5 Розробка топології гетерогенної мережі установи

5.1 Мета роботи

Навчитися правильно обирати топологію мережі в залежності від поставленої задачі. Дослідження типових реалізацій мережі.

5.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Під час підготовки до лабораторної роботи студенти повинні повторити відповідний лекційний матеріал і дані практичних занять. Ознайомитися з матеріалами, які наведені в літературі [1].

Мережа – система, що поєднала в собі апаратне і програмне забезпечення, а також засоби з'єднання комп'ютерів Основними з них є топологія й архітектура. Крім того, мережі характеризуються додатковими параметрами, такими як ступінь швидкодії, надійність, захищеність та ін. Проектуючи мережу, у першу чергу необхідно розробити її топологію. При правильному підході до цього питання мають бути ретельно проаналізовані такі характеристики мережі, як передбачувані обсяги оброблюваної інформації, кількість робочих станцій і серверів, типи використовуваних з'єднань, необхідна швидкість передачі даних, поділ мережі на сегменти й ін. У загальному випадку топологією можна назвати форму розташування кабелів, що з'єднують усі компоненти мережі. Існують три типи базових топологій:

– шина;

– зірка

– кільце.

Усі три базові топології наведені на рисунку 5.1. Застосовуються також різні варіанти їхніх комбінацій. Розрізнюють також фізичну топологію, що визначає фізичне розташування вузлів і з'єднань (шина, зірка, кільце), і логічну, за якої визначаються напрямок і порядок обробки потоків даних (шина, кільце).

При використанні шинної топології всі комп'ютери приєднуються до одного загального кабелю, на кінці якого встановлюють кінцеву опору (термінатори). Якщо один з підключених комп'ютерів не працює, то це не впливає на мережу в цілому; коли ж порушується цілісність кабелю сполучного розмикача на будь-якій ділянці мережі, то вся мережа перестає працювати. У зв'язку з тим, що тут використовується один загальний кабель, мережні методи взаємодії припускають поділену (Shared) в одному проміжку часу обробку всіх запитів на з'єднання і передачу інформації від усіх ПК. При цьому, зі збільшенням кількості підключених до мережі комп'ютерів час обробки кожного запиту збільшується, а загальна продуктивність мережі різко знижується.

Рисунок 5.1 – Типи топології мережі

У топології «зірка» кожен комп'ютер підключається до особливого пристрою, який називається концентратором (hub), що розподіляє і передає сигнал по всіх підключеним до нього кабелях. Як і для шинної топології, цей варіант піддається зниженню продуктивності зі збільшенням кількості комп'ютерів. Для збільшення продуктивності мережі і підтримки постійної швидкості обміну для всіх з'єднань одночасно замість концентратора необхідно використовувати комутатор (Switch), що організує всередині себе окремі віртуальні канали для кожного з'єднання між вузлами мережі. У цій топології несправність в одному з кабелів призведе до припинення роботи тільки одного комп'ютера, а не всієї мережі. Хоча при відмовленні концентратора чи комутатора всі підключені до нього ПК відключаться від мережі.

У топології «кільце» всі ПК зв'язані кабелем, замкнутим у кільце. Комп'ютер, що передає інформацію, посилає спеціальний маркер зі своїми даними. У цьому маркері також міститься адреса відправника й одержувача. ПК-одержувач, прочитавши його, відправляє цей же маркер назад у підтвердження одержання, а відправник, у свою чергу прийнявши його, передає наступному ПК. Такий метод взаємодії призводить до більш низьких темпів зниження загальної продуктивності мережі порівняно з шинною топологією. За несправності будь-якої ділянки кабелю вся мережа перестає функціонувати.

Правильний підхід до створення локальної мережі припускає побудова на початковому етапі структурованої кабельної системи (СКС). Під цим поняттям розуміють сукупність горизонтальної (розташована в одному приміщенні чи поверсі будинку), магістральної (з'єднання будинків, відділів, сегментів) і вертикальної (міжповерхові з'єднання) кабельної проводки, монтажних коробів і шаф, а також різного пасивного мережного устаткування: розетки, комутаційні панелі й ін. Структурованість кабельної системи означає поділ її на відносно самостійні функціональні рівні з резервуванням за кількістю підключень (для полегшення реконфігурації і розширення мережі) і об'єднуючих найчастіше комп'ютерні, телефонні, телевізійні, охоронні і силові мережі. З метою підвищення надійності мережі і можливості подальшого нарощування її продуктивності при установці кабельної системи бажано провести резервні лінії, по можливості різними маршрутами. Особливо це стосується вертикальної і магістральної проводки.

Устаткування для СКС має відповідати вимогам стандартів IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineers), NEC (National Electrical Code), EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association). На використовуваних у СКС кабелях обов'язково повинне бути маркірування UL, що свідчить про те, що вони пройшли тестування в незалежній організації Underwriters Laboratories на відповідність стандартам NEC і ЕІА/ТІА. Одним з важливих факторів, що характеризують СКС, є установка всього комутаційного устаткування в одній чи кількох монтажних шафах. Це істотно полегшує комутацію і сегментацію вузлів мережі й водночас ускладнює несанкціонований доступ до цього устаткування.

Кабельна система, що з'єднує усі вузли мережі в різні топології, у сукупності з програмним забезпеченням, що визначає методи і протоколи обміну, називається мережною архітектурою. Сьогодні їх існує більше двох десятків ArcNet, Token-Ring, Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Gigabit Ethernet, ATM та ін. Але найбільш використовуваними і перспективними є Ethernet у всіх її модифікаціях, ATM і FDDI.

Завдяки низькій вартості реалізації і широкому спектру використовуваних кабелів технологія Ethernet набула найбільшого поширення. При цьому вона надає можливість об'єднання з мережами ArcNet, Token Ring, FDDI i ATM. Сьогодні близько 70% мереж в усьому світі побудовані з використанням саме Ethernet, тому що устаткування для неї досить дешеве і легко інсталюється. Для України – цей показник ще вище – приблизно 95%. До того ж, завдяки легкій інтеграції з її наступними високошвидкісними модифікаціями (Fast Ethernet зі швидкістю обміну 100 Мбіт/c і Gigabit Ethernet зі швидкістю обміну 1000 Мбіт/с), вона є найбільш привабливою в плані подальшого нарощування продуктивності існуючої мережі.

Саме тому при побудові більшості локальних мереж рекомендується використовувати Ethernet чи її модифікації. Ethernet на коаксіальному кабелі використовувати не рекомендується, тому що ця реалізація не дозволяє надалі істотно підвищити продуктивність мережі.

Типову схему реалізації мережі підприємства з використанням технології Ethernet представлена на рисунку 5.2.

Для об'єднання в мережу великої кількості ПК використовують спеціальні пристрої (концентратори чи комутатори), з'єднані між собою в стек. Це означає, що всі ПК, підключені до всіх цих пристроїв, утворюватимуть одну логічну групу. Наприклад, для 40 робочих станцій можна використовувати два 12-портових (порти – це точка підключення, що працює як на прийом, так і на передачу) і один 16 чи два 24-портових пристрої, що, будучи об'єднаними в стек, працюють як одне ціле. Найпростішим і, відповідно, найдешевшим з цих пристроїв є концентратор. Цей досить нескладний пристрій має усередині себе одну загальну шину, що з'єднує всі порти. Коли приходить який-небудь пакет, то концентратор передає його в усі інші порти, не піклуючись про його подальший маршрут. Внутрішня шина такого простого пристрою працює зі швидкістю 10 Мбіт/с у випадку з Ethernet і 100 Мбіт/с для Fast Ethernet. На практиці, багато виробників вбудовують у свої концентратори більш швидкісні шини, що дозволяють підвищити продуктивність мережі і зменшити час ретрансляції пакетів.

Така реалізація мережі (Shared Ethernet) володіє невисокою пропускною здатністю, тому що припускає використання поділюваного середовища. Однак, її буває цілком достатньо для тих мереж, де сервер використовується тільки для збереження файлів з досить рідкими звертаннями до нього, а основна робота відбувається на робочих станціях. Але як тільки виникає необхідність спільної роботи декількох робочих станцій над одним проектом з інтенсивним обміном інформацією, продуктивність такої мережі різко падає.

Рисунок 5.2 – Типова схема мережі підприємства

Один зі шляхів підвищення продуктивності – це розбивка робочої групи на кілька сегментів шляхом установки для кожного з них сегментуючого керованого концентратора (див. рис. 5.2). При цьому слід керуватися простим правилом: поєднувати в один сегмент доцільно ПК, що працюють над однією задачею чи в одному відділі. Сегментуючі концентратори дозволяють обмежити поширення широкомовних пакетів у межах одного сегмента, не пропускаючи їх у зовнішню лінію, і в такий спосіб мінімізувати міжсегментний мережний трафік (кількість звертань між робочими станціями, що належать різним сегментам). Аналізуючи пакети, що прийшли, і визначаючи адреси їхніх одержувачів, концентратор передає в міжсегментну лінію тільки ті пакети, що призначені для робочих станцій з інших сегментів.

Оскільки кількість портів такого концентратора невелика, то за необхідності підключення в один сегмент великої кількості ПК, до одного чи декількох його портів підключають звичайний концентратор, а вже до цього пристрою підключають ПК.

