3. Анализ существующих разработок и выбор стратегии проекта

1. Анализ существующих аппаратных и программных средств для решения сходных задач

При построении ЛВС в первую очередь требуется определиться с основными параметрами такими как: архитектура, физическая топология, сетевая технология, структура.

Топология сети определяется размещением узлов в сети и связей между ними. Из множества возможных построений выделяют следующие структуры:

1) Топология "звезда". Каждый компьютер через сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к объединяющему устройству. Все сообщения проходят через центральное устройство, которое обрабатывает поступающие сообщения и направляет их к нужным или всем компьютерам. Звездообразная структура предполагает нахождение в центральном узле концентратора или коммутатора.

Достоинства топологии "звезда":

• простота периферийного оборудования;

• каждый пользователь может работать независимо от остальных пользователей;

• высокий уровень защиты данных;

• легкое обнаружение неисправности в кабельной сети.

Недостатки топологии "звезда":

• выход из строя центрального устройства ведет к остановке всей сети;

• высокая стоимость центрального устройства;

• уменьшение производительности сети с увеличением числа компьютеров, подключенных к сети.

2) Топология "кольцо". Все компьютеры соединяются друг с другом в кольцо. Здесь пользователи сети равноправны. Информация по сети всегда передается в одном направлении. Кольцевая сеть требует специальных повторителей, которые, приняв информацию, передают ее дальше; копируют в свою память (буфер), если информация предназначается им; изменяют некоторые служебные разряды, если это им разрешено. Информацию из кольца удаляет тот узел, который ее послал.

Достоинства "кольца":

• отсутствие дорогого центрального устройства;

• легкий поиск неисправных узлов;

• пропускная способность сети разделяется между всеми пользователями, поэтому все пользователи гарантированно последовательно получают доступ к сети;

• простота контроля ошибок.

Недостатки "кольца":

• трудно включить в сеть новые компьютеры;

• каждый компьютер должен активно участвовать в пересылке информации, для этого нужны ресурсы, чтобы не было задержек в основной работе этих компьютеров;

• в случае выхода из строя хотя бы одного компьютера или отрезка кабеля вся сеть парализуется.

3) Топология "общая шина". Предполагает использование одного кабеля (шины), к которому непосредственно подключаются все компьютеры сети. В данном случае кабель используется всеми станциями по очереди, т.е. шину может захватить в один момент только одна станция. Доступ к сети осуществляется путем состязания между пользователями. В сети принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать данные. Возникающие конфликты разрешаются соответствующими протоколами. Информация передается на все станции сразу.

Достоинства "общей шины":

• простота построения сети;

• сеть легко расширяется;

• эффективно используется пропускная способность канала;

• надежность выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособности сети в целом.

Недостатки "общей шины":

• ограниченная длина шины;

• нет автоматического подтверждения приема сообщений;

• возможность возникновения столкновений (коллизий) на шине, когда пытаются передать информацию сразу несколько станций;

• низкая защита данных;

• выход из строя какого-либо отрезка кабеля ведет к нарушению работоспособности сети;

• трудность нахождения места обрыва.

4) Топология "дерево". Эта структура позволяет объединить несколько сетей, в том числе с различными топологиями или разбить одну большую сеть на ряд подсетей. Разбиение на сегменты позволит выделить подсети, в пределах которых идет интенсивный обмен между станциями, разделить потоки данных и увеличить производительность сети в целом. Объединение отдельных ветвей (сетей) осуществляется с помощью устройств, называемых мостами или шлюзами. Шлюз применяется в случае соединения сетей, имеющих различную топологию и различные протоколы. Мосты объединяют сети с одинаковой топологией, но может преобразовывать протоколы. Разбиение сети на подсети осуществляется с помощью коммутаторов и маршрутизаторов.

В современном уровне сетей топологии шина и кольцо не применяются введу их недостатков. Также выбор топологии непосредственно связан с выбором технологии канального уровня передачи данных, который рассмотрен далее.

Выбираем топологию звезда для достижения высокой производительности, легкой наращиваемости и высокого уровня защиты данных.

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Это некие правила работы, определяемые конкретным производителем.

Самыми популярными базовыми сетевыми технологиями являются:

1) Token Ring - технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с "маркёрным доступом". Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркёром, который перемещается вокруг кольца. Владение маркёром предоставляет право обладателю передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркёрным доступом перемещаются в цикле. Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Максимальная скорость передачи данных равна 4,16 Мбит/с.

Сети Token Ring являются детерминистическими сетями. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чем любая конечная станция сможет передавать. Эта характеристика, а также надежность, делают сеть Token Ring идеальной для применений, где задержка должна быть предсказуема и важна устойчивость функционирования сети. Примерами таких применений является среда автоматизированных станций на заводах.

2) Ethernet. Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. Для различных спецификаций Ethernet максимальная битовая скорость не менее 10 мегабит в секунду, максимальная длина сети - не менее 200 метров.

Технологии Fast и Gigabit Ethernet являются разновидностями технологии Ethernet. Все разновидности Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD (carrier sense multiply access with collision detection - метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий). Данный метод применяется в сетях с логической общей шиной, и все компьютеры имеют непосредственный доступ к общей среде, потому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Работает этот метод доступа так: если узел сети хочет осуществить передачу в сеть, то он проверяет сеть на наличие в ней сигнала передачи данных других узлов. Если такового узел не обнаруживает, то он начинает процесс передачи, и в течении своей передачи узел все время ведет контроль сети на наличие появления чужих сигналов. Если два узла начинают процесс передачи одновременно, то это называется "коллизия". Когда передающий узел узнает о "коллизии", то он передает сигнал в сеть "наличие коллизии". После этого все передающие узлы прекращают передачу на отрезок времени случайного характера, носящий название "время задержки повторной передачи". После истечения этого периода происходит повторная передача, и если последующие попытки также заканчиваются неудачей, то узел повторяет их до 16 раз, после чего отказывается от передачи.

MAC-уровень Ethernet характеризуется так называемыми MAC-адресами, которыми идентифицируется каждый сетевой интерфейс узла сети. Он предоставляется каждой сетевой карте, представляет собой уникальный 6-байтовую последовательность и записывается обычно в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, например 18-А0-02-2D-BC-01. Первый бит старшего байта адреса назначения определяет, является ли адрес индивидуальным (unicast), в этом случае он равен 0, или групповым (multicast), в этом случае 1. Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса - централизованный или локальный. Если этот бит равен 0, то адрес назначен централизованно, с помощью комитета IEEE. Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования организационно уникальные идентификаторы (OUI), в итоге на одного производителя оборудования приходится 16 миллионов вариантов адресов для присвоения их выпускаемому оборудованию.

3) FDDI (оптоволоконный интерфейс распределенных данных). Во многом основывается на технологии Token Ring. Строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - основной способ повышения отказоустойчивости сети. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки только первичного кольца. В случае обрыва кабеля или отказа узла первичное кольцо объединяется совторичным, вновь образуя единое кольцо. Максимальная длина сети 200 км. Максимальная пропускная способность 100 Мбит/с. Для создания небольшой сети предприятия эта технология слишком дорога.

4) DOCSIS (стандарт передачи данных по коаксиальному (телевизионному) кабелю). Этот стандарт предусматривает передачу данных абоненту по сети кабельного телевидения с максимальной скоростью до 42 Мбит/с. (при ширине полосы пропускания 6 МГц и использовании многопозиционной амплитудной модуляции 256 QAM) и получение данных от абонента со скоростью до 10,24 Мбит/с. Он призван сменить господствовавшие ранее решения на основе фирменных протоколов передачи данных и методов модуляции, несовместимых друг с другом, и должен гарантировать совместимость аппаратуры различных производителей.

Стандарт DOCSIS 1.1 дополнительно предусматривает наличие специальных механизмов, улучшающих поддержку IP-телефонии, уменьшающих задержки при передаче речи (например, механизмы фрагментации и сборки больших пакетов, организации виртуальных каналов и задания приоритетов).

DOCSIS имеет прямую поддержку IP протокола с нефиксированной длиной пакетов, в отличие от DVR-RC, который использует ATM Celltransport для передачи IP пакетов (то есть, IP пакет сначала переводится в формат ATM, который затем передаётся по кабелю; на другой стороне производится обратный процесс).

Передача данных "сверху вниз" - к пользователю, или в Down stream-канале - выполняется передающим устройством головного оборудования, называемым CMTS – Cable Modem Termination System; в упрощённом случае вся полоса делится между всеми пользователями, которые в данный момент принимают данные, поэтому доступная в каждый момент времени полоса для конкретного пользователя может "плавать" в широких пределах. Передача информации "снизу вверх" (в Upstream-канале) может выполняться кабельным модемом. До появления стандарта DOCSIS 3.0 полоса на одного пользователя в Down stream-канале составляла примерно не более 25 Мбит/с, в Upstream-канале - не более 10 Мбит/с. Это обусловлено невозможностью выделения всех тайм-слотов на одно абонентское устройство.

Главное отличие DOCSIS 3.0 от 2.0 в том, что в DOCSIS 3.0 каналы на кабельном модеме можно объединять, тем самым увеличивая скорость доступа. Объединяются до 16 прямых и 8 обратных (2008 г.). Также в DOCSIS 3.0 появилась поддержка multicast, шифрования AES и др.

Если в проектируемая вычислительная сеть будет основана на технология Token Ring, то она не будет обеспечивать клиентов необходимой скоростью передачи данных, а построение сети по технологии FDDI потребует больших материальных затрат и в пределах проектируемого микрорайона использование технологии FDDI не будет иметь смысл. Технология DOCSIS является менее затратной, так как она использует сеть кабельного телевиденья, но передача данных между пользователями обязательно требует наличия сервера, что снижает надёжность сети. Технология Ethernet предполагает подключение пользователей на высоких скоростях, не требует использования отдельного сервера для передачи данных и менее затратная, чем FDDI. Эта технология наиболее подходящая для проектируемой сети.

В настоящее время широко применяются такие варианты Ethernet как FastEthernet и GigabitEthernet, они соответственно поддерживают скорость передачи данных 100 и 1000 Мбит/с.

На физическом уровне технология Ethernet использует в качестве среды передачи коаксиальный кабель, кабель типа "витая пара" и оптическое волокно. Так как для данного проекта актуальны физические уровни Fast и GigabitEthernet, то они и будут рассмотрены.

Основой гигабитного Ethernet является стандарт IEEE 802.3z, который был утвержден в 1998 году. Именно этот стандарт смог вывести гигабитный Ethernet из серверных комнат и магистральных каналов, обеспечив его применение в тех же условиях, что и 10/100 Ethernet.

В качестве средств коммуникации наиболее часто используются витая пара и оптоволоконные линии. При выборе типа кабеля учитывают следующие показатели:

• Стоимость монтажа и обслуживания;

• Скорость передачи информации;

• Ограничения на величину расстояния передачи информации без дополнительных усилителей-повторителей (репитеров);

• Безопасность передачи данных.

Главная проблема заключается в одновременном обеспечении этих показателей, например, наивысшая скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием передачи данных, при котором еще обеспечивается требуемый уровень защиты данных. Легкая наращиваемость и простота расширения кабельной системы влияют на ее стоимость и безопасность передачи данных.

По технологии 1000Base-Т для гигабитного Ethernet необходимо использовать волоконно-оптический кабель для соединения коммутаторов, расположенных в жилых домах, с центральным коммутатором, расположенным в серверной и медный кабель категории 5е, который будем использоваться для соединения Wi-Fi точки доступа с коммутатором.

Для выбора среды передачи между рабочими станциями и коммутационным оборудованием, расположенным в жилых домах, будем исходить из стандарта ISO/IEC 11801: на участке "активное сетевое коммутационное оборудование - рабочая станция" выбран FastEthernet, который поддерживает длину линии связи на медном кабеле витая пара (twisted pair) категории 5 до 100 м. Кабель витая пара представляет собой скрученные витые пары, наиболее распространен вид кабеля с четырьмя парами жил. Существуют два основных вида витой пары - это неэкранированная и экранированная витая пара (UTP (unshielded twisted pair) и STP (shielded twisted pair)). Экранирование кабеля требуется при потребности в снижении электромагнитного излучения и в повышении помехозащищенности. Так как у нас отсутствуют электромагнитные помехи будем использовать кабель UTP cat 5e. Категория 5 обеспечивает требуемые параметры кабеля по стандарту TIA/EIA-568-A до частоты 100 Мгц.

Для построения сети используется кабель типа UTP, соответствующий категории 5е (категория 5е - это расширенный вариант категории 5, и имеет полосу пропускания до 160 Мгц). Это сделано ввиду того, что в настоящее время на рынке сетевого оборудования кабель категории 5 уже редко встречается и признан устаревшим.

В проекте предполагается организация точки беспроводного доступа к сети, это снизит затраты на создание сети и обеспечит пользователей полным комплексом предоставляемых услуг.

Рассмотрим подробнее используемые сегодня стандарты беспроводных сетей. Существуют различные типы беспроводных сетей, отличающиеся друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11g и IEEE 802.11n.

Стандарт 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. В то же время, по способу кодирования 802.11g является, так сказать, гибридным, заимствуя все лучшее из стандартов 802.11b и 802.11a. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с (как и в стандарте 802.11a), поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.

Существуют различные режимы работы беспроводных сетей, позволяющих объединять отдельные станции, имеющие беспроводные адаптеры (режим Ad-Hoc), объединять с помощью точек доступа отдельные проводные ЛВС (режимы "Point-to-point” и "Point-to-multipoint”), создавать клиентские точки и т.д. Но нас будет в первую очередь интересовать режим работы, позволяющий подключать отдельные станции через точку доступа к существующей ЛВС.

В режиме InfrastructureMode станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (AccessPoint), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа - BSS (BasicServiceSet) и ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причём сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Сами точки доступа соединяются между собой с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Этот режим работы позволяет мобильным клиентам подключаться в общую сеть, перемещаться между точками доступа без потери связи (при условии перекрытия зон действия) и обмениваться информацией друг с другом.

Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с (стандарт IEEE 802.11ac до 1.3 Гбит/с), применяя передачу данных сразу по четырем антеннам. По одной антенне - до 150 Мбит/с. Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4-2,5 или 5,0 ГГц.

Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трёх режимах:

• наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a;

• смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n;

• "чистом" режиме - 802.11n (именно в этом режиме и можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n).

Черновую версию стандарта 802.11n (DRAFT 2.0) поддерживают многие современные сетевые устройства. Итоговая версия стандарта (DRAFT 11.0), которая была принята 11 сентября 2009 года, обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, Многоканальный вход/выход, известный, как MIMO и большее покрытие. На 2011 год, имеется небольшое количество устройств соответствующих финальному стандарту. Например, у компании D-LINK, основная продукция проходила стандартизацию в 2008 году. Существуют добропорядочные компании, занимающиеся пере стандартизацией основной продукции. Полноценной поддержки финального стандарта стоит ожидать только от продукции 2010 года.

Ключевой компонент стандарта 802.11n под названием MIMO (MultipleInput, MultipleOutput - много входов, много выходов) предусматривает применение пространственного мультиплексирования с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных. Именно возможность одновременной передачи и приема данных определяет высокую пропускную способность устройств 802.11n.

Подведем краткий итог ЛВС будет организована на базе технологии GigabitEthernet с применением одномодового оптического волокна на скорости 1000 Мбит/с, технологии FastEthernet с применением c применением неэкранированной витой пары на скорости 100 Мбит/сек, а так же для подключения двух базовых станций к локально-вычислительной сети технологии WiFi стандарта 802.11n и звездообразной топологией.