5. Локальные сети

В данной главе описана технология Ethernet – наиболее распространенная технология современных локальных сетей.

5.1. Классификация и характеристики локальных сетей

Локальные вычислительные сети (ЛВС, LAN) – это распределенные вычислительные системы, объединяющие компьютеры, находящиеся в пределах одного или нескольких зданий. Узлы локальной сети находятся, как правило, в пределах 3 км.

Локальные сети классифицируются, прежде всего, по протоколам 1 и 2 уровней OSI, то есть, по технологии используемого сетевого оборудования: Ethernet, Token Ring, FDDI, AppleTalk.

По масштабам и иерархии построения различают:

а) сети рабочих групп (5-20 станций);

б) сети отделов (20-100 станций);

в) сети предприятий (корпоративные сети).

Последние часто имеют развернутую структуру сетевых служб и по географии иногда выходят за рамки локальных сетей, образуя кампусные сети, сети с удаленным доступом, а также сети других масштабов, вплоть до корпоративных частных глобальных сетей. Количество станций в корпоративных сетях варьируется в широких пределах: от 20 компьютеров до десятков тысяч.

Одной из главных характеристик локальных сетей, как и остальных видов компьютерных сетей, являются их пропускные способности, диапазоны которых приведены в таблице Таблица 8 выше.

5.2. Основы технологии Ethernet. Физическая и логическая топологии

Для понимания принципов Ethernet необходимо общее представление о принципах работы компьютерных сетей и разбиения задачи сетевой связи на уровни, изложенных выше.

Ethernet в переводе с английского означает «Эфирная сеть». Предшественницей этой технологии была система радиосвязи для разбросанных по Гавайскому архипелагу станций под названием ALOHA. Основываясь на принципах, заложенных в ALOHA, компания Xerox построила свою собственную кабельную сеть с пропускной способностью 2,94 Мбит/с для связи максимум 100 компьютеров. Проект оказался настолько успешным, что Xerox совместно с DEC и Intel разработала затем спецификацию для Ethernet на 10 Мбит/с. Позднее эта спецификация легла в основу международного стандарта IEEE 802.3.

В настоящее время термин Ethernet используется для описания всех локальных сетей, использующих метод коллективного доступа к среде передачи данных с опознанием несущей и обнаружением коллизий. Перед тем, как описать этот метод, введем понятие логической топологии сети.

Физическая топология сети – это реальное соединение ее узлов и линий связи. Физическая топология может отличаться от логической. Поясним разницу.

Первые сети Ethernet строили на основе коаксиального кабеля и имели физическую топологию «шина» (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., б). Современные локальные сети Ethernet и Fast Ethernet строятся на основе витой пары и концентраторов (коммутаторов) по физическим топологиям «звезда» (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., в) и «дерево» (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., г). Осталась также обратная совместимость с сетями Ethernet на коаксиале, такие смешанные сети строятся по комбинированной топологии (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., е).

Логическая топология – это схема соединения, связанная с методом доступа к передающей среде. Поскольку при технологии Ethernet все компьютеры локальной сети имеют возможность одновременного доступа к передающей среде, логическая топология является «шиной». Несмотря на изменение физической топологии в Fast Ethernet, при этом не изменился метод доступа к среде, следовательно, логическая топология также не изменилась.

Для более глубокого понимания смысла логической топологии приведем характерный пример из технологии Token Ring. Тут напротив, используется логическая топология «кольцо», при которой станции сети имеют строго поочередный доступ к передающей среде, независимо от физической топологии сети, которая может быть как кольцом (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., д), так и шиной (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., б).

5.3. Метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий

В Ethernet все компьютеры сети имеют возможность одновременно получать данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Кабель, к которому подключены все компьютеры, работает в режиме коллективного доступа. В конкретный момент времени передавать данные на общую шину может только один компьютер в сети. При этом все компьютеры сети обладают равными правами доступа к среде. Чтобы упорядочить доступ компьютеров к общей шине, используется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Опишем этот метод.

Первая часть данного метода описывает принцип коллективного доступа к среде передачи данных.

Когда какая-либо станция А в Ethernet хочет передать кадр станции Б, она пытается вначале определить, что никакая другая станция в это время ничего не передает. В стандарте Ethernet признаком свободной линии является «тишина», то есть напряжение 0 В. В стандарте Fast Ethernet признаком свободного состояния среды является не отсутствие сигналов на шине, а передача по ней специального Idle-символа. Если рабочая станция обнаруживает несущий сигнал, то для нее это является признаком занятости шины и передача данных откладывается, то есть станция переходит в режим ожидания.

В случае если кабель свободен, станция начинает передачу немедленно. По окончании передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать паузу, называемую межкадровым интервалом (Inter Packet Gap, IPG). Эта пауза необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние и для обеспечения равных прав всем станциям на передачу данных, то есть для предотвращения монопольного захвата одной станцией общей шины. По окончании паузы станции сети определяют среду как свободную и могут снова начать передачу данных.

Длительность межкадрового интервала для 10-мегабитного Ethernet составляет 9,6 мкс, а для 100-мегабитного Fast Ethernet – в 10 раз меньше, то есть 0,96 мкс. Межкадровый интервал равен времени, необходимому для передачи 12 байт или 96 бит. Если определить в качестве единицы измерения временного интервала время, необходимое для передачи одного бита — битовый интервал (bt), то межкадровый интервал равен 96 bt. Такой способ определения временных интервалов не зависит от скорости передачи данных и часто используется в стандарте Ethernet.

Вторая часть метода описывает способ разрешения конфликтов, возникающих в разделяемой среде передачи. Если две станции начинают передачу одновременно, то происходит конфликт (коллизия). Все узлы сети должны быть способны распознать возникающую коллизию. Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, то этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией из-за несовпадения контрольной суммы.

Искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для того чтобы иметь возможность распознать коллизию, каждая станция прослушивает сеть во время и после передачи кадра. Обнаружение коллизии основано на сравнении посылаемого станцией сигнала и регистрируемого сигнала. Если регистрируемый сигнал отличается от передаваемого, то станция определяет эту ситуацию как коллизию.

Пусть первая станция, решив, что шина свободна, начинает передачу кадра. До самой удаленной от нее второй станции этот кадр дойдет не мгновенно, а через некоторый промежуток времени t. Если немного раньше вторая станция, также решит, что шина свободна, и начинает передачу своего кадра, то возникает коллизия. Искаженная информация дойдет обратно до первой станции также через время t. Поэтому коллизия будет обнаружена первой станцией через время 2t после начала передачи ею кадра.

Данная характеристика – время разрешения конфликта (время двойного оборота) – имеет огромное значение для эффективности протокола, в частности во многом именно она определяет ограничения на максимальный диаметр сети Ethernet и количество концентраторов на пути распространения сигнала.

Обнаружение коллизии должно произойти до окончания передачи кадра. Отсюда получается простое соотношение между временем, необходимым для передачи кадра минимальной длины T_min и задержкой сигнала при распространении в сети:

Tmin ³ 2 t, где t – время распространения сигнала по сети Ethernet.

(0)

Алгоритм отката.

После возникновения коллизии станция, ее обнаружившая, делает паузу, после которой предпринимает следующую попытку передать кадр. Пауза Δt после коллизии является случайной и выбирается по следующему правилу:

Δt = L · τ , где

τ – интервал отсрочки равный 512 bt, что при скорости 100 Мбит/с составит 5,12 мкс.

L – целое случайное число, выбранное из диапазона [0; 2^N].

N – номер повторной попытки передачи данного кадра.

После первой попытки пауза может либо отсутствовать, либо составлять один или два интервала отсрочки. После второй попытки пауза может либо отсутствовать, либо быть равной одному, двум, трем или четырем интервалам отсрочки и т.д. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, после десятой попытки передачи кадра случайная пауза может принимать значения от 0 до 1024·512 bt = 524288 bt. Для Ethernet и Fast Ethernet это соответствует временному диапазону от 0 до 52,4 мс и 5,24 мс соответственно.

Передатчик предпринимает всего 16 последовательных попыток передачи кадра. После 16 конфликтов контроллер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по исправлению ситуации должны осуществляться высокоуровневыми протоколами.

Такой алгоритм позволяет разрешить коллизии, когда конфликтующих станций немного, а также ликвидировать их за приемлемое время, когда множество станций пытается передавать одновременно.

5.4. Манчестерское кодирование

Обнаружение конфликта представляет собой аналоговый процесс. Аппаратное обеспечение станции должно во время передачи продолжать слушать кабель с целью выявления конфликта. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от передаваемого ею, то на этом основании станция определяет, что произошел конфликт. Как следствие, кодирование сигнала должно позволять установить наличие конфликта (например, наложение двух сигналов напряжением 0 В зарегистрировать не представляется возможным). По этой причине в Ethernet применяется специальное кодирование сигнала.

Прямое двоичное кодирование (рис. Рис. 15, а) нулевого бита нулевым напряжением (0 В) и единичного бита ненулевым напряжением (5 В) не применяется, помимо прочего, из-за того, что оно ведет к неоднозначности. В частности, строку бит 00001000 становится невозможно отличить от строки 10000000 ввиду отсутствия различий между свободной линией (0 В) и нулевым битом (также 0 В).

Следовательно, каким-то образом принимающая сторона должна иметь возможность определить начало и конец любого бита безотносительно внутреннего тактового генератора. Это позволяет сделать манчестерское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование.

При манчестерском кодировании (рис. Рис. 15, б) каждый интервал времени, который занимает передача одного бита, разделен на два равных под-интервала. Единичный бит кодируется высоким напряжением в продолжении первой половины интервала и низким напряжением в течение второй его части, а нулевой бит кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала облегчает принимающей стороне синхронизацию с передающей станцией.

Рис. 15. Дискретное кодирование: а) потенциальное (прямое); б) манчестерское; в) дифференциальное манчестерское.

Дифференциальное манчестерское кодирование (рис. Рис. 15, в) представляет собой разновидность обычного манчестерского кодирования. В этом случае единичный бит характеризуется отсутствием изменения напряжения по сравнению с уровнем напряжения во второй половине предшествующего бита. Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.

Недостаток схемы манчестерского кодирования очевиден – оно имеет вдвое меньшую пропускную способность, чем прямое кодирование. Однако вследствие своей простоты манчестерское кодирование используется в стандарте 802.3. Уровень напряжения составляет +0,85 В и –0,85 В, причем в силу принятой схемы кодирования постоянные токи в кабеле не могут возникнуть.

Частота основной гармоники электрического сигнала называется частотой несущей. Для кабельных систем Ethernet максимальная частота несущей составляет 10 МГц, следовательно, поскольку каждый период несущей кодирует 1 бит информации, битовая скорость передачи при манчестерском кодировании будет равна 10 Мбит/с.

5.5. Формат кадра Ethernet

Максимальный размер кадра Ethernet составляет 1526 байт (12208 бит), а минимальный – 72 байт (576 бит). При частоте передачи 10 МГц время передачи пакета минимальной длины составляет 57,6 мс. Это время несколько больше, чем удвоенное время распространения сигнала, равное 51,2 мс, следовательно условие (0) выполняется. Последняя цифра получена исходя из максимально допустимого в Ethernet расстояния между узлами в 2500 м.

Каждый кадр начинается с преамбулы длиной 7 байт, причем каждый байт преамбулы представляет собой чередующуюся последовательность единиц и нулей. Преамбула позволяет принимающей стороне подстроиться под передающую станцию, т. е. синхронизироваться с ней. Следом за преамбулой идет стартовый байт (10101011), сигнализирующий о начале кадра.

Байты	7	1	6	6	2	0-1500	4
Поле	Преамбула	Начало кадра	Адрес получателя	Адрес отправителя	Длина поля данных	Данные	Контрольная сумма

Рис. 16. Формат кадра Ethernet.

Далее кадр содержит два 6-байтных поля адреса – получателя и отправителя. Если сетевая плата Ethernet определяет, что адрес получателя совпадает с ее собственным, то, считав кадр, она передает его для дальнейшей обработки на более высокие уровни. Если адреса не совпадают, то кадр игнорируется. Адреса Ethernet могут быть обычными, групповыми и широковещательными. Если все биты адреса равны единице, то это широковещательный адрес, и такой пакет предназначен всем станциям.

Поле длины кадра состоит из двух байтов и определяет длину поля данных (от 0 до 1500 бит). Однако, ввиду ограничений на минимальную длину кадра, поле данных не может быть короче 46 байт. Если же объем передаваемых данных меньше, то поле данных дополняется заполняющими битами.

Заканчивается кадр концевиком – контрольной последовательностью. Она служит для проверки кадра на наличие ошибок.

5.6. Физическая и логическая сегментация Ethernet с помощью повторителей и мостов

Физическим сегментом Ethernet называется отрезок витой пары, соединяющий 2 узла сети при топологии «звезда» и «дерево» или коаксиального кабеля, соединяющей несколько узлов при топологии «шина» (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., б).

В сетях Ethernet, построенных на топологии «звезда» и «дерево» (рис. Рис. 10. Основные сетевые топологии., в, г), в качестве промежуточного узла применяются концентраторы и коммутаторы. Сигнал, пришедший на один из 2 портов повторителя (или его многопортового аналога – концентратора), копируется им на все остальные порты. Повторитель служит для удлинения линии связи, усиления и улучшения качества сигнала. Концентратор дополнительно служит для объединения нескольких (обычно 8, 16, 24 или 32) станций по топологии «звезда». Концентраторы передают любой сигнал, в том числе и коллизии. При этом они вносят задержку при передаче, поэтому количество концентраторов в сети Ethernet ограничено (см. табл. Таблица 10 ниже).

Мост (или его усовершенствованный вариант – коммутатор), в отличие от концентратора, не просто усиливает поступивший сигнал, а считывает адрес станции-отправителя и заносит его в свою оперативную память, запоминая, с какого порта поступил кадр. При поступлении некоторого другого кадра в адрес этой станции коммутатор не отправляет его не на все порты, а только на тот, где, по его сведениям, находится данная станция. Коммутаторы делят сеть Ethernet на логические сегменты. Логический сегмент Ethernet – это участок сети, ограниченный портом коммутатора с одной стороны и сетевыми картами станций с другой. Внутри логического сегмента возможно наличие концентраторов.

Коллизии распространяются только в пределах одного логического сегмента, поэтому он называется также доменом коллизий. Поскольку ограничения на диаметр сети Ethernet и количество концентраторов обусловлены максимальным временем двойного оборота сигнала и необходимостью распознавания конфликта, в сетях Ethernet, построенных на коммутаторах, такого ограничения нет. Так как цена на коммутаторы в последнее время значительно упала, концентраторы используются всё меньше.

5.7. Развитие спецификации Ethernet

Технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet являются дальнейшим развитием Ethernet. Сети Fast Ethernet имеют номинальную пропускную способность в полудуплексном режиме 100 Мбит/с, сети Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с. В полнодуплексном режиме при использовании двух пар проводов эти значению удваиваются.

Fast Ethernet и Gigabit Ethernet имеют другое коммуникационное оборудование, сетевые карты, но часто обратно совместимы с Ethernet. Качественные принципы работы Fast и Gigabit Ethernet в общих чертах сходны с Ethernet, различия в основном в количественных характеристиках.

В таблице Таблица 10 приведены физические характеристики различных спецификаций Ethernet.

Разновидности Ethernet и их физические характеристики

						Таблица 10
Стандарт	Физическая спецификация	Кабели, разъемы	Ограничения на длину физ. сегмента, м	Макс. число повторителей	макс. число станций			Æ сети, м
Ethernet (IEEE 802.3i)	10Base5 (Thicknet)	Толстый коаксиал RG‑8/11, разъемы AUI	500 min 2,5 м	4 (2 сегмента без узлов)	100			2500
	10Base2 (Cheapernet)	Тонкий коаксиал RG‑58A/U, разъемы BNC	185 (200) min 0,5 м		30			925
	10BaseTX	2ВП UTP3-4-5, RJ-45	100	4	1024			500
	10BaseF	ОМ ОВ / ММ ОВ 62.5, разъемы ST	1000/5000	-	2			1000/ 5000
Fast Ethernet (IEEE 802.3u)	100BaseTX	2ВП UTP, STP Type 1, разъемы RJ-45	100	1 класса I / 2 класса II (кабель между повторит. – до 5 м)	1024			200-320
	100BaseFX	ММ ОВ 62.5, 125 мкм, разъемы ST, SC	160 (rep) / 412 (полудуплекс)/ 2000 (полнодуплексн.)
	100BaseT4	4ВП UTP3-4-5, RJ-45	100
Gigabit Ethernet (802.3z)	1000BaseLX	ММ ОВ / ОМ ОВ, разъемы ST, SC	316 (550/3000)	-	2			550/ 3000
	1000BaseSX	ММ ОВ 62.5/50 мкм разъемы ST, SC	275 (300/550)	-				300/ 550
	1000BaseCX	коаксиал, (ВП STP), RJ-45	25	-				25
(802.3ab)	1000BaseT	ВП STP5-6 RJ-45	100	-				100

Условные сокращения:

2ВП – 2-жильная, 4ВП – 4-жильная витая пара; ОВ – оптоволокно, ММ – многомодовое, ОМ – одномодовое.

Вопросы и задания

1) Каким уровням ISO/OSI соответствует спецификация Ethernet?

2) Отличие физической топологии от логической. Примеры.

3) В чем заключается метод коллективного доступа к среде с опознанием несущей и обнаружением коллизий? Опишите алгоритм отката.

4) Сигналами какого типа и формы передается информация в сетях Ethernet? Потенциальное, манчестерское и дифференциальное манчестерское кодирование.

5) Размер кадра, номинальная битовая скорость передачи данных, величина адресного пространства, совместимость различных поколений Ethernet.

6) Какой вид сегментации – физическая или логическая – эффективней с точки зрения скорости работы сети? По какой причине в сетях не используется только этот вид сегментации, а используются оба?

7) Основные физические ограничения на оборудование различных поколений Ethernet.

Приложение 1. Проектирование и расчет компьютерных сетей

1. Проектирование корпоративной сети на базе Ethernet

Целью проектирования является расчет технических характеристик локальной сети, определение аппаратных и программных средств комплектации локальной вычислительной сети (ЛВС) предприятия, размещение узлов сети и каналов сетевой связи, расчет экономических характеристик корпоративной локальной сети.

Исходными данными для проектирования сети являются:

 перечень необходимых задач и служб, выполняющихся в сети;

 количество и расположение компьютеров – рабочих станций и серверов;

 план помещений, в которых необходимо построить локальную сеть;

 дополнительные технические, экономические и эксплуатационные требования.

При проектировании выполняются следующие задачи:

1) выбор сетевой технологии (технологий);

2) расчет и планирование среднего трафика и коэффициента использования сети;

3) выбор топологии сетевых соединений;

4) определение перечня необходимого сетевого оборудования и типа кабельной системы;

5) разработка схемы кабельной разводки и размещения рабочих станций и серверов;

6) выбор и определение перечня используемого сетевого программного обеспечения и протоколов;

7) расчет стоимости внедрения локальной сети и экономического эффекта ее эксплуатации.

Ниже приведен порядок проектирования ЛВС.

1.1. Планирование проекта ЛВС начинается с предварительного выбора базовой сетевой технологии для проектируемой локальной сети на основании технических требований, экспертных данных и теоретического материала. В табл. Таблица 11 приведены наиболее распространенные технологии современных локальных сетей.

Технологии локальных сетей

						Таблица 11
Спецификация	Номинальная пропускная способность	Топология	Оборудование	Особенности
Ethernet 10Base2	10 Мбит/с	шина	сетевые карты, коаксиальный кабель, Т-коннекторы, терминаторы	дешевизна, невысокая надежность
Ethernet 10BaseT	10 Мбит/с	звезда, дерево	сетевые карты, витая пара, концентраторы (коммутаторы)	наиболее популярные технологии, часто используются совместно
Fast Ethernet ВП1	100 Мбит/с	звезда, дерево	сетевые карты, витая пара, концентраторы (коммутаторы)
Fast Ethernet ОВ2	100 Мбит/с	точка-точка	сетевые карты, оптоволокно, коммутаторы	для соединения отделов (групп) или серверов
Gigabit Ethernet	1 Гбит/с	точка-точка	оптоволокно, коммутаторы
Radio Ethernet	11 Мбит/с	звезда	сетевые карты, точки доступа (концентраторы)	используется где прокладка кабеля нерациональна
v.34	33,6 кбит/с	точка-точка	модемы, телефонная линия	используются для удаленного доступа
v.90	56,4 кбит/с	точка-точка	модемы, телефонная линия
xDSL	2 Мбит/с	точка-точка	модемы, телефонная линия

¹ ВП – витая пара;

² ОВ – оптоволокно.

1.2. Для каждой из задач определяется эффективный трафик П_{э i} как отношение среднего времени занятия задачей сети t_ср.i (табл. Таблица 12) к общему времени работы сети t_раб, умноженное в случае полного занятия сети задачей на номинальную пропускную способность сети П_н или, в случае фиксированного трафика, на его значение.

Сетевые задачи, используемые в современных локальных сетях

				Таблица 12
Задача	Среднее время занятия задачей сети, мин. в сут.	Серверная часть	Клиентская часть
обмен файлами	10-60 на 1 станцию	Сетевая ОС	Сетевая ОС
файловый сервер	120-360	Серверная сетевая ОС	Клиентская сетевая ОС
резервирование информации	5-30 на 1 раб. станцию 10-120 на 1 сервер	Сетевая ОС	Сетевая ОС
сетевая печать	1-20 на 1 станцию	Сетевая ОС	Сетевая ОС
служба терминалов	10-300 на 1 станцию (трафик 14-100 кбит/с)	Серверная сетевая ОС	Клиентская сетевая ОС
СУБД	5-30 на 1 станцию	Сервер БД	Приложения БД
удаленный доступ	60-480 на 1 пару модемов	Сервер удал. доступа	Клиент удал. доступа
Интернет	10-120 на 1 клиента	Прокси-сервер	Браузер
электронная почта	0,5-2 на 1 клиента	Почтовый сервер	Почтовый клиент
Интранет	5-20 на 1 клиента	Веб-сервер	Браузер
интерактивные сообщения	1-5 на 1 станцию	различные	различные
голосовая связь (IP-телефония)	10-60 на 1 станцию (трафик 33-64 кбит/с)	различные	различные
видеоконференции	20-40 на 1 станцию (трафик 0,1-1 Мбит/с)	различные	различные
службы сетевой безопасности	15-20 на 1 сервер + 2-5 на 1 клиента	Серверная сетевая ОС	Клиентская сетевая ОС

Полученные значения суммируются для определения общего сетевого трафика П_{Σ з.}. Значение П_{Σ з.} умножается на коэффициент служебного, широковещательного и неучтенного трафика k_с.т. = (0,05¸0,07)·n, где n – количество компьютеров в сети, и коэффициент запаса k_з = (1,2¸2,0) для учета будущего развития сети.

По полученному значению П_Σ уточняется выбранная технология ЛВС таким образом, чтобы коэффициент использования сети k_исп. = П_Σ / П_ном был не более (0,3¸0,6). Если необходимо, уменьшается среднее время работы одной или нескольких задач, либо выбирается другая сетевая технология (п.1.1.) Допускается увеличение общего времени работы серверов за счет ночного времени.

В случае превышения трафика сеть разбивается на логические сегменты с помощью коммутаторов. Суммарный трафик пересчитывается для каждого логического сегмента. Для каждого логического сегмента уточняется коэффициент использования сети, как указано выше.

В случае высокого широковещательного и служебного трафика при наличии более 150-300 станций необходимо разбиение локальной сети на подсети с помощью маршрутизаторов.

В качестве результата планирования проекта ЛВС записывается наименование выбранной технологии, пропускная способность сети и усредненный по логическим сегментам коэффициент использования сети.

1.3. Согласно исходному расположению компьютеров и выбранной сетевой технологии выбирается сетевая топология. Строится топологическая схема локальной сети с указанием номеров рабочих станций, видов серверов, типа и пропускной способности каналов связи.

1.4. Согласно выбранной сетевой технологии выбираются типы и перечень необходимого сетевого оборудования: сетевые карты или модемы, концентраторы, коммутаторы, кабели связи и т.д. Перечень оформляется в виде спецификации, данные для которой находятся в таблицах Таблица 10 и Таблица 11.

При использовании концентраторов необходимо уточнить правильность выбора сетевой технологии, с тем допущением, что пропускная способность каждой станции логического сегмента сети, построенной на концентраторе, делится поровну между всеми станциями данного логического сегмента.

1.5. По выбранной топологии и исходной схеме размещения компьютеров строится схема кабельной разводки с требованием минимальной суммарной длины кабеля. При использовании концентраторов и коммутаторов их расположение выбирается с этим же требованием. Кабели располагаются вдоль стен в специальных коробках, либо под фальшполом (фальшпотолком). При использовании радиосвязи выдвигается требование минимального расстояния до AP (Access Point, точки доступа, радио-концентратора).

Если необходимо, вносятся корректировки в исходную схему размещения компьютеров.

Рассчитывается суммарная длина кабеля с учетом запаса 15-20%. Окончательная схема кабельной разводки наносится на исходную схему размещения компьютеров с указанием номеров рабочих станций и типа серверов и типа кабеля.

1.6. По имеющемуся перечню сетевых задач выбирается соответствующее сетевое программное обеспечение, перечень необходимых серверов и клиентов и их операционных платформ.

Учитываются требования защиты информации. Устанавливается антивирусное программное обеспечение. При наличии выхода в Интернет устанавливается брандмауэр. При наличии важных данных организовывается их периодическое резервирование на специальный сервер.

1.7. По имеющемуся ценам на сетевое оборудование, программного обеспечения и стоимости работ по прокладке кабелей и установке, рассчитывается суммарная стоимость внедрения ЛВС P_внедр. – необходимые единоразовые капитальные вложения.

По среднему времени производства единицы товара (продукции или услуги) до внедрения t₀ и после внедрения ЛВС t_ЛВС определяется повышение производительности труда организации:

k_пр. = (1/t_ЛВС – 1/t₀ ) · t₀ .

Увеличение ежемесячного объема производства Δn = k_пр. · n₀ , где n₀ – количество единиц товара в месяц, производимое до внедрения ЛВС. Увеличение ежемесячного дохода от реализации товара при условии сохранения цены на товар и полного объема реализации:

ΔД = С · Δn. , где С – цена за единицу товара.

Срок окупаемости ЛВС в месяцах:

Ок = P_внедр / (ΔД – З_ЛВС), где З_ЛВС – ежемесячные затраты на эксплуатацию ЛВС.

Если получившееся значение отрицательно, внедрение ЛВС экономически неэффективно. Если значение срока окупаемости больше 5-7 лет – внедрение ЛВС малоэффективно из-за высокого срока окупаемости.

Рассчитаем экономическую эффективность внедрения ЛВС как изменение ежемесячной прибыли от реализации товара. Цена единицы товара формируется из его себестоимости и плановой прибыли:

С = S + Пр;

Себестоимость единицы товара состоит из отчислений на заработную плату, затрат на сырье и производство, транспортировку и других составляющих, а также амортизации основных средств Ам.

S = З + Ам;

Для учета только амортизации ЛВС примем, что себестоимость единицы товара возрастает только на величину амортизационных отчислений ЛВС. Поскольку мы условились, что цена на товар остается постоянной, величина планируемой прибыли с единицы товара должна быть уменьшена на эту же величину:

Пр_ЛВС = Пр₀ – Ам_ЛВС / n_ЛВС,

где Пр₀ – прибыль с единицы товара до внедрения ЛВС, Ам_ЛВС – ежемесячные амортизационные отчисления на ЛВС, n_ЛВС = n₀ + Δn – объем производства после внедрения ЛВС, единиц в месяц. При пропорциональном способе расчета амортизационных отчислений:

Ам_ЛВС = (P_внедр. – P_остат.) / Ок,

где P_остат. – остаточная стоимость ЛВС на конец срока амортизации, принимается равной 10% от стоимости внедрения ЛВС, Ок – законодательно определяемый полный срок амортизации ЛВС в месяцах.

Принимая, что ежемесячные отчисления (аренда, налоги и т.п.) не изменились, ежемесячное изменение прибыли за период амортизации:

ΔПр = Пр_ЛВС·n_ЛВС – Пр₀·n₀ – З_ЛВС.

Экономическая эффективность рассчитывается как ΔПр / Пр₀ и выражается в %. Если получившееся значение отрицательно, внедрение ЛВС нерентабельно.

2. Расчет полезной пропускной способности сети Ethernet

Следует различать полезную и полную пропускную способность. Под полезной пропускной способностью понимается скорость передачи полезной информации, объем которой всегда несколько меньше полной передаваемой информации, так как каждый передаваемый кадр содержит служебную информацию, гарантирующую его правильную доставку адресату.

Рассчитаем теоретическую полезную пропускную способность Fast Ethernet без учета коллизий и задержек сигнала в сетевом оборудовании.

Отличие полезной пропускной способности от полной пропускной способности зависит от длины кадра. Так как доля служебной информации всегда одна и та же, то, чем меньше общий размер кадра, тем выше «накладные расходы». Служебная информация в кадрах Ethernet составляет 18 байт (без преамбулы и стартового байта), а размер поля данных кадра меняется от 46 до 1500 байт. Сам размер кадра меняется от 46 + 18 = 64 байт до 1500 + 18 = 1518 байт. Поэтому для кадра минимальной длины полезная информация составляет всего лишь 46 / 64 ≈ 0,72 от общей передаваемой информации, а для кадра максимальной длины 1500 / 1518 ≈ 0,99 от общей информации.

Чтобы рассчитать полезную пропускную способность сети для кадров максимального и минимального размера, необходимо учесть различную частоту следования кадров. Естественно, что, чем меньше размер кадров, тем больше таких кадров будет проходить по сети за единицу времени, перенося с собой большее количество служебной информации.

Так, для передачи кадра минимального размера, который вместе с преамбулой имеет длину 72 байта, или 576 бит, потребуется время, равное 576 bt, а если учесть межкадровый интервал в 96 bt то получим, что период следования кадров составит 672 bt. При скорости передачи в 100 Мбит/с это соответствует времени 6,72 мкс. Тогда частота следования кадров, то есть количество кадров, проходящих по сети за 1 секунду, составит 1/6,72 мкс ≈ 148810 кадр/с.

При передаче кадра максимального размера, который вместе с преамбулой имеет длину 1526 байт или 12208 бит, период следования составляет 12 208 bt + 96 bt = 12 304 bt, а частота кадров при скорости передачи 100 Мбит/с составит 1 / 123,04 мкс = 8127 кадр/с.

Зная частоту следования кадров f и размер полезной информации V_п в байтах, переносимой каждым кадром, нетрудно рассчитать полезную пропускную способность сети: П_п (бит/с) = V_п · 8 · f.

Для кадра минимальной длины (46 байт) теоретическая полезная пропускная способность равна

П_пт1 = 148 810 кадр/с = 54,76 Мбит/с,

что составляет лишь немногим больше половины от общей максимальной пропускной способности сети.

Для кадра максимального размера (1500 байт) полезная пропускная способность сети равна

П_пт2 = 8127 кадр/с = 97,52 Мбит/с.

Таким образом, в сети Fast Ethernet полезная пропускная способность может меняться в зависимости от размера передаваемых кадров от 54,76 до 97,52 Мбит/с.

Поскольку для расчетов мы пользовались относительной величиной битового интервала bt, можно легко рассчитать эти значения для сети Ethernet 10 Мбит/с. Полезная пропускная способность Ethernet в 10 раз меньше.

Приложение 2. Измерение характеристик ЛВС Ethernet