Проектирование локальной сети компьютерного клуба "Галактика"

Содержание

Введение

1. Основы построения локальных вычислительных сетей

1.1 Основные сведения о локальных сетях

1.1.1 Виды компьютерных сетей

1.1.2 Классификация локальных вычислительных сетей

1.2 Технические средства локально-вычислительных сетей

1.2.1 Модель взаимодействия OSI

1.2.2 Базовые технологии локальных сетей

1.2.3 Топология локальной вычислительной сети

1.2.4 Среда передачи данных

1.2.5 Сетевое оборудование локальных вычислительных сетей

1.2.6 Протокол TCP

1.3 Сетевое программное обеспечение

2. Проектирование локальной сети компьютерного клуба «Галактика»

2.1 Анализ предметной области

2.2 Выбор конфигурации вычислительной сети

2.3 Проектирование структурной схемы вычислительной сети

2.4 Планирование информационной безопасности

3. Экономический расчет стоимости объекта проектирования

3.1 Расчет затрат на создание проекта ЛВС

3.2 Расчет материальных затрат на создание проекта локальной сети

3.3 Использование сетевого оборудования

3.4 Расчет технологической себестоимости ЛВС

3.5 Расчет капитальных затрат на создание ЛВС

3.6 Затраты при эксплуатации ЛВС

3.7 Расчет экономического эффекта от создания и эксплуатации ЛВС

4. Охрана труда

4.1 Организация и расчет отопления

4.2 Расчет вентиляции

4.3 Расчет искусственного освещения помещения

4.4 Расчет природного освещения помещения

Выводы

Перечень ссылок

Приложение А. План помещения

Приложение Б. План расположения рабочих мест

Приложение В. Схема прокладки кабеля

Приложение Г. Спецификация ЛВС

Приложение Д. Стоимость монтажных работ

Введение

В дипломной проекте рассматривается тема «Проектирование локальной сети компьютерного клуба «Галактика».

Объектом исследования является компьютерный клуб «Галактика».

Предметом исследования является локальная сеть.

Цель дипломного проекта является выбот технологии, топологии и сетевого оборудования для постоения локальной сети.

Актуальность проекта состоит в том, что данная локальная сеть является единсвенно возможным средством для организации эффективного функционирования компьютерного клуба. Данная локальная сеть проектируется с целью совместного использования общих ресурсов, таких как локальные диски, сетевой принтер, Интернет.

Для достижения поставленных целей и задач необходимо выполнить следующие этапы работы:

- подбор литературы и изучение материалов по данной тематике;

- изучение базовых технологий построения сетей;

- рассмотрение программных и технических характеристик предприятия;

- выбор технологии сети с базовыми;

- подбор сетевого оборудования;

- проектирование схемы прокладки кабеля;

- планирование информационной безопасности сети;

- выполнение расчета экономического эффекта на создание и эксплуатацию локальной сети;

- анализ плана помещения предприятия и расчет отопления, вентиляции, природного и искусственного освещения предприятия.

Теоретическая значимость состоит в анализе существующих технологий и применении одной из них для реализации на практике.

Практическая значимость состоит в реализации на практике проекта по проектированию локальной сети, а также мер по настройке доступа к общим ресурсам данной локальной сети, таким как совместное использование дисковых ресурсов, подключение сетевого принтера и сетевого диска, обновление программного обеспечение для удобства пользования и защиты локальной сети.

1. Основы построения локальных вычислительных сетей

1.1 Основные сведения о локальных компьютерных сетях

Локальная сеть представляет собой набор компьютеров, периферийных устройств (принтеров и т. п.) и коммутационных устройств, соединенных кабелями. В качестве кабеля используются «толстый» коаксиальный кабель, «тонкий» коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель. «Толстый» кабель, в основном, используется на участках большой протяженности при требованиях высокой пропускной способности. Волоконно-оптический кабель позволяет создавать протяженные участки без ретрансляторов при недостижимой с помощью других кабелей скорости и надежности. Однако стоимость кабельной сети на его основе высока, и поэтому он не нашел пока широкого распространения в локальных сетях. В основном локальные компьютерные сети создаются на базе «тонкого» кабеля или витой пары.

Первоначально сети создавались по принципу "тонкого" Ethernet. В основе его -- несколько компьютеров с сетевыми адаптерами, соединенные последовательно коаксиальным кабелем, причем все сетевые адаптеры выдают свой сигнал на него одновременно. Недостатки этого принципа выявились позже.

С ростом размеров сетей параллельная работа многих компьютеров на одну единую шину стала практически невозможной: очень велики стали взаимные влияния друг на друга. Случайные выходы из строя коаксиального кабеля (например, внутренний обрыв жилы) надолго выводили всю сеть из строя. А определить место обрыва или возникновения программной неисправности, "заткнувшей" сеть, становилось практически невозможно.

Поэтому дальнейшее развитие компьютерных сетей происходит на принципах структурирования. В этом случае каждая сеть складывается из набора взаимосвязанных участков -- структур.

Каждая отдельная структура представляет собой несколько компьютеров с сетевыми адаптерами, каждый из которых соединен отдельным проводом -- витой парой -- с коммутатором. При необходимости развития к сети просто добавляют новую структуру.

При построении сети по принципу витой пары можно проложить больше кабелей, чем установлено в настоящий момент компьютеров. Кабель проводится не только на каждое рабочее место, независимо от того, нужен он сегодня его владельцу или нет, но даже и туда, где сегодня рабочего места нет, но возможно появление в будущем. Переезд или подключение нового пользователя в итоге потребует лишь изменения коммутации на одной или нескольких панелях.

Структурированная система несколько дороже традиционной сети за счет значительной избыточности при проектировании. Но зато она обеспечивает возможность эксплуатации в течение многих лет.

Для сетей, построенных по этому принципу, появляется необходимость в специальном электронном оборудовании. Одно из таких устройств - хаб - является коммутационным элементом сети. Каждый хаб имеет от 8 до 30 разъемов (портов) для подключения либо компьютера, либо другого хаба. К каждому порту подключается только одно устройство. При подключении компьютера к хабу оказывается, что часть электроники сетевого интерфейса находится в компьютере, а часть - в хабе. Такое подключение позволяет повысить надежность соединения. В обычных ситуациях, помимо усиления сигнала, хаб восстанавливает преамбулу пакета, устраняет шумовые помехи и т. д.

Хабы являются сердцем системы и во многом определяют ее функциональность и возможности. Даже в самых простых хабах существует индикация состояния портов. Это позволяет немедленно диагностировать проблемы, вызванные плохими контактами в разъемах, повреждением проводов и т. п. Существенным свойством такой структурированной сети является ее высокая помехоустойчивость: при нарушении связи между двумя ее элементами, остальные продолжают сохранять работоспособность. Задача соединения компьютерных сетей различных организаций, зачастую созданных на основе различных стандартов, вызвала появление специального оборудования (мостов, маршрутизаторов, концентраторов и т. п.), осуществляющего такое взаимодействие.

1.1.1 Виды компьютерных сетей

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:

- Территориальная распространенность;

- Ведомственная принадлежность;

- Скорость передачи информации;

- Тип среды передачи;

По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными. Локальные - это сети, перекрывающие территорию не более 10 м², региональные - расположенные на территории города или области, глобальные на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet.

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети - сети, используемые в государственных структурах.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.

По типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

Компьютеры могут соединяться кабелями, образуя различную топологию сети (звездная, шинная, кольцевая и др.).

1.1.2 Классификация локальных вычислительных сетей

Локальные вычислительные сети подразделяются на два кардинально различающихся класса: одноранговые (одноуровневые или Peer to Peer) сети и иерархические (многоуровневые).

Одноранговая сеть представляет собой сеть равноправных компьютеров, каждый из которых имеет уникальное имя (имя компьютера) и обычно пароль для входа в него во время загрузки ОС. Имя и пароль входа назначаются владельцем ПК средствами ОС. Одноранговые сети могут быть организованы с помощью таких операционных систем, как LANtastic, Windows'3.11, Novell NetWare Lite. Указанные программы работают как с DOS, так и с Windows. Одноранговые сети могут быть организованы также на базе всех современных 32-разрядных операционных систем - Windows'95 OSR2, Windows NT Workstation версии, OS/2) и некоторых других.

В иерархических локальных сетях имеется один или несколько специальных компьютеров - серверов, на которых хранится информация, совместно используемая различными пользователями.

Сервер в иерархических сетях - это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером. Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более). Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются станциями или клиентами.

ЛКС классифицируются по назначению:

- Сети терминального обслуживания. В них включается ЭВМ и периферийное оборудование, используемое в монопольном режиме компьютером, к которому оно подключается, или быть общесетевым ресурсом.

- Сети, на базе которых построены системы управления производством и учрежденческой деятельности. Они объединяются группой стандартов МАР/ТОР. В МАР описываются стандарты, используемые в промышленности. ТОР описывают стандарты для сетей, применяемых в офисных сетях.

- Сети, которые объединяют системы автоматизации, проектирования. Рабочие станции таких сетей обычно базируются на достаточно мощных персональных ЭВМ, например фирмы Sun Microsystems.

По классификационному признаку локальные компьютерные сети делятся на кольцевые, шинные, звездообразные, древовидные;

- по признаку скорости - на низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с), высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

- по типу метода доступа - на случайные, пропорциональные, гибридные;

- по типу физической среды передачи - на витую пару, коаксиальный или оптоволоконный кабель, инфракрасный канал, радиоканал.

1.2 Технические средства локально-вычислительных сетей

1.2.1 Модель взаимодействия OSI

Модель OSI (Open System Interconnect Reference Model, Эталонная модель взаимодействия открытых систем) представляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.

Эта модель описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между уровнями. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом - набором правил и форматов данных для взаимодействия между собой объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах.

Идея состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на некоторое количество примитивов, последовательно выполняющихся объектами, соотнесенными с уровнями модели. Модель построена так, что объекты одного уровня двух взаимодействующих компьютеров сообщаются непосредственно друг с другом с помощью соответствующих протоколов, не зная, какие уровни лежат под ними и какие функции они выполняют. Задача объектов - предоставить через стандартизованный интерфейс определенный сервис вышестоящему уровню, воспользовавшись, если нужно, сервисом, который предоставляет данному объекту нижележащий уровень.

Например, некий процесс отправляет данные через сеть процессу, находящемуся на другом компьютере. Через стандартизованный интерфейс процесс-отправитель передает данные нижнему уровню, который предоставляет процессу сервис по пересылке данных, а процесс-получатель через такой же стандартизованный интерфейс получает эти данные от нижнего уровня. При этом ни один из процессов не знает и не имеет необходимости знать, как именно осуществляет передачу данных протокол нижнего уровня, сколько еще уровней находится под ним, какова физическая среда передачи данных и каким путем они движутся.

Эти процессы, с другой стороны, могут находиться не на самом верхнем уровне модели. Предположим, что они через стандартный интерфейс взаимодействуют с приложениями вышестоящего уровня и их задача (предоставляемый сервис) - преобразование данных, а именно фрагментация и сборка больших блоков данных, которые вышестоящие приложения отправляют друг другу. При этом сущность этих данных и их интерпретация для рассматриваемых процессов совершенно не важны.

Возможна также взаимозаменяемость объектов одного уровня (например, при изменении способа реализации сервиса) таким образом, что объект вышестоящего уровня не заметит подмены.

Вернемся к примеру: приложения не знают о том, что их данные преобразуются именно путем фрагментации/сборки, им достаточно знать то, что нижний уровень предоставляет им некий “правильный” сервис преобразования данных. Если же для какой-то другой сети понадобится не фрагментация/сборка пакетов, а, скажем, перестановка местами четных и нечетных бит, то процессы рассматриваемого уровня будут заменены, но приложения ничего не заметят, так как их интерфейсы с нижележащим уровнем стандартизованы, а конкретные действия нижележащих уровней скрыты от них.

Объекты, выполняющие функции уровней, могут быть реализованы в программном, программно-аппаратном или аппаратном виде. Как правило, чем ниже уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.

Организация сетевого взаимодействия компьютеров, построенного на основе иерархических уровней, как описано выше, часто называется протокольным стеком.

Ниже перечислены (в направлении сверху вниз) уровни модели OSI и указаны их общие функции.

Уровень приложения (Application) -интерфейс с прикладными процессами.

Уровень представления (Presentation) -согласование представления (форматов, кодировок) данных прикладных процессов.

Сеансовый уровень (Session) -установление, поддержка и закрытие логического сеанса связи между удаленными процессами.

Транспортный уровень (Transport) - обеспечение безошибочного сквозного обмена потоками данных между процессами во время сеанса.

Сетевой уровень (Network) - фрагментация и сборка передаваемых транспортным уровнем данных, маршрутизация и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

Канальный уровень (Data Link) - управление каналом передачи данных, управление доступом к среде передачи, передача данных по каналу, обнаружение ошибок в канале и их коррекция.

Физический уровень (Physical) - физический интерфейс с каналом передачи данных, представление данных в виде физических сигналов и их кодирование (модуляция).

1.2.2 Базовые технологии локальных сетей

В 1995 году комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта. Сетевой мир получил технологию, с одной стороны, решающую самую болезненную проблему- нехватку пропускной способности на нижнем уровне сети, а с другой стороны, очень легко внедряющуюся в существующие сети Ethernet.

Легкость внедрения Fast Ethernet объясняется следующими факторами:

Общий метод доступа позволяет использовать в сетевых адаптерах Fast Ethernet до 80% микросхем адаптеров Ethernet;

Драйверы также содержат большую часть кода для адаптеров Ethernet, а отличия вызваны новым методом кодирования данных на линии (4B/5B или 8B/6T) и наличием полнодуплексной версии протокола;

Формат кадра остался прежним, что дает возможность анализаторам протоколов применять к сегментам Fast Ethernet те же методы анализа, что и для сегментов Ethernet, лишь механически повысив скорость работы.

Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены в основном на физическом уровне. Разработчики стандарта Fast Ethernet учли тенденции развития структурированных кабельных систем.

Они реализовали физический уровень для всех популярных типов кабелей, входящих в стандарты на структурированные (такие как EIA/TIA 568A) и реально выпускаемые кабельные системы.

Существует три варианта физического уровня Fast Ethernet:

- 100Ваsе-ТХ для двух парного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5 (или экранированной витой паре STP Туре1);

- 100Ваsе-Т4 для четырех парного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 3,4,5;

- 100Ваsе-FХ для многомодового оптоволоконного кабеля.

При создании сегментов Fast Ethernet с разделяемой средой нужно использовать концентраторы. При этом максимальный диаметр сети колеблется от 136 до 205 метров, а количество концентраторов в сегменте ограничено одним или двумя, в зависимости от их типа.

При использовании двух концентраторов расстояние между ними не может превышать 5--10 метров. Так что существование 2-х устройств мало что дает, кроме увеличения количества портов - расстояние между компьютерами сегмента от добавления второго концентратора практически не изменяется.

В разделяемом сегменте Fast Ethernet нет возможности обеспечить какие-либо преимущества при обслуживании трафика приложений реального времени. Любой кадр получает равные шансы захватить среду передачи данных в соответствии с логикой алгоритма CSMA/CD.

Коммутируемый вариант Fast Ethernet позволяет увеличить связи между узлами, работающими в полнодуплексном режиме и использующими многомодовый оптоволоконный кабель, до 2 км.

У технологии Fast Ethernet есть несколько ключевых свойств, которые определяют области и ситуации ее эффективного применения.

К этим свойствам относятся:

- большая степень преемственности по отношению к классическому 10-мегабитному Ethernet;

- высокая скорость передачи данных - 100 Мбит/с;

- возможность работать на всех основных типах современной кабельной проводки - UTP Category 5, UTP Category 3, STP Tуре 1, многомодовом оптоволокне.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает простую общую рекомендацию. Fast Ethernet, следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10-мегабитный Ethernet. Однако сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют более высокой пропускной способности в таких частях сетей. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet. Кроме того, можно по-прежнему использовать средства анализа протоколов, работающие с агентами MIB-II, RMON MIB и привычными форматами кадров.

В семействе Ethernet технология Fast Ethernet занимает промежуточное положение между Ethernet 10 Мбит/с и Gigabit Ethernet.

Поэтому в крупной локальной сети, в которой оправдано создание трех уровней иерархии сетевых устройств, технологии Fast Ethernet отведен средний уровень - сетей отделов. Но это, конечно, не исключает ее применения и на нижних этажах, в сетях рабочих групп, причем не только для подключения серверов, но и быстрых рабочих станций.

При использовании агрегированных транковых соединений, обеспечивающих скорости N x 100 Мбит/с, технология Fast Ethernet может применяться и для создания магистральных связей в сетях масштаба здания и даже кампуса.

Что же касается разделяемых сегментов Fast Ethernet, то они конкурируют по стоимости и возможностям с коммутируемыми сегментами Ethernet 10 Мбит/с. При наличии 10 рабочих станций в сегменте и в том, и в другом случаях каждой рабочей станции достается в среднем по 10 Мбит/с.

Преимущественная область применения разделяемых сегментов Fast Ethernet достаточно ясна.

Это объединение близко расположенных друг от друга компьютеров, трафик которых имеет ярко выраженный пульсирующий характер с большими, но редкими всплесками.

