Методика курсового проектирования

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.

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

На уровне доступачасто выбираютдве 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.

На уровне распределения каждый 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.

Уровень ядра должен предоставлять три типа функций по объединению имеющихся блоков в единую сетевую систему:

• Взаимодействие VLAN за пределами строительных блоков сети (Inter-VLAN communication).
• Взаимодействие оборудования из разных строительных блоков, необходимое для определения оптимальных маршрутов следования потоков данных в разных направлениях.
• Обеспечение связи всех конечных узлов сети с корпоративными серверами и внешними сетями (частные глобальные сети и Интернет).

Для обеспечения всех этих функций ядром системы рассмотрим два подхода к построению самого ядра:

• Ядро с использованием выделенных маршрутизаторов.
• Ядро с использованием аппаратуры маршрутизации, встроенной в коммутаторы уровня распределения.

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 локальныхвычислительных сетей зданий состоит из нескольких последовательных этапов.

1. Разработка общей структуры сети здания.

Структуризация сети. Выделение и определение размеров подсетей;

Назначение IP адресов хостам, формирование масок подсетей, назначение IP адресов портам маршрутизаторов, определение состава серверов здания, их подключение и адресация.

2. Составление плана расположения элементов сети здания.
Принципы прокладки кабельной подсистемы, условные обозначения.

План этажа и расположение сетевых коммуникационных элементов, рабочих станций и серверов. Реализация требуемой пропускной способности каналов.

3.Техническое описание фрагмента сети здания (этаж).

Принцип маркировки кабельных сегментов.Трассы прокладки кабельных сегментов
Выбор обрудования для активных компонентов сети: концентраторов, коммутаторов, маршрутизаторов. Составление таблицы кабельных соединений.

4. Разработка общей структуры сети кампуса. Выбор средств объединения коммуникационных центров зданий. Назначение IP адресов портам маршрутизаторов, определение состава серверов кампуса, их подключение и адресация. Организация выхода в глобальную сеть, выбор провайдера. Выбор канала связи и обеспечение необходимой скорости передачи.

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. Планирование сети

Традиционно планирование сети состоит из трех этапов.

1. Предварительный сбор максимально возможной информации о необходимости, условиях работы и размещении сети.
2. Изучение всех возможных соответствующих вариантов реализации сети.
3. Выбор варианта с наилучшим сочетанием цены и производительности.

Такие действия по планированию сети совершенно естественны, однако требуют больших временных затрат и, соответственно достаточно трудоемки, так как при планировании сети надо учесть очень много переменных. Поэтому они, как правило, проводятся не в полном объеме. Вместо того, чтобы последовательно выбирать каждый компонент сети, обычно начинают со стандартного плана, который подходит в большинстве ситуаций, а в дальнейшем корректируют его в соответствии с конкретной задачей.. такой подход значительно быстрее и дешевле. Ниже представлена широко распространенная при установке сетей конфигурация. В такой локальной сети количество рабочих станций обычно не превышает 50. Это комбинированная сеть, Т.Е. имеет элементы и одноранговой сети, и сети на основе сервера.

Такая стандартная конфигурация годится для большинства применений и, что важно, проста в реализации. Применительно к каждому конкретному случаю можно внести соответствующие корректировки, которые будут соответствовать особым условиям работы, например, в условиях повышенного уровня помех или большого диаметра сети. Кроме того, при планировании необходимо предусмотреть возможность дальнейшего развития сети, заложив соответствующий резерв.

Схема

Воплощая план сети в жизнь, следует разработать ее структурную схему. Она поможет наглядно представить потребности всей системы. При разработке такой схемы необходимо привязать ее к плану помещений, в которых размещается сеть. Это поможет определить требования к топологии и к кабелю, а в результате представить реальную картину создаваемой сети. Если фирма, например, занимает несколько зданий, следует обратиться уже к разработке глобальной (кампусной) сети, предусматривая межсетевое взаимодействие между отдельными ЛВС зданий и вариант выхода в сеть Internet и использования электронной почты. При этом необходимо выбрать соответствующего поставщика услуг и шлюз для соединения двух различных сред.

Планирование безопасности

Основной критерий для выбора уровня защиты – важность информации. Как правило, рекомендуется централизованная защита на основе сервера. Часто выборочно наделяют пользователей правами доступа к ресурсам, создавая группы с соответствующим уровнем доступа. Сетевые серверы должны быть расположены в защищенном месте. На каждой рабочей станции должен быть предусмотрен уникальный входной пароль с периодическим обновлением. Для регистрации попыток обращения пользователей к ресурсам следует регулярно проводить аудит сети. С целью предотвращения возможности несанкционированного копирования данных следует использовать бездисковые рабочие станции. Наконец, с этой же целью можно предусмотреть шифрование данных.

Для защиты от безвозвратного разрушения данных обычно предусматривают резервное копирование по составленному плану, а также применение резервных источников бесперебойного питания.

Выход в глобальную сеть Internet

Как правило, при разработке сети необходимо предусмотреть взаимодействие ее с Internet. При этом необходимо выбрать соответствующие средства. Прежде всего это касается выбора канала связи – аналогового или цифрового. Иногда предусматривается использование для этих целей нескольких каналов. Этот выбор зависит от того, какого рода трафик будет передаваться по этим каналам:

- речь,

- электронная почта,

- небольшие файлы,

- большие файлы,

- обмен запросами и ответами с базой данных архитектуры «клиент – сервер» (сравнительно небольшой трафик),

- информация из файлов базы данных, которые хранятся на удаленном сервере и обрабатываются на компьютере – клиенте (как правило, очень интенсивный трафик).

Основываясь на этой информации, определяют приблизительную пропускную способность, которая необходима для разрабатываемой сети:

• Менее 56 Кбит/с;
• 56/64 Кбит/с
• 128 Кбит/с
• 256 Кбит/с
• 1 Мбит/с
• более 1 Мбит/с.

Далее следует выяснить, какие каналы доступа к глобальным сетям существуют в регионе расположения проектируемой сети (их тип и пропускная способность) и какой провайдер предлагает лучшее соотношение цена – производительность.

В качестве каналов доступа в зависимости от требуемой скорости передачи используют аналоговые или цифровые каналы. Наиболее часто применяются следующие каналы:

· каналы на аналоговых модемах коммутируемых и выделенных телефонных линий – скорость до 56 Кбит/с;

· передача по абонентской линии телефонной сети в цифровой форме с использование технологии xDSL (ADSL – скорость до 6,1 Мбит/с; HDSL – 2,048 Мбит/с);

· линии сетевой технологии ISDN со скоростью 64 Кбит/с – 2048 Кбит/с;

· цифровые каналы иерархии PDH (DS0 – DS4s) со скоростями 64 Кбит/с – 144 Мбит/с;

· цифровые каналы иерархии SONET/SDH (OC1 – OC24) со скоростями 51,48Мбит/с – 1,244 Гбит/с;

6.2.2. 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.

6.2.3. Разработка структурной схемы ЛВС

На данном этапе необходимо для выбранного варианта конфигурации ЛВС разработать архитектуру ЛВС:

· разработать структурную схему ЛВС,

· выбрать типы компонент ЛВС;

· рассчитать количество компонент ЛВС,

· составить спецификацию ЛВС.

При этом должны учитываться правила соединения компонентов ЛВС, основанные на стандартизации сетей и их ограничения, специфицированные изготовителями компонент ЛВС.

6..2.4 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..2.4.1 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.

ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛВС РАБОЧЕЙ ГРУППЫ [3]

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:

• Стандарт IEEE 802.3 (стандарт Ethernet) определяет локальную вычислительную сеть как коллизионную область или домен коллизий.
• Коллизия - разрушение пакета данных в канале во время передачи. Когда узел посылает пакет, он одновременно проверяет, не произошла ли во время передачи коллизия. Если коллизия происходит, то попавшие в нее узлы прекращают передачу, выдерживают паузу в течении случайного промежутка времени и повторяют передачу. Отсутствие обнаружения коллизии указывает узлу, что передача пакета прошла успешно.
• Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию, независимо от того, в какой части сети она возникла. Домен коллизий всегда соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть на несколько доменов коллизий.
• Время, по истечении которого пакет гарантированно проходит по каналам связи от источника до получателя и обратно называется “максимальным периодом кругового обращения сообщения” (maximum round-trip time). Это время определяет самую худшую ситуацию, при которой пакет пройдет от узла-отправителя на одном конце сети до места возникновения коллизии на другом конце сети и при этом сигнал о коллизии гарантированно дойдет до узла - отправителя.
• Геометрические размеры сети, которые отвечают требованиям “максимального периода кругового обращения сообщения” и определяют коллизионную область. ЛВС будет функционировать правильно только в том случае, когда все ее узлы могут быть оповещены о коллизии в течение максимального периода кругового обращения.

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:

• НАДЕЖНОСТЬ. Если нужна очень надежная сеть со встроенной избыточностью, наиболее подходят топологии “кольцо” или “звезда-кольцо”.
• СТОИМОСТЬ. В стоимость реализации определенной топологии входят, как минимум, три составляющие: а) установка, б) расширение, в) сопровождение (обслуживание, поиск неисправностей и отказов). Приходится иметь в виду, что монтаж и проверка работоспособности кабельных подсистем всегда во много раз выше его стоимости.
• НАЛИЧИЕ РАНЕЕ ПРОЛОЖЕННЫХ КОММУНИКАЦИЙ. Если в здании существуют ранее проложенные кабельные сегменты и их использование в принципе возможно, то целесообразно их использование в двух случаях: 1) объем коммуникаций велик и находится в хорошем состоянии, 2) не противоречит закладываемым в проект сети принципам.

Поиск по сайту: