osnovy_vt / Приложение 1

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. 1) выбор сетевой технологии (технологий);

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

3. 3) выбор топологии сетевых соединений;

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

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

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

7. 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. 11 приведены наиболее распространенные технологии современных локальных сетей.

Таблица 11. Технологии локальных сетей
Спецификация	Номинальная пропускная способность	Топология	Оборудование	Особенности
Ethernet 10Base2	10 Мбит/с	Шина	Сетевые карты, коаксиальный кабель, Т-коннекторы, терминаторы	Дешевизна, невысокая на-дежность
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
xDSL	2 Мбит/с

1.2. Для каждой из задач определяется эффективный трафик Пэ i как отношение среднего времени занятия задачей сети t ср.i (табл. 12) к общему времени работы сети t раб., умноженное в случае полного занятия сети задачей на номинальную пропускную способность сети Пн или, в случае фиксированного трафика, на его значение.

Таблица 12. Сетевые задачи, используемые в современных локальных сетях
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)
Видеоконференции	20-40 на 1 станцию (трафик 0,1-1 Мбит/с)
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∑з. Значение П∑з.умножается на коэффициент служебного, широковещательного и неучтенного трафика kс.т. = (0,05÷0,07) * n, где n – количество компьютеров в сети, и коэффициент запаса kз = (1,2÷2,0) для учета будущего развития сети.

По полученному значению П∑ уточняется выбранная технология ЛВС таким образом, чтобы коэффициент использования сети kисп. = П∑ / Пном. 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 10 и 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 ЛВСPвнедр. — необходимые единоразовые капитальные вложения.

По среднему времени производства единицы товара (продукции или услуги) до внедрения t 0 и после внедрения ЛВС t лвс определяется повышение производительности труда организации:

kпр. = (1/tлвс – 1/t0 ) * t0 .

Увеличение ежемесячного объема производства Δn = kпр. * 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.

окупаемости ЛВС в месяцах:

Ок = Pвнедр / (ΔД – ЗЛВС), где ЗЛВС — 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 производ-ство, транспортировку и других составляющих, а также амортизации основных средствАм.

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 – ЗЛВС.

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 Vп в байтах, переносимой каждым кадром, нетрудно рассчитать полезную пропускную способность сети: Пп (бит/с) = Vп * 8 * f.

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

Ппт1 = 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:

Ппт2 = 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.