Проектирование локальной вычислительной сети

1.6 Разработка требований к создаваемой сети

 

Разработать:

• три варианта локальной сети;
• провести расчет параметров ЛВС;
• провести экономический расчёт.

Решить ряд вопросов:

• выбор топологии сети;
• выбор способа соединения сетевых адаптеров и физической среды передачи данных;
• выбор сетевого оборудования и сетевой  операционной системы.

 

2 Технологическая часть

2.1 Анализ коммутационного оборудования

 

Коммутационное оборудование служит для объединения вычислительных устройств в единую сеть. Рассмотрим подробнее виды оборудования.

2.1.1 Сетевой коммутатор

 

Сетевой коммутатор или свитч — 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.

Коммутатор работает на канальном  уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.[12]

 

 

Рисунок 1 - Сетевой коммутатор

2.1.2 Маршрутизатор

 

Маршрутизатор или роутер — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Работает  на более высоком уровне, нежели коммутатор и сетевой мост.

Обычно  маршрутизатор использует 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.[13]

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. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т. д.

Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий и широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т. д. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана [16].

В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное (аппаратное) устройство (характерный представитель Juniper), так и обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора. Существует несколько пакетов программного обеспечения (в большинстве случаев на основе ядра Linux) с помощью которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор, например GNU Zebra [8].

Рисунок 2 – Маршрутизатор

2.1.3 Точка доступа

 

Беспроводная точка доступа — устройство для объединения компьютеров в единую беспроводную сеть. Объединение компьютеров в проводную сеть обычно требует прокладки множества кабелей через стены и потолки. Также проводные сети накладывают определённые ограничения на расположение устройств в пространстве. Этих недостатков лишены беспроводные сети: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные точки доступа используют радиоволны из спектра частот, определённых стандартом IEEE 802.11.[13]

Чаще всего беспроводные точки  доступа используются для предоставления доступа мобильным устройствам (ноутбуки, принтеры и  т.д.) к стационарной локальной сети.

Также беспроводные точки доступа  часто используются для создания так называемых «горячих точек» — областей, в пределах которых клиенту предоставляется, как правило, бесплатный доступ к сети Интернет. Обычно такие точки находятся в библиотеках, аэропортах, уличных кафе крупных городов.

В последнее время наблюдается  повышение интереса к беспроводным точкам доступа при создании домашних сетей. Для создания такой сети в пределах одной квартиры достаточно одной точки доступа. Возможно, этого будет достаточно для включения в сеть и соседей прилегающих квартир. Для включения в сеть квартиры через одну, определенно, потребуется ещё одна точка доступа, которая будет служить ретранслятором сигнала, ослабевшего вследствие прохождения через несущую стену.

Точки доступа призваны выполнять  самые разнообразные функции, как  для подключения группы компьютеров (каждый с беспроводным сетевым адаптером) в самостоятельные сети (режим Ad-hoc), так и для выполнения функции моста между беспроводными и кабельными участками сети (режим Infrastructure).

Для режима Ad-hoc максимально возможное количество станций — 256. В Infrastructure-режиме допустимо до 2048 беспроводных узлов.

Следует учитывать, что точка доступа — это обычный концентратор. При нескольких подключениях к одной точке полоса пропускания делится на количество подключённых пользователей. Теоретически ограничений на количество подключений нет, но на практике стоит ограничиться, исходя из минимально необходимой скорости передачи данных для каждого пользователя.

 

 

 

Рисунок 3 – Точка доступа беспроводной сети

2.2 Анализ физической среды передачи данных

2.2.1 Витая пара

 

Витая пара — это два изолированных провода, скрученных между собой. Раньше для Ethernet 10Base-T использовали кабель (AWG 24), имеющий две витые пары одна на прием и одна на передачу, в настоящее время большее применение находит кабель, состоящий уже из 4-х пар. Для подключения витой пары к сетевому адаптеру используется разъем RJ-45. Обычно для соединения всех устройств ЛВС используется топология "звезда" каждый адаптер подключается к центральному коммутатору. Если коммутаторы могут объединяться друг с другом, то получается "древовидная" структура сети.[14]

Различают несколько типов Ethernet, для каждого из которых имеется своя спецификация. В качестве физической среды для обмена информацией обычно используются: оптоволоконный кабель, экранированная витая пара (STP, FTP, SFTP, FFTP, SSTP) и неэкранированная витая пара (UTP). По спецификациям IEEE подобные сети Ethernet носят названия: 10Base-T (10 Мбит/с), 100Base-T/TX (100 Мбит/c) 1000Base-T (1Гбит/c). Витая пара классифицируется по частотным характеристикам: Cat.3 до 16МГц, используется в телефонии; Cat.5 до 100МГц применяется в ЛВС до 100Мбит/с; Cat.5e до 120МГц, Cat.6 до 250МГц, Cat.7до 600МГц - используются в ЛВС до 1000Мбит/с.

При прокладке сети в помещении  на витой паре используются специальные розетки, к которым идет кабель от коммутатора. Компьютер подключается к ним с помощью дополнительного кабеля.

2.2.2 Коаксиальный кабель

 

Коаксиальный  кабель впервые в истории человечества был запатентован в 1929 году  Ллойдом Эспеншидом и Германом Эффелем из AT&T Bell Telephone Laboratories. В 1935 году впервые возникла идея о возможности передавать по коаксиальному кабелю одновременно до двухсот телефонных разговоров. Еще годом позже впервые построили первую линию телепередач на основе коаксиального кабеля. В этом же году состоялась первая передача по коаксиальному кабелю. Трансляция шла с места проведения Берлинских Олимпийских игр в Лейпциге.

А в 1956 году была проложена первая трансатлантическая коаксиальная линия, название которой звучит как TAT-1.

Название коаксиальный кабель в переводе с латыни означает дословно «соосный» кабель. Такой тип электрического кабеля, как коаксиальный кабель, состоит из двух проводников, выполненных в форме цилиндров, которые по направлению оси вставлены один в другой.

В качестве центрального проводника в коаксиальном кабеле чаще всего используют медь, которую покрывают изолирующим материалом. Сверху изоляции проходит второй проводник. В его роли может выступать алюминиевая фольга или медная пленка, оплетенная лужеными медными проволоками. 

Сейчас коаксиальный кабель, вернее его внутренний проводник,  выполняется  из омедненной стали, которую покрывает вспененный полиэтилен, экранированная фольга и оплетка из стальной проволоки.

Такая конструкция коаксиального кабеля позволяет свести к минимуму потери на излучение, а также повышает сопротивление кабеля  внешним электромагнитным помехам. Вот почему коаксиальный кабель используют для качественной передачи данных на большие расстояния. Подобные свойства позволяют применять только коаксиальный кабель при прокладке компьютерных сетей, сетей кабельного телевидения и других областях.

Главное преимущество коаксиального кабеля состоит в волновом сопротивлении. Существуют несколько категорий и видов коаксиального кабеля, выделяемых в зависимости от его толщины и величины.

Коаксиальный кабель категории RG-8 и RG-11, а также  RG-58 используют для прокладки локальных сетей и подключения к интернету.  
В системах телевизионных сетей используют преимущественно коаксиальный кабель категории RG-59 и RG-59/U. В военной промышленности используют коаксиальный кабель типа RG-58C/U. 
Коаксиальный кабель RG-58/U является сплошным центральным проводником, а в кабеле категории RG-58A/U сконструирован многожильный центральный проводник.

Кроме этого, существует огромное количество разновидностей коаксиального кабеля, которые используют для широкополосной передачи данных, магистральных линий, в системах видеонаблюдения, прокладки систем кабельного и спутникового телевидения и многих других областях передачи данных.[14]

2.2.3 Оптоволоконный кабель

 

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру  коаксиального кабеля , только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. 

Оптоволоконный кабель обладает исключительными  характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше, чем у любых электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Однако в данном случае необходимо применение специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом. [14]

Типичная величина затухания сигнала  в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не имеет конкурентов.

Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:

• многомодовый, или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный;
• одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики.

Основные различия между этими  типами связаны с разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномо-дового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км. В настоящее время многомодовый кабель - основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее.