адресату начинает следовать по пути, проложенному маркером. Пакет передаётся до тех пор, пока не доберётся до получателя.

Следующий вид топологии - "Звезда" (рисунок 12).

Звезда -- базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой концентратор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило "дерево"). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом ложится очень большая нагрузка, потому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно

Рисунок 12 - Топология "Звезда"

центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, потому что управление полностью централизовано. Рабочая станция, с которой необходимо передать данные, отсылает их на концентратор, а тот определяет адресата и отдаёт ему информацию. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня - коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт - получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько - зависит от коммутатора.

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, например древовидная структура (рисунок.13). Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерными платам применяют сетевые усилители и / или коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором.

Рисунок 13 - Топология "Дерево"

На практике применяют две их разновидности, обеспечивающие подключение соответственно восьми или шестнадцати линий.

Устройство к которому можно присоединить максимум три станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что максимальное возможное расстояние до рабочей станции не должно превышать нескольких десятков метров.

Топология сети определяет не только физическое расположение компьютеров, но, что намного более важное, характер связей между ними, особенности распространения сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказостойкости сети, необходимую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможны типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования, и много чего другого [6].

3. Разработка сети абонентского доступа

3.1 Исходные данные для разработки

Сеть абонентского доступа разрабатывается согласно заданию на дипломный проект для территории, представленной на рисунке 14 с целью обеспечения широкополосного доступа в Интернет и обмена информацией между пользователями сети. Сеть разрабатывается по технологии Ethernet с использованием волоконно-оптических линий связи и медного кабеля и предполагает наличие нескольких серверов. Предполагаемая скорость абонентского доступа с учётом пропускной способности городской сети - 100 Мбит/c. Ранее скорость абонентского доступа была 10 Мбит/с, но в связи с использованием усовершенствованного оборудования удалось обеспечить пользователям большую скорость. Для подключения к сети к компьютерам выдвигаются следующие требования:

- наличие в компьютере сетевого адаптера с интерфейсом Ethernet 10/ 100BaseTX;

- наличие операционной системы, поддерживающей протокол TCP/IP.

3.2 Основные сетевые решения

Для удобства сегментирования сети используем квартальное разделение по типу "Звезда". Сегменты для повышения управляемости сети делим на подсети. Территорию разделим на сегменты, каждый из которых охватывающих несколько домов (от 4 до 10). Каждый сегмент связан с квартальным оборудованием через оптический конвертер по стандарту 1000BaseLX с использованием волоконно-оптического кабеля с целью увеличения расстояния кабельного сегмента и высокой скорости передачи информации. Каждое квартальное оборудование подключено к центральному узлу связи через оптический конвертер по стандарту Gigabit Ethernet 1000BaseLX для увеличения пропускной способности на магистрали сети.

Рисунок 14 - Территория проектирования

Центральный узел связи (расположем на АТС по согласованию сторон): Выберем технологию доступа к сети SDH из-за большой пропускной способности трактов, гибкости, возможности динамически наращивать емкость сети без прерывания трафика. На центральном узле расположем главный коммутатор и маршрутизатор для доступа к сети SDH магистрального провайдера и серверы, отвечающие за подсчет трафика, за мониторинг сети, также будет установлен DNS сервер .DNS сервер - специализированное ПО для обслуживания DNS (Domain Name System -- система доменных имён), а также компьютер, на котором это ПО выполняется. DNS-сервер может быть ответственным за некоторые зоны или может перенаправлять запросы вышестоящим серверам.