Расчёт локальной вычислительной сети производственного помещения

При построении сложных сетей для обеспечения необходимой интенсивности и оптимизации работы вместо концентратора используют более интеллектуальное устройство - коммутатор (switch). Его принципиальным отличием от концентратора является наличие внутренней логики и микропрограммы, которые более оптимально используют ресурсы сети (фактически реализуя функции маршрутизатора), разгружая ее и повышая общую производительность. Они обладают большей пропускной способностью и малым временем задержки, что обеспечивает в сетях поддержку интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями.

Различные виды коммутационного оборудования (мосты, маршрутизаторы и коммутаторы) по назначению и функциональным возможностям близки друг другу. Мосты обеспечивают сегментацию сети на нижнем (физическом) уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности малы. Маршрутизаторы, объединяя физические и логические сегменты сети в единое целое, выполняют при этом ряд "интеллектуальных" функций, но они вносят заметные задержки, что негативно сказывается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы обеспечивают меньшее время задержки и наиболее эффективны в сетях с небольшим числом пользователей. Однако в сложных сетях с большим числом коммутационных устройств маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы.

Конструктивно мосты, маршрутизаторы и шлюзы обычно выполняются в виде плат, устанавливаемых в компьютеры и управляемых с помощью специализированного программного обеспечения. В высокопроизводительных системах они могут быть выполнены в виде внешних устройств с автономным питанием.

Черновой вариант схематичного плана соединения устройств сети

По выбранным в предыдущих пунктах вариантах типа и топологии сети, построим предварительную блок-схему сети:

- тип сети: одноранговая

- топология: звезда.

 

2.2 Спецификация физической среды ETHERNET

 

В настоящее время наиболее популярными стандартами локальных сетей являются Ethernet, Token Ring, FDDI. Дадим им сравнительную характеристику.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

- 10Base5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 метров (без повторителей).

- 10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 метров (без  повторителей).

- 10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.

- 10Base-F – оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Число 10 означает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мб/с, а слово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц.                                                       

Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из обрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя её основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключёнными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Она сохранила метод доступа CSMA/CD. Также она использует скорость обмена информацией, равную 100 Мб/с. Таким образом, технология Fast Ethernet обеспечивает преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T, что немаловажно. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта. Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

- увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

- сохранение метода случайного доступа Ethernet;

- сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

- 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

- 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

- 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

 

2.3 Выбор кабеля

 

При проектировании локальной сети на предприятии мне необходимо использовать сетевую технологию 10BaseТ. Это разработка технологии Ethernet по стандарту 802.3 со скоростью передачи данных 100 Мб/с для кабеля «неэкранированная витая пара». Для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

Основные достоинства витой пары:

1 возможность работы в дуплексном режиме;

2 низкая стоимость кабеля «витой пары»;

3 более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;

4 минимально допустимый радиус изгиба меньше;

5 большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

6 возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

7 отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети.

10BaseТ – обозначение технологии Ethernet по стандарту 802.3 со скоростью  передачи данных 100 Мб/с для кабеля «неэкранированная витая пара». Проанализировав характеристики кабеля, я пришел к выводу, что рациональнее всего в данной ЛВС будем использовать кабель 5 категории      (UTP 5), так как у него самые подходящие параметры, использование этой категории также позволит в будущем перейти к более быстродействующей технологии сети. Расстояние внутри рабочей группы не превышает 100 метров, это позволяет использовать витую пару без репитеров. В данном задании необходимо обеспечить расстояние между группами от 10 до 100 метров.  Так как будем соединять коммутаторы между собой, то в дальнейшем расчет будет вестись по кабелю 10Base-FB.

Между этажами необходимо проложить кабель длиной 50 метров. Для обеспечения заданной длины воспользуемся оптоволоконным кабелем 10Base-FB.

 

2.4 Расчет корректность сети - величины PDV (Path Delay Value) и PVV и оценка их с предельно допустимыми в сети Ethernet

 

Расчет PDV. Для упрощения расчетов воспользуемся справочными данными IEEE, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В таблице приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet. Битовый интервал обозначен как bt.

 

 

В нашем случае имеем следующую таблицу:

Таблица 1

Тип сегмента Ethernet	Макс. Длина, м	Начальный сегмент	Промежуточный сегмент	Конечный сегмент	Задержка на метр длины
10Base-T	100	15,3	42,0	165,0	0,113
10Base-FB	200	–	24,0	–	0,1

 

Для нашей конфигурации путь наибольшей длины – это путь между компьютерами, присоединенными к первому и второму коммутаторам. Этот путь включает в себя пять сегментов: 10Base-T (два сегмента) и 10Base-FB (три сегмента).

Произведем расчет, считая начальным сегмент 1, а конечным – сегмент 12.

Левый сегмент 1:  15,3+100*0,113=26,6

Правый сегмент 6: 165,0+100*0,113=176,3

Промежуточный сегмент 2: 24+75*0,1=31,5

Промежуточный сегмент 5: 24+50*0,1=29

В результате суммарная задержка для всех пяти сегментов составит:

26,6+176,2+31,5+29 = 263,3 что меньше, чем предельно допустимая величина 575, то есть сеть работоспособна.

Произведем теперь расчет суммарной задержки для того же пути, но в обратном направлении. При этом начальным сегментом будет сегмент 6, а конечным – 1. Результат таким же, так как начальный и конечные сегменты совпадают.

Расчет PVV. Но расчета двойного времени прохождения, в соответствии со стандартом, не достаточно, чтобы сделать окончательный вывод о работоспособности сети. Необходимо рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями, то есть величину PVV.

Для расчета PVV также можно воспользоваться значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованными IEEE и приведенными в таблице.

              Таблица 2

Тип сегмента	Начальный сегмент, bt	Промежуточный сегмент, bt
10Base-FB	-	2
10Base-T	10,5	8

 

 

 

Начальный сегмент 1: 10Base-T: 10,5

Промежуточный сегмент 2: 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 5: 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 6: 10Base-Т: 10,5

В результате суммарное сокращение межкадрового интервала составит:

10,5+2+2+10,5 = 25, что меньше предельной величины 49. Следовательно, данная конфигурация и по этому показателю будет показателю.

Вычисления для обратного направления, поэтому же пути дадут в данном случае тот же результат, так как тип кабеля для 1 и  6 сегмента одинаковы.

 

2.5 Окончательный компоновочный вариант сети

 

Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий: