Проектирование ЛВС и информационного обеспечения МКОУ СОШ № 15

3. «Кольцо», при которой каждый ПК передает информацию всегда только одному ПК, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке ПК, и эта цепочка замкнута в «кольцо» (рисунок1.7).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.7. Сетевая топология «кольцо»

 

 Достоинства кольцевой топологии:

• простота установки;
• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети.

Однако “кольцо” имеет и существенные недостатки:

• каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации; в случае выхода из строя хотя бы одной из них или обрыва кабеля – работа всей сети останавливается;
• подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, поскольку во время установки нового ПК кольцо должно быть разомкнуто;
• сложность конфигурирования и настройки;
• сложность поиска неисправностей [9].

На практике нередко  используют и комбинации базовых  топологий, но большинство сетей ориентированы именно на эти три.

В частности, нередко применяется также сетевая топология «дерево», которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Как и в случае звезды, дерево может быть активным, или истинным (рисунок 3.4), и пассивным (рисунок 8). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные ПК, а при пассивном - концентраторы (хабы).

 

 

 

 

Рисунок 1.8. Топология «активное дерево»

Рисунок 1.9. Топология «пассивное дерево»

Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди которых наибольшее распространение получили звездно-шинная (рисунок. 3.6) и звездно-кольцевая (рисунок 1.10.).

Рисунок 1.10. Пример звездно-шинной топологии

Рисунок 1.11. Пример звездно-кольцевой топологии

 

В «звездно-шинной» топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. В этом случае к концентратору подключаются как отдельные ПК, так и целые шинные сегменты, то есть на самом деле реализуется физическая топология «шина», включающая все ПК сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные ПК или шинные сегменты[7].

Таким образом, пользователь получает возможность гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество ПК, подключенных к сети.

В случае «звездно-кольцевой» топологии в кольцо объединяются не сами ПК, а концентраторы (изображенные на рисунке 11 в виде прямоугольников), к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все ПК сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов все линии связи образуют замкнутый контур. Данная топология позволяет комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети [10].

1.3. Активное оборудование структурированных кабельных сетей

 

Для анализа способа соединения отдельных узлов проанализируем возможности различного активного оборудования для сетей.

Основные категории устройств, применяемые при проектировании ЛВС и ее организации непосредственно при прокладке СКС: трансиверы, конвертеры, сетевые карты, повторители, коммутаторы, маршрутизаторы [2].

Трансивер - устройство для передачи и приёма сигнала между двумя физически разными средами системы связи. Это приёмник-передатчик, физическое устройство, которое соединяет интерфейс хоста (ПК в режиме сервера или сервер) с локальной сетью, такой как Ethernet. Трансиверы Ethernet содержат электронные устройства, передающие сигнал в кабель и детектирующие коллизии.

Сетевая карта. Наиболее широкое распространение получили сетевые карты с интерфейсом 100Base-TX на шину PCI. Необязательными, но крайне желательными функциями порта RJ-45 является автоконфигурирование 100/10 Мбит/с и поддержка дуплексного режима. Большинство современных выпускаемых карт поддерживают эти функции. Выпускаются также сетевые карты с оптическим интерфейсом 100Base-FX ориентированным на многомодовое волокно[4].

Конвертер - (преобразователь интерфейсов) предназначен для подключения к линиям связи широкого спектра разнообразного сетевого оборудования с различными интерфейсами. Конвертеры в отличие от повторителей могут работать в дуплексном режиме, за исключением случая, когда имеется порт 100Base-T4. Распространены конвертеры 100Base-TX/100Base-FX. В силу общих тенденций роста широкополосных протяженных сетей с использованием одномодовых волоконно-оптических сетей. Конвертерные шасси, объединяющие несколько отдельных модулей 100Base-TX/100Base-FX позволяют подключать множество сходящих в центральном узле волоконно-оптических сегментов к коммутатору, оснащенному дуплексными портами RJ-45 (100Base-TX) [4].

Повторитель. Повторитель воспринимает входные импульсы, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированные пакеты в следующий кабельный сегмент или сегменты. Никакого редактирования или анализа поступающих данных не производится. Все входы/выходы повторителя с точки зрения пакетов эквивалентны. Если повторитель многовходовый, то пакет пришедший по любому из входов будет ретранслирован на все остальные входы/выходы повторителя. Чем больше кабельных сегментов объединено повторителями, тем больше загрузка всех сегментов. При объединении нескольких сегментов с помощью повторителя загрузка каждого из них становится равной сумме всех загрузок до объединения. Это справедливо как для коаксиальных кабельных сегментов, так и для повторителей, работающих с витой парой. Некоторые повторители контролируют наличие связи между портом и узлом, регистрируют коллизии и затянувшиеся передачи, выполняют согласование типа соединения[5].

Концентратор - сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet (в общем случае, несколько узлов) в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна. Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса (поочередная двухсторонняя передача данных), все подключённые устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.

Многие модели концентраторов имеют  простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключённых устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. В последнее время концентраторы используются достаточно редко и почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент.

Мост - сетевое оборудование для объединения сегментов локальной сети. Сетевой мост работает на канальном уровне модели OSI, обеспечивая ограничение домена коллизий (часть сети, все узлы которой распознают коллизии, не зависимо от того, где она возникла). Мосты направляют фреймы данных в соответствии с MAC-адресами фреймов. В общем случае коммутатор и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов). В настоящее время мосты практически не используются (так как для работы требуют производительный процессор), за исключением ситуаций, когда связываются сегменты сети с разной организацией первого уровня[2].

Коммутатор - устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались[2].

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам (англ. Media Access Control, MAC). MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Основные характеристики, определяющие качество работы коммутатора:

• скорость фильтрации кадров;
• скорость продвижения кадров;
• пропускная способность;
• задержка передачи кадра.

Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

• прием кадра в свой буфер;
• просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
• уничтожение кадра, если его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту [22].

Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров.

• прием кадра в свой буфер;
• просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
• передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Пропускная способность  коммутатора измеряется количеством  пользовательских данных (в мегабитах или гигабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты.

Задержка передачи кадра  измеряется как время, прошедшее  с момента прихода первого  байта кадра на входной порт коммутатора  до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, - просмотра адресной таблицы, принятия решения о продвижении и получения доступа к среде выходного порта.

 

Маршрутизатор - устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов между различными сегментами сети.

Работает на более высоком (сетевом) уровне, нежели коммутатор и сетевой мост. Обычно маршрутизатор использует IP-адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация [23]. 

Анализируя возможности  коммутатора и маршрутизатора по объединению в одну сеть нескольких узлов, можно сделать следующие выводы:

1. Маршрутизатор целесообразнее использовать в случае наличия нескольких изолированных сетей. Тогда на каждом шаге с помощью таблицы маршрутизации будет определяться адрес следующего маршрутизатора для доставки пакета. Для этого необходимо извлечь IP-пакет из Ethernet-кадра, определить адрес назначения и провести поиск в таблице маршрутизации. На выходе получим IP-адрес следующего маршрутизатора. В случае, если MAC-адрес данного узла неизвестен, то необходимо дополнительно использовать протокол  ARP для получения такого адреса.
2. Коммутаторы могут связывать лишь сегменты одной сети, но не могут работать с несколькими сетями. Коммутаторы работают на канальном уровне с MAC-адресами, поэтому они тратят гораздо меньше времени на продвижение кадров по сети.

Исходя из этого, в качестве устройств, соединяющих отдельные сегменты сети, были выбраны коммутаторы. Проанализируем возможности отдельных коммутаторов с целью выбора наилучших из них для проектирования требуемой сети[18].

1.4.  Выбор коммуникативного оборудования

 

В связи со спецификой здания потребуется большое количество коммутаторов, соединяющих отдельные сегменты сети. 

Проанализируем характеристики основных коммутаторов.

 

 

 

 

Рисунок 1.11. Коммутатор D-Link DGS-1210

 

Серия коммутаторов D-Link DGS-1210 включает в себя коммутаторы Web Smart следующего поколения с поддержкой технолгии D-Link Green. Коммутаторы данной серии объединяют в себе функции расширенного управления и безопасности, обеспечивающих лучшую производительность и масштабируемость. Расширенный функционал включает комбо-порты Gigabit, поддержку Power over Ethernet, QoS, а также функции гибкого многофункционального управления. Поддержка Power over Ethernet позволяет упростить установку беспроводных точек доступа, сетевых камер, телефонов VoIP и другого сетевого оборудования. Благодаря совместимости со стандартами 802.3af и 802.3at, этот коммутатор  способен обеспечить питание устройств до 30 Вт. Функции управления включают SNMP, управление на основе Web-интерфейса, утилиту SmartConsole и Compact Command Lines. Коммутаторы данной серии также поддерживают такие функции, как фильтрация ACL и D-Link Safeguard Engine. Более того, серия коммутаторов DGS-1210 поддерживает функцию Auto Voice VLAN, обеспечивая максимальный приоритет для «голосового» трафика.

 

 

 

 

 

Рисунок 1.12 - Коммутатор D-Link DES-1016A