Учебное пособие к курсовому проектированию по курcам «Сети эвм» и«Глобальные сети» Проектирование сети кампуса Москва 2003
1 чел. помогло. | скачать Министерство образования РФ Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана Факультет “Информатика и системы управления” Кафедра “Компьютерные системы и сети” Учебное пособие к курсовому проектированию по курcам «Сети ЭВМ» и «Глобальные сети» Проектирование сети кампуса Москва 2003 Составители: – доцент кафедры ИУ9 «Высокопроизводительные системы и технологии» Колобаев Л.И. – доцент кафедры ИУ6 «Компьютерные системы и сети Ващенко Б.И.; Содержание Расчет времени задержки детектирования коллизий (PDV) 21 Расчет сокращения межпакетного интервала (PVV) 22 ^ Рисунок 1- Схема вычислительной сети здания 8 Рисунок 2- Структура сети кампуса 9 Рисунок 3 – Структура сложной кампусной сети 10 Рисунок 4- Уровни доступа и распределения 11 Рисунок 5– Пример структуры сети кампуса 13 Рисунок 6- Простейший пример применения технологии 10Base-T 18 Рисунок 7- Вариант предельной топологии с применением технологии 10Base-T 19 Рисунок 8- Пример топологии без построения магистрали 23 Рисунок 9- Пример топологии с построением магистрали по технологии 10Base-2 24 Рисунок 10- Пример гибридной топологии с применением тонкого коаксиального, UTP и FO кабелей 25 Рисунок 11- Пример применения гибридной топологии 26 Рисунок 12- Кабельные подсистемы на примере сети масштаба предприятия 28 Рисунок 13 – К примеру расчета энергетического баланса линии 34 Рисунок 14 - Схема ГВС со средствами спутниковой связи 35 ^ Таблица 1 Исходные данные для разработки информационной системы 6 Таблица 2 Распространенная конфигурация ЛВС 15 Таблица 3 К оценке качества и важности услуг ЛВС 16 Таблица 4 Значения задержек, вносимых элементами сети 21 Таблица 5 Сокращение межкадрового интервала, вносимые элементами сети 22 Таблица 6- Технические средства (ТС) вычислительной сети. 30 Таблица 7 Права доступа для групп пользователей 32 Таблица 8 Характеристики услуг глобальной сети 36 Таблица 9 Исходные данные для расчета затрат 38 ^ Курсовое проектирование должно способствовать закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных студентами в процессе изучения лекционного курса по дисциплинам "Компьютерные сети ", «Глобальные сети», а также умений и навыков, полученных при выполнении практических и лабораторных занятий, и применению этих знаний, умений и навыков к решению конкретных инженерных задач, развитию навыков работы со специальной литературой и навыков инженерного проектирования. ^ Задание на курсовое проектирование посвящено проектированию вычислительных сетей (ВС) как основы комплекса технических средств информационных систем различных предметных областей (организаций, предприятий, учреждений и их подразделений). При выполнении курсового проекта студент должен:
Кроме того, по решению кафедры в состав проекта могут быть включены дополнительные разделы, связанные с научно-исследовательской работой [5]. ^ Индивидуальное задание на курсовое проектирование складывается из двух основных частей проекта ВС:
Исходные данные для разработки информационной системы представлены в таблице 1. Таблица 1 Исходные данные для разработки информационной системы
^ Пояснительная записка пишется на одной стороне листа бумаги формата А4. Общий объем порядка 40-50 страниц. С левой стороны листа должны быть поля шириной 20 мм, листы подшиваются в папку вместе с диаграммами, схемами и другими иллюстрациями. Все схемы, формулы, графики должны быть пронумерованы и снабжены подписями и ссылками в тексте. Материалы в пояснительной записке следует располагать в следующем порядке:
Проектирование ЛВС:
Проектирование сети кампуса:
В пояснительной записке должны быть выдержаны единые обозначения и единые размерности для используемых параметров. Допускаются общепринятые сокращения слов, терминов, обозначений. Законченная пояснительная записка подписывается студентом, руководителем проекта и представляется на защиту комиссии. ^ Графическая часть проекта является технической документацией на разработанный студентом проект вычислительной сети. Графический материал, помещенный в пояснительной записке, а также на листах, по формату, условным обозначениям, шрифтам и масштабам должен соответствовать требованиям единой системы конструкторской документации (ЕСКД). ^ 6.1. Общие теоретические сведения о вычислительных сетях Вычислительная сеть (ВС) состоит из вычислительных машин и сети передачи данных (сети связи). ВС классифицируются по геометрическим масштабам на следующие классы сетей: глобальная вычислительная сеть; широкомасштабная (корпоративная) сеть; региональная (кампусная) сеть; локальная сеть. Требования, предъявляемые к вычислительной сети в данной прикладной области, определяют географические масштабы ВС и скорости передачи данных. Под локальной вычислительной сетью (ЛВС) обычно понимают ВС, соединяющие вычислительные машины в одной комнате, здании или несколько близко расположенных зданиях. Сети связи ЛВС имеют в настоящее время следующие типичные характеристики: высокую скорость передачи данных (0.1 - 100 Мбит/с), небольшую протяженность (0.1 - 50км), малую вероятность ошибки передачи данных (+1Е-8 - +1Е-11). Глобальные компьютерные сети (ГВС) включают компьютеры и каналы связи, обеспечивающие возможность передачи информации от компьютера к компьютеру. ГВС, например, сеть сетей - Интернет, охватывают миллионы компьютеров практически во всех странах мира. Услугами ГВС пользуются десятки миллионов человек - бизнесменов, ученых, чиновников, преподавателей, студентов. Основной эффект от использования ГВС для конечного пользователя заключается в сокращении времени обмена или доступа к информации при снижении затрат. ГВС представляют собой специфические предприятия по производству (предоставлению) информационного сервиса - электронная почта, телеконференции, новости, биржевые сводки, передача файлов, доступ к сетевым архивам и базам данных и т.д. Схема вычислительной сети здания показана на рисунке 1.  Коммутаторы Концентраторы     7 этаж 6 этаж 1 этаж Серверы   Рисунок 1- Схема вычислительной сети здания В соответствии с двумя основными компонентами корпоративной вычислительной сети для курсового проектирования выбраны два основных варианта - проектирование локальной вычислительной сети и проектирование аппаратного и программного обеспечения для использования услуг глобальной вычислительной сети (сети кампуса) в информационных системах предприятий и организаций. Главными особенностями сетей кампусов являются следующие (рис. 2). Сети этого типа объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах одной территории, покрывающей площадь в несколько квадратных километров. При этом глобальные соединения в сетях кампусов не используются. Службы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к общим базам данных предприятия, доступ к общим факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам. В результате сотрудники каждого отдела предприятия получают доступ к некоторым файлам и ресурсам сетей других отделов. Важной службой, предоставляемой сетями кампусов, стал доступ к корпоративным базам данных независимо от того, на каких типах компьютеров они располагаются.  Рисунок 2- Структура сети кампуса Именно на уровне сети кампуса возникают проблемы интеграции неоднородного аппаратного и программного обеспечения. Сеть сложной кампусной системы обычно строится по иерархическому принципу. Она включает в себя три иерархических уровня: уровень доступа, уровень распределения и уровень ядра системы (рисунок 3).  Рисунок 3 – Структура сложной кампусной сети ^ часто выбирают две модели коммутаторов Cisco Systems - Catalyst 5000 или Catalyst 5500. Выбор той или иной модели коммутатора в каждом конкретном случае зависит от числа и типа пользовательских портов, подключенных к данному кабельному узлу. Зная о возможном скором переходе на высокоскоростные сетевые соединения, многие заказчики выбирают в качестве основных порты с разными скоростями передачи – 10 и 100 Мбит/с (Ethernet и Fast Ethernet). В качестве коммутатора для уровня доступа рекомендуется использовать именно модель Catalyst 5500 (или 550х), способную резервировать коммутирующий процессор (Supervisor Engine Module), что позволит значительно повысить отказоустойчивость системы уже на уровне доступа. ^ аждый коммутатор Catalyst 5000 уровня доступа обычно имеет по две восходящие связи Fast Ethernet ISL. Для повышения степени надежности системы каждая из этих связей подключается к разным коммутаторам Catalyst 5000, образующим уровень распределения. Необходимо отметить, что в большинстве случаев из-за физических ограничений, таких как размеры зданий, корпусов, аппаратных помещений и пр., размер функциональных блоков может быть различным. Однако на общей модели сети это никак не отражается.На рисунке 4 показан пример конфигурации сети на уровних доступа и распределения  Рисунок 4- Уровни доступа и распределения Все 14 коммутаторов уровня распределения на примере образуют семь функциональных строительных блоков сети. В каждом блоке имеются все возможности и реализованы все функции для обеспечения взаимодействия всех узлов и VLAN внутри блока. ^ должен предоставлять три типа функций по объединению имеющихся блоков в единую сетевую систему:
Для обеспечения всех этих функций ядром системы рассмотрим два подхода к построению самого ядра:
Оба подхода обеспечивают достижение поставленных задач, выбор того или иного решения в каждом конкретном случае зависит от требований заказчика, типа используемого оборудования и Ядро системы с применением аппаратуры маршрутизации, встроенной в коммутаторы уровня распределения предусматривает вариант вариант с использованием в качестве ядра аппаратуры коммутации третьего уровня модели OSI, встроенной в коммутаторы уровня распределения. Такая аппаратура доступна в качестве модулей расширения к коммутаторам Catalyst 5xxx и называется RSM (Route Switch Module). Использование модулей RSM в каждом из коммутаторов Catalyst 5000 уровня распределения позволит избежать необходимости установки соответствующего количества маршрутизаторов Cisco 7500 с модулями VIP 2. В качестве примера кампусной сети можно привести информационную систему редакции газеты «Комсомольская правда», которая построена на оборудовании фирмы 3СОМ ( Рисунок 5).   Рисунок 5– Пример структуры сети кампуса Редакция газеты занимает в здании Издательского дома «Открытые системы» две площадки в разных корпусах. Фирма «Тауэр Сети» проложила в помещениях, где располагается редакция «Комсомольской правды», СКС 5-й категории на 400 портов. В каждом корпусе установилено по 2 узла СКС, которые соединены между собой оптоволоконной магистралью. Создана новая, предназначенная исключительно для подключения компьютеров электросеть, защищенная системой бесперебойного питания. К сети передачи данных предъявлялись высокие требования: в редакционно-издательском центре (РИЦ), где идет верстка большинства изданий, используются 20-30 мощных компьютеров Macintosh. Эти компьютеры создают в сети РИЦ большой трафик, вызванный передачей файлов с графикой, файлов верстки и других данных. Поэтому для нормальной работы каждой рабочей станции, используемой при верстке, требуется высокоскоростной канал. Для передачи данных были выбраны два стандарта - выделенные Fast Ethernet и Ethernet. Такое решение позволило добиться максимально возможных скоростей передачи данных, поскольку в каждом сегменте находилось всего одна рабочая станция, подключенная непосредственно к порту коммутатора. Тем пользователям, для которых скорость передачи данных по сети критична (это те, кто занимается версткой или работает с рекламой), установили Fast Ethernet, всем остальным (журналистам, сотрудникам бухгалтерии и др.) - Ethernet. Схема сети - двухуровневая: имеются коммутаторы рабочих групп (Switch 3000 и 1000 с модулями ATM) и два коммутатора зданий (CoreBuilder 7000 HD, на момент реализации проекта - самый мощный коммутатор). В результате редакция получила полностью коммутируемую сеть построенную на базе оборудования 3СОМ. Поскольку издательство выпускает еще и ряд приложений к газете, то часто возникает необходимость создавать «виртуальные» редакции. Система управления сетью позволяет включать в состав таких виртуальных сетей - редакций требуемых сотрудников, ограничив при этом доступ в рабочую группу остальным. 6.2. Проектирование локальной вычислительной сети При создании ЛВС перед разработчиком стоит проблема: при известных данных о назначении, перечне функций ЛВС и основных требованиях к комплексу технических и программных средств ЛВС построить сеть для информационной системы в заданной предметной области. Методика проектирования конфигурации и структурной схемы локальных вычислительных сетей состоит из нескольких последовательных этапов.
5. Планирование информационной безопасности сети 6.Проведение расчета экономической эффективности сети. В процессе разработки имеется возможность использовать средства автоматизации проектирования ЛВС [9,10]. В сети Интернет существует проект NetWizard фирмы 3COM, позволяющий во многом автоматизировать труд сетевого интегратора. NetWizard - это новый ресурс в сети, который позволяет посетителям сайта делать эскизные проекты компьютерных сетей. По вопросам использования проекта разработаны методические указания [10]. Сайт проекта располагается по адресу http://www.netwizard.ru Краткое содержание этапов проектирования 6.2.1. Разработка возможных вариантов конфигурации ЛВС Разработку возможного варианта конфигурации ЛВС следует начинать с создания общего плана сети, оформленного как таблица конфигурации. Представленная в таблице 2 конфигурация широко распространена при установке сетей, где количество пользователей не превышает 50 человек. Эта стандартная конфигурация подходит для большинства случаев проектирования сетей и проста в реализации. В курсовом проекте следует создать свою конфигурацию сети в соответствии с конкретным заданием. Таблица 2 Распространенная конфигурация ЛВС
При разработке возможных вариантов конфигурации сети следует помнить, что они должны быть составлены на основе требований, сформулированных для выполнения функций информационной системы в заданной предметной области, и должны удовлетворять условию совместимости аппаратных и программных средств. Для анализа вариантов составляется таблица, аналогичная таблице 2, в которой приводятся характеристики 2 - 3 вариантов конфигурации локальной вычислительной сети. Оценка различных вариантов архитектуры ВС производится с системных позиций по основным критериям: стоимость, быстродействие, надежность, информационная безопасность. Далее производится выбор наилучшего варианта по основным критериям. При этом в зависимости от установленных целей проектирования вычислительной сети выбирается один главный критерий эффективности достижения цели, а остальные критерии учитываются в качестве ограничений. Например, возможна следующая постановка задачи оптимизации: обеспечить минимальную задержку передачи сообщений в сети при выполнении установленных ограничений на значения показателей надежности сети, стоимости сети. Для решения поставленной задачи могут использоваться известные методы решения задачи выбора. Такими методами являются: метод анализа иерархий Саати , метод взвешивания [7], метод ветвей и границ [8].При решении задачи выбора в качестве исходных данных могут использоваться как числовые характеристики, так и качественные экспертные оценки. Можно качественно определить степень предпочтений пользователя при оценке качества и важности услуг ВС, используя для этого лингвистические переменные, приведенные в таблице 3. Таблица 3 К оценке качества и важности услуг ЛВС
В качестве инструментального средства для решения задачи выбора конфигурации можно использовать пакет программ Logical Decision. 6.2.2. Разработка структурной схемы ЛВС На данном этапе необходимо для выбранного варианта конфигурации ЛВС разработать архитектуру ЛВС:
При этом должны учитываться правила соединения компонентов ЛВС, основанные на стандартизации сетей и их ограничения, специфицированные изготовителями компонент ЛВС. 6..2.3 Теоретико - расчетная часть Теоретико - расчетная часть посвящена проверочному расчету корректности локальных сетей по временным параметрам и включает в себя теоретическое описание и непосредственный расчет. 6..2.3.1 Теоретическое описание сущности проблем проверки корректности локальных сетей по временным параметрам содержит изложение основных правил и ограничений при проектировании ЛВС, а также случаев, когда необходимо проводить проверочный расчет. ^ Здесь рассмотрены общие правила проектирования ЛВС, не содержащих в своем составе Switch-ей (коммутаторов) и WAN оборудования (т.е. портов связи с глобальными сетями). Исторически сложилось так, что основная масса сетей создавалась по технологии 10Base-2 и 10Base-T. На сегодняшний день основными типами ЛВС являются сети, построенные на базе “витой пары”. Поэтому основной акцент здесь будет делаться на правила проектирования сетей стандарта 10Base-T, а также особенности и ограничения, накладываемые на эти правила при совместном их применении с другими стандартами (10Base-F, 100Base-TX, 100Base-T4 и 100VG-AnyLAN). Вначале несколько основополагающих терминов и определений:
Топология сети Выбор подходящей топологии часто является трудной задачей. Сегодня наиболее популярной топологией стала “звезда-шина”, но и она не всегда отвечает требованиям пользователей. В принципе, существует несколько критериев, помогающих выбрать ту или другую топологию, но они не дают однозначного решения, ибо не учитывают ограничений, накладываемых, например самим зданием, в котором монтируется сеть:
^ Технология 10Base-T была стандартизована только в 1990 году (стандарт IEEE 802.3). 10Base-T предусматривает построение ЛВС путем использования кабельных сегментов для создания точечных каналов связи (point-to-point links). Тем самым основной топологией становится уже не “шина”, как в 10Base-5 и 10Base-2, а “звезда”. Геометрические размеры сетей, построенных по варианту 10Base-T также зависят от затухания сигнала в передающей среде и от времени распространения сигнала. Определив другой тип кабеля, соединители и другую топологию сети, 10Base-T остается тем же самым Ethernet-ом (в логическом смысле), что и 10Base-5. В логическом смысле, концентратор - Hub это просто сегмент коаксиального кабеля из технологии 10Base-5 или 10Base-2. Правила применения технологии 10Base-T:
Примеры применения технологии 10Base-T Простейший вариант применения технологии 10Base-Т  Рисунок 5 ^ Простейший вариант сети, построенной по технологии 10Base-T - сеть с одним концентратором (см. рис. 6). Самые распространенные маломощные концентраторы имеют 8 портов. С их помощью можно организовать сеть малого офиса, которая не будет сильно расти и не нуждается в сетевом администрировании. Такое решение приемлемо для территориально сосредоточенных сетей (в пределах нескольких смежных помещений). Нужно иметь в виду, что цена “за порт” у многопортовых концентраторов ниже. Поэтому, если планируется объединить в сеть около 20-ти компьютеров, целесообразнее приобрести один 24-х портовый концентратор, чем три 8-ми портовых. ^ Один из вариантов геометрически предельных топологических схем ЛВС с применением технологии 10Base-T изображен на рисунке 7 Он не содержит ни одной пары узлов, между которыми было бы более 4-х концентраторов.  Рисунок 7- Вариант предельной топологии с применением технологии 10Base-T Резюме правил и рекомендаций стандарта IEEE 802.3 (Ethernet)
Для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы Tmin>=PDV, где Tmin –время передачи кадра минимальной длины (576 битовых интервалов); PDV (Path Delay Value)– время, за которое сигнал дважды распространится до самого дальнего узла сети (в прямом направлении – неискаженный сигнал; в обратном – сигнал с коллизией, возникшей на подходе к дальнему узлу, что соответствует худшему случаю – максимальному времени обнаружения коллизии источником). При этом условии протокол Ethernet источника обнаружит коллизию еще до того, как закончит передачу кадра, и , соответственно, примет решение о его повторной передаче. Требования, предъявляемые стандартом IEEE 802.3 подобраны таким образом, что условие Tmin>=PDV гарантированно выполняется и коллизия всегда распознается. Стандартом Ethernet IEEE 802.3 (Ethernet) предусматривается соблюдение еще одного требования при передаче кадров в сети. Сокращение межкадрового интервала PVV (Path Veriability Value) при прохождении кадров через все повторители не должно превышать 49 битовых интервалов. При отправке кадра узлы обеспечивают межкадровое расстояние 96 битовых интервалов, Тогда после прохождения повторителей оно должно быть не менее 96-49=47 битовых интервалов. Соблюдение этих двух требований обеспечит работу сети даже при нарушении простых правил (правила 4-х хабов; правила 5-4-3 и др). Комитет 802.3 приводит исходные данные о задержках, вносимых элементами сети для расчета корректности сети в таких случаях. Эти расчеты особенно нужны для сетей из смешанных кабельных систем, на которые простые правила не рассчитаны. При этом максимальная длина сегмента должна строго соответствовать соответствующей технологии. 6.2.3.2 Непосредственный проверочный расчет корректности ЛВС Расчетный метод оценки конфигурации сети основан на известной методике [4] и включает в себя два раздела:
Для обеспечения соответствия требованиям IEEE 802.3 в сети должны одновременно выполняться 2 указанных ниже условия: задержка детектирования коллизий - продолжительность двойного пути («туда и обратно») между любыми двумя точками (PDV) не должна превышать 575 bt межпакетный интервал - cокращение межкадрового интервала PVV не должно превышать 49 bt
|
плохо
1отлично
1 