Большие всплески хорошо передаются незагруженным каналом 100 Мбит/с, а редкое их возникновение приводит к возможности совместного использования канала без частого возникновения коллизий. Типичным примером такого трафика является трафик файлового сервиса, электронной почты, сервиса печати, Коммутируемые сегменты Ethernet 10 Мбит/с могут предоставить каждому узлу гарантированные 10 Мбит/с, но не больше. Так что для тех случаев, когда важно изредка предоставлять конечному узлу больше 10 Мбит/с, разделяемые сегменты Fast Ethernet оказываются предпочтительным решением.

Выходит, что переход от технологии Ethernet 10 Мбит/с к технологии Fast Ethernet 100 Мбит/с все таки необходим.

Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) - это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени (в 1980 - 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний (например, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom и др.) производили аппаратуру для сети этого типа. Но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.

Среди основных достоинств сети Arcnet по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.

Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю - один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.

В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения. Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.

В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение - в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.

Концентраторы бывают двух видов:

- Активные концентраторы (восстанавливают форму приходящих сигналов и усиливают их). Количество портов - от 4 до 64. Активные концентраторы могут соединяться между собой (каскадироваться).

- Пассивные концентраторы (просто смешивают приходящие сигналы без усиления). Количество портов - 4. Пассивные концентраторы не могут соединяться между собой. Они могут связывать только активные концентраторы и/или сетевые адаптеры.

- Шинные сегменты могут подключаться только к активным концентраторам.

Сетевые адаптеры также бывают двух видов:

- Высокоимпедансные (Bus), предназначенные для использования в шинных сегментах:

- Низкоимпедансные (Star), предназначенные для использования в пассивной звезде.

Низкоимпедансные адаптеры отличаются от высокоимпедансных тем, что они содержат в своем составе согласующие 93-омные терминаторы. При их применении внешнее согласование не требуется. В шинных сегментах низкоимпедансные адаптеры могут использоваться как оконечные для согласования шины. Высокоимпедансные адаптеры требуют применения внешних 93-омных терминаторов. Некоторые сетевые адаптеры имеют возможность переключения из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное, они могут работать и в шине, и в звезде.

Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.

- Среда передачи - коаксиальный кабель, витая пара.

- Максимальная длина сети - 6 километров.

- Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора - 30 метров.

- Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора - 600 метров.

- Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами - 30 м.

- Максимальная длина кабеля между активными концентраторами - 600 метров.

- Максимальное количество абонентов в сети - 255.

- Максимальное количество абонентов на шинном сегменте - 8.

- Минимальное расстояние между абонентами в шине - 1 метр.

- Максимальная длина шинного сегмента - 300 метров.

- Скорость передачи данных - 2,5 Мбит/с.

При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.

В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от аналогичного в сети Token-Ring. Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4. Последовательность действий абонентов при данном методе:

- Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.

- Получив маркер, он посылает запрос на передачу абоненту-приемнику информации (спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).

- Приемник, получив запрос, посылает ответ (подтверждает свою готовность).

- Получив подтверждение готовности, абонент-передатчик посылает свой пакет.

- Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.

- Передатчик, получив подтверждение приема пакета, заканчивает свой сеанс связи. После этого маркер передается следующему абоненту по порядку убывания сетевых адресов.

Таким образом, в данном случае пакет передается только тогда, когда есть уверенность в готовности приемника принять его. Это существенно увеличивает надежность передачи.

Так же, как и в случае Token-Ring, конфликты в Arcnet полностью исключены. Как и любая маркерная сеть, Arcnet хорошо держит нагрузку и гарантирует величину времени доступа к сети (в отличие от Ethernet). Полное время обхода маркером всех абонентов составляет 840 мс. Соответственно, этот же интервал определяет верхний предел времени доступа к сети.

Маркер формируется специальным абонентом - контроллером сети. Им является абонент с минимальным (нулевым) адресом.

Если абонент не получает свободный маркер в течение 840 мс, то он посылает в сеть длинную битовую последовательность (для гарантированного уничтожения испорченного старого маркера). После этого производится процедура контроля сети и назначения (при необходимости) нового контроллера.

Размер пакета сети Arcnet составляет 0,5 Кбайта. Помимо поля данных в него входят также 8-битные адреса приемника и передатчика и 16-битная циклическая контрольная сумма (CRC). Такой небольшой размер пакета оказывается не слишком удобным при высокой интенсивности обмена по сети.

Адаптеры сети Arcnet отличаются от адаптеров других сетей тем, что в них необходимо с помощью переключателей или перемычек установить собственный сетевой адрес . Контроль уникальности каждого адреса сети полностью возлагается на пользователей сети. Подключение новых абонентов становится при этом довольно сложным, так как необходимо задавать тот адрес, который еще не использовался. Выбор 8-битного формата адреса ограничивает допустимое количество абонентов в сети - 255, что может быть недостаточно для крупных компаний.

В результате все это привело к практически полному отказу от сети Arcnet. Существовали варианты сети Arcnet, рассчитанные на скорость передачи 20 Мбит/с, но они не получили широкого распространения.

1.2.3 Топология локальной вычислительной сети

Термин «топология сети» относится к пути, по которому данные перемещаются по сети. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.

Существуют три основных вида топологий: «звезда», «кольцо» и «общая шина».

Топология вида «звезда». Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой главная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных.

Рисунок 1.1 - Топология вида «звезда»

Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте сети RelCom. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Кабельное соединение довольно простое, мак как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде «звезды» является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер реализует оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Рисунок 1.2 - Топология вида «Кольцо»

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца.

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, мак как большинство сообщений можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, мак как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, мак как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Рисунок 1.3 -Топология вида «шина»

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet - кабель с тройниковым соединителем. Отключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/или подключать рабочие станции во время работы вычислительной сети.

Благодаря тому, что рабочие станции можно подключать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

В ЛВС с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке повышаются, например, при вводе новых рабочих станций. Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР (англ. Terminal Access Point - точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему.

1.2.4 Среда передачи данных

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 приемлемо. 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.

Витые пары проводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.

Обычно в кабель входит две или четыре витые пары.

Рисунок 1.4 - Кабель с витыми парами

Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения во вне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.

В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk - перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

Основные достоинства неэкранированных витых пар - простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, возникающие при таких скоростях, крайне сложны.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительные категории кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

- Кабель категории 1 - это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь. Этот тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).

- Кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2.

- Кабель категории 3 - это кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Еще недавно он был самым распространенным, но сейчас повсеместно вытесняется кабелем категории 5.

- Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был создан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.

- Кабель категории 5 - в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель категории 5 примерно на 30--50% дороже, чем кабель категории 3.

- Кабель категории 6 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 (или 250) МГц.

- Кабель категории 7 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.

Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа RJ-45, похожие на разъемы, используемые в телефонах (RJ-11), но несколько большие по размеру. Разъемы RJ-45 имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Надо учитывать, что при установке разъемов стандартом допускается расплетение витой пары кабеля на длину не более одного сантиметра.

Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении (точка-точка), то есть в топологиях типа звезда или кольцо. Топология шина обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются.

Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

- Кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы в сравнительно комфортных условиях эксплуатации.

- Кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.

Кабель в ПВХ оболочке называется еще non-plenum, а в тефлоновой - plenum. Термин plenum обозначает в данном случае пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ - кабель, и не выделяет при этом ядовитых газов в большом количестве.

Примером кабеля с экранированными витыми парами может служить кабель STP IBM типа 1, который включает в себя две экранированные витые пары AWG типа 22. Волновое сопротивление каждой пары составляет 150 Ом. Для этого кабеля применяются специальные разъемы, отличающиеся от разъемов для неэкранированной витой пары (например, DB9). Имеются и экранированные версии разъема RJ-45.

Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.

Рисунок 1.5- Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 - 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.

Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа шина. При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. Но при заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети. Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, необходимо, чтобы их сопротивление равнялось волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.

Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией звезда (например, пассивная звезда в сети Arcnet). В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется.

Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Распространенные в телевизионной технике 75-омные кабели в локальных сетях не используются. Марок коаксиального кабеля немного. Он не считается особо перспективным. Не случайно в сети Fast Ethernet не предусмотрено применение коаксиальных кабелей. Однако во многих случаях классическая шинная топология (а не пассивная звезда) очень удобна. Как уже отмечалось, она не требует применения дополнительных устройств - концентраторов.

Существует два основных типа коаксиального кабеля:

- тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;

- толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.

Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигнал в нем затухает сильнее. Зато с тонким кабелем гораздо удобнее работать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения. Подключение к тонкому кабелю (с помощью разъемов BNC байонетного типа) проще и не требует дополнительного оборудования. А для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий, поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.

Как и в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели. Естественно, тефлоновый кабель дороже поливинилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по окраске (например, для PVC кабеля фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового - оранжевый).

Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют для тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого - около 4,5 нс/м.

Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они немного дороже обычных.

В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель - это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.



Рисунок 1.6 - Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).