Подальшим способом зниження міжсегментного трафіка і відповідно підвищення продуктивності мережі в цілому є зміна одного чи декількох сегментів, і в першу чергу серверного, шляхом простої заміни концентратора на комутатор.

Цей пристрій об’єднує у собі можливості сегментуючого концентратора з високошвидкісною внутрішньою шиною і функціями організації незалежних віртуальних каналів для одночасного з'єднання різних пар портів, підтримуючи для всіх цих каналів постійну швидкість обміну. Таким чином, кожен ПК, підключений до нього, одержує у своє розпорядження всю смугу пропущення – 10 Мбіт/с чи 100 Мбіт/с у залежності від моделі комутатора.

Комутатор, одержуючи широкомовні службові посилки з адресами від усіх ПК, підключених до нього, запам'ятовує їх і будує таблицю відповідності цих адрес адресам своїх портів, до яких підключені ці ПК. Далі, при одержанні пакета з уже відомою йому адресою, він направляє цей пакет тільки у відповідний порт. Якщо ж адреса йому невідома, тоді пакет посилається в усі порти. Станція, що одержала цей пакет, посилає відправнику підтвердження про його одержання. Комутатор запам'ятовує за цим відповідним пакетом відповідність адрес портам і надалі подібні пакети відправлятимуться тільки одержувачу.

Для об'єднання декількох мереж (у т.ч. які використовують різні архітектури) застосовуються маршрутизуючі комутатори чи маршрутизатори. Перший пристрій можна застосувати замість звичайного комутатора, другий же використовується разом з ним.

Принцип маршрутизації полягає в наступному. Пристрій маршрутизації має усередині себе пам'ять, у яку автоматично записуються адреси усіх вузлів мережі, а також їхня приналежність до різних сегментів, і будується логічна схема всієї мережі. При надходженні до нього пакета інформації, аналізується адреса одержувача. Порівнявши його зі своєю таблицею адрес і побудувавши для цього пакета оптимальний маршрут його проходження по мережі через різні комутатори і концентратори, маршрутизатор змінює його заголовок таким чином, що він пересувається далі саме цим маршрутом. У такий спосіб досягається більш короткий час проходження інформації від джерела до приймача і зниження завантаженості мережі в цілому.

Однозначно, що жодна з мереж не зможе функціонувати без програмного забезпечення. Не є виключенням і запропоновані варіанти. При цій реалізації цілком може підійти як Novell NetWare, так і Windows NT. Від використання UNIXa у даному випадку можна відмовитися, тому що ця ОС призначена, у першу чергу, для роботи з розподіленими мережами з кількістю робочих станцій більш 100.

Однією з перших технологій побудови локальних мереж став стандарт Ethernet, згодом Ethernet II.

Спочатку цей стандарт припускав з'єднання комп'ютерів за допомогою коаксіального кабелю. Особливості побудови мережі такі, що збільшити її пропускну здатність уже неможливо. Справа в тому, що при побудові локальних обчислювальних систем на основі коаксіального кабелю можливо лише з'єднання за топологією «шина», коли один сегмент (чи їхнє послідовне об'єднання) служить загальним передавальним середовищем. І, якщо комп'ютери одночасно спробують почати обмін даними, їм доведеться «боротися» за середовище передачі.

Сегмент кабелю не може бути довше 185 м. Якщо його довжина більше, електричний сигнал у кабелі загасає, і приймаючий дані комп'ютер не зможе коректно розпізнати пакети з інформацією. Для збільшення довжини застосовують повторювачі, що прийматимуть сигнал, підсилювати його, і посилати далі в мережу. У мережі може бути лише 4 повторювачі. Стандарт передбачає ще два обмеження. По-перше, підключити комп'ютери мережі до всіх п'яти сегментів неможливо (мають використовуватися тільки 3 сегменти, інші 2 служать лише для збільшення загальної довжини кабелю). По-друге, до одного сегмента мережі можна підключити не більш 30 комп'ютерів. Таким чином, у локальній обчислювальній мережі на основі коаксіального кабелю може бути не більш 90 комп'ютерів. Усе вищевикладене узагальнюють спеціальним «правилом»: мовою системних адміністраторів – 5/4/3. Тобто в мережі 5 сегментів і 4 повторювані, а комп'ютери можна підключати тільки до 3 сегментів мережі.

Другий істотний недолік коаксіального кабелю – те, що немає гальванічної розв'язки. Для подолання недоліків, пов'язаних із продуктивністю був розроблений новий стандарт – «кручена пара» (10Base), яка припускає, що до кожного комп'ютера буде проведений власний кабель. Цей кабель складається з двох чи чотирьох скручених пар проводів (а використовуються тільки два). Усі робочі станції мають підключатися до активного об'єднуючого пристрою, концентратора (hub) чи комутатора (switch). Кількість комп'ютерів у мережі не перевищує 1024.

Пропускної здатності мережі в 10–100 Мб/с цілком достатньо, щоб організувати документообіг на середньому підприємстві. Оскільки коаксіальний кабель був раніше дуже популярний, можна припустити, що чимало мереж дотепер базується на цьому стандарті. Але потреби документообігу вимагають збільшення продуктивності мережі і переходу на кручену пару.

5.3 Порядок виконання роботи та методичні вказівки щодо її виконання

5.3.1 Одержати у викладача план приміщення організації, характер виконуваних робіт.

5.3.2 Маючи інформацію про виконувану роботу кожним співробітником, визначити необхідну продуктивність мережі і тип мережної карти. При виборі врахувати оптимальне співвідношення між ціною устаткування і якістю роботи.

5.3.3 3 огляду на територіальне розташування співробітників, зробити розподіл на відділи.

5.3.4 Вибрати топологію мережі для кожного відділу.

5.3.5 Спроектувати топологію мережі організації.

5.3.6 Вибрати тип устаткування для мережі установи.

5.4 Зміст звіту

Оформлення матеріалів звіту оговорюється у вступі до методичних вказівок. У теоретичній частині необхідно навести:

– вихідні дані, видані викладачем.

В експериментальній частині навести:

– розроблену структуру мережі організації і тип устаткування.

Зробити висновок про ефективність використання спроектованої топології мережі.

Завдання 1

Забезпечити можливість проведення відеоконференції між директором організації, усіма відділами організації, головним бухгалтером, головним інженером і конференц-залом (рис.5.3).

Під час проведення конференції забезпечити можливість передачі відеозображення на кожен комп'ютер у залі.

Відділ

забезпечення

Конференцзал

Відділ збуту

готової

продукції

Рисунок 5.3 – План розміщення структурних підрозділів організації

Завдання 2

Забезпечити можливість проведення відеоконференції між директором організації, головним бухгалтером, головним інженером і конференцзалом (рис.5.4).

П

Відділ

забезпечення

ід час проведення конференції забезпечити можливість передачі відеозображення на кожен комп'ютер у залі.

Рисунок 5.4 – План розміщення структурних підрозділів організації

5.5 Контрольні запитання

1. Які основні топології мереж ви знаєте?

2. Що таке Shared Ethernet?

3. Що таке концентратор?

4. Що таке комутатор?

5. Що таке СКС?

6. Що таке основи проектування СКС.

7. Чим відрізняється мережа на коаксіальному кабелі і крученій парі?

8. Яка максимальна довжина сегмента коаксіального кабелю?

9. Яка максимальна довжина кабелю крученої пари?

10. Що таке стандарт 10Base і 100Base?

11. Яким чином виконується монтаж кабелю?

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Скотт, М. Модернизация и ремонт ПК для чайников = Upgrading and Repairing PCs [Текст] : пер. с англ. – М. : Вильямс, 2008 . – 443 с.

2. Ковтанюк, Ю. С. Библия пользователя ПК [Текст] / Ю.С. Ковтанюк. – М. : Диалектика, 2007. – 992 с.

3. Фигурнов, В. Э. IBM PC для пользователя [Текст] / В.Э. Фигурнов. – М. : ИНФРА-М, 1998. – 480с.

4. Майоров С. А. Основы теории вычислительных систем [Текст] / С.А. Майо-ров. – М. : Высшая школа, 1992. – 408 с.

5. Коган, Б. М. Электронные вычислительные машины и системы [Текст] / Б. М. Коган – М.: Эноргоатомиздат, 1991. – 592с.

6. Гордонов А.Ю. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств: Справочник [Текст] / А.Ю. Гордонов. – М. : Радио и связь, 1987. – 360с.

7. Журавлев Ю.П. Надежность и контроль ЭВМ [Текст] / Ю.П. Журавлев. – М. : Советское радио, 1989. – 416 с.

8. Ларионов A. M. Вычислительные комплексы, системы и сети [Текст] / A. M. Ларионов. – Л. : Эноргоатомиздат, 1987. – 286 с.

9. Дроздов Е.А. Основы построения и функционирования вычислительных систем [Текст] / Е.А. Дроздов. – М. : Энергия, 1991. – 267 с.

10. Журавлев Ю.П. Системное проектирование памяти ЦВМ [Текст] / Ю. П. Журавлев. – М. : Советское радио, 1994. – 344.

11. ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти в сфері науки і техніки. Структура і правила [Текст]. – Введ. 1996-01-01. – К. : Вид-во стандартів, 1998. – 38 с.

48