Спроектировать локальную вычислительную сеть

Основные схемы: схемы здания, схема размещения сетевого оборудования и средств вычислительной техники для первого и второго зданий, построение структурной схемы сети находятся в приложении.

 

Методика расчета конфигурации сети Ethernet

 

Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для  различных стандартов физического уровня сетей Ethernet, гарантирует корректную работу сети (естественно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).

Наиболее часто приходится проверять ограничения, связанные  с длиной отдельного сегмента кабеля, а также количеством повторителей и общей длиной сети. Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей и «4-х хабов» для сетей на основе витой пары и оптоволокна не только дают гарантии работоспособности сети, но и оставляют большой «запас прочности» сети. Например, если посчитать время двойного оборота в сети, состоящей из 4-х повторителей 10Base-5 и 5-ти сегментов максимальный длины 500 м, то окажется, что оно составляет 537 битовых интервала. А так как время передачи кадра минимальной длины, состоящего вместе с преамбулой 72 байт, равно 575 битовым интервалам, то видно, что разработчики стандарта Ethernet оставили 38 битовых интервала в качестве запаса для надежности. Тем не менее комитет 802.3 говорит, что и 4 дополнительных битовых интервала создают достаточный запас надежности.

Комитет IEEE 802.3 приводит исходные данные о задержках, вносимых повторителями и различными средами передачи данных, для тех специалистов, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную общую длину сети, не довольствуясь теми значениями, которые приведены в правилах «5-4-3» и «4-х хабов». Особенно такие расчеты полезны для сетей, состоящих из смешанных кабельных систем, например коаксиала и оптоволокна, на которые правила о количестве повторителей не рассчитаны. При этом максимальная длина каждого отдельного физического сегмента должна строго соответствовать стандарту, то есть 500 м для «толстого» коаксиала, 100 м для витой пары и т.д.

Чтобы сеть Ethernet, состоящая  из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:

• количество станций в сети не более 1024;
• максимальная длина каждого физического сегмента не более величины, определенной в соответствующем стандарте физического уровня;
• время двойного оборота сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;
• сокращение межкадрового интервала IPG (Path Variability Value, PW) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервала, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше, чем 96 - 49 = 47 битовых интервала.

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м. 

Выбор оборудования

 

Сетевое оборудование —  устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например: маршрутизатор, коммутатор, концентратор, патч-панель и др.

Можно выделить активное и пассивное сетевое оборудование.

Активное сетевое  оборудование

Под этим названием подразумевается  оборудование, за которым следует некоторая «интеллектуальная» особенность. То есть маршрутизатор, коммутатор (свитч) и т.д. являются активным сетевым оборудованием. Напротив — повторитель (репитер) и концентратор (хаб) не являются активным сетевым оборудованием, так как просто повторяют электрический сигнал для увеличения расстояния соединения или топологического разветвления и ничего «интеллектуального» собой не представляют. Но управляемые хабы относятся к активному сетевому оборудованию, так как могут быть наделены некой «интеллектуальной особенностью».

 

Пассивное сетевое  оборудование

Под пассивным сетевым  оборудованием подразумевается  оборудование, не наделенное «интеллектуальными»  особенностями. Например - кабельная  система: кабель (коаксиальный и витая пара (UTP/STP)), вилка/розетка (RG58, RJ45, RJ11, GG45), повторитель (репитер), патч-панель, концентратор (хаб), балун (balun) для коаксиальных кабелей (RG-58) и т.д. Также, к пассивному оборудованию можно отнести монтажные шкафы и стойки, телекоммуникационные шкафы. Монтажные шкафы разделяют на: типовые, специализированные и антивандальные. По типу монтажа: настенные и напольные и другие.

При проектировании данной сети потребуется следующее сетевое оборудование:

- концентратор 16 портовый – 7 шт.,

- коммутатор 2 шт. для осуществления межсетевого обмена между 2-мя зданиями посредством толстого коаксиального кабеля,

- устройство типа «мост» - 2 шт. Для организации взаимодействия между сетями с различными топологиями и передающими средами. Их роль выполняют специализированные устройства типа «мост».

 

 

Расчет надежности сети

 

В данной сети используются следующие вероятности:

• вероятность безотказной работы кабелей не менее 92%;
• вероятность безотказной работы рабочих станций от 85% до 95%;
• вероятность безотказной работы коммутатора (например, D-Link DES1016 (16 портов)) приблизительно 98%;
• вероятность безотказной работы точки доступа приблизительно 98%;
• в случае использования сервера, его вероятность безотказной работы колеблется в пределах от 99,5% до 99,9%.

Так как все коммутаторы  в сети с топологией звезда соединены параллельно, только выход из строя центрального коммутатора приведет к полному «падению» сети.

Отказ компьютера в топологии  «звезда» не выводит сеть из строя.

В сети с топологией «шина» и «кольцо» выход из строя любого компьютера приведет к полному «падению» сети с данной топологией.

На основе этих утверждений  построим структурную схему надёжности для локальной сети.

 

 

Для расчета вероятности  безотказной работы системы воспользуемся  следующими формулами:

Для последовательного соединения:

,

где n - количество элементов;

- интенсивность отказов системы.

Для параллельного соединения, формула имеет вид:

.

Сначала мы воспользуемся  формулой для последовательного соединения для каждого ПК и соответствующей ему линии связи, затем для полученных результатов воспользуемся формулой параллельного соединения, после чего опять воспользуемся формулой последовательного соединения для полученного результата и коммутатора, а так же сервера с его линией связи, в случае сети на основе сервера.

 

Рассчитаем надежность сети для последовательных сегментов здания 1.

Последовательными в данной сети будут являться 1 сегменты.

 

P_сег1 = P_{концентратор}*(Р_пк*Р_{линии связи}) ⁿ=0,98*(0,90*0,92)⁸=0,22=22%

 

Рассчитаем надежность сети для параллельных сегментов здания 1, где все ПК равны и линии связи равны.

Параллельными в данной сети будут являться 2-4 сегменты.

 

P_сег2 = P_{концентратор}*(1-(1-Р_пк*Р_{линии связи})ⁿ)=0,98*(1-(1-0,90*0,92)⁸)=0,98=98%

 

Надежность всей сети здания 1 составляет:

 

Р_сети = P_сег1 *P_сег2 *P_сег3 *P_сег4 =0,22*0,98*0,98*0,98 = 0,21 =21%

 

Аналогично рассчитаем надежность параллельного 5 сегмента и последовательных 6,7,8 сегментов сети для второго здания.

 

Рассчитаем надежность общей сети для обоих зданий.

 

Р_{общ.сети}=1-(1-Р_зд.1)*(1-Р_зд.2)=0,37=37%

 

 

Расчет PDV

 

Время двойного оборота сигнала (Path Delay Time, PDV) между двумя наиболее удаленными друг от друга узлами сети не должно превышать 575 битовых интервалов.

 

Параметры для  расчета PDV

Тип сегмента	Макс. длина сегмента, м	База левого сегмента, bt	База промежуточного сегмента, bt	База правого сегмента, bt	Задержка среды на 1м, bt
10Base-5	500	11,8	46,5	169,5	0,087
10Base-2	185	11,8	46,5	169,5	0,103

 

Левым сегментом является сегмент, к которому подключен конечный узел-передатчик сигнала; правым-приемник. Все остальные сегменты-промежуточные.  Базой сегмента называется суммарная задержка в повторителе, входном и выходном трансивере; кроме того с каждым сегментом связана задержка сигнала в кабеле. Так как в наихудшем случае, коллизия происходит в правом сегменте (самом удаленном от передатчика), база правого сегмента значительно превышает базу левого. Если оконечные сегменты сети неодинаковы по физической природе, например коаксиал и оптоволокно, то расчет необходимо провести дважды-считая каждый из оконечных сегментов сначала левым, а затем правым. За значение PDV в этом случае принимают максимальное из двух; оно не должно превышать 575 битовых интервалов.

Произведем расчет для  Здания 1:

 

Левый сегмент 1: 11,8+176*0,103=29,93 bt 
Промежуточный сегмент 9,10,11: 3*(46,5+20*0,103)=145,68 bt 
Правый сегмент 4: 169,5+176*0,103=187,63 bt

 

Итого : PDV=363,24 bt, т.е. менее 575 bt (запас составляет 211,80 bt, в то время как в соответствии с рекомендациями IEEE достаточно 2-4 bt).

Произведем расчет для  Здания 2:

 

Левый сегмент 5: 11,8+185*0,103=30,86 bt 
Промежуточный сегмент 13,14: 2*(46,5+20*0,103)=97,12 bt 
Правый сегмент 8: 169,5+176*0,103=187,63 bt

 

Итого : PDV=315,61 bt, т.е. менее 575 bt (запас составляет 259,40 bt, в то время как в соответствии с рекомендациями IEEE достаточно 2-4 bt).

 

Расчет должен проводиться дважды, при распространении сигнала в обе стороны, т.к. результат может быть разный в случае несимметричной сети. Если хотя бы в одном случае по PDV не выполняется, сеть будет терять кадры из-за пропуска коллизий. 

Проведем расчет в  обратную сторону для Здания 1:

 

Правый сегмент 4: 11,8+176*0,103=29,93 bt

Промежуточный сегмент 9,10,11: 3*(46,5+20*0,103)=145,68 bt 
Левый сегмент 1: 169,5+176*0,103=187,63 bt

 

Итого : PDV=363,24 bt, т.е. менее 575 bt (запас составляет 211,80 bt, в то время как в соответствии с рекомендациями IEEE достаточно 2-4 bt).

Произведем расчет для  Здания 2:

 

Правый сегмент 8: 11,8+176*0,103=187,81 bt 
Промежуточный сегмент 13,14: 2*(46,5+20*0,103)=97,12 bt 
Левый сегмент 5: 169,5+185*0,103=188,56 bt

 

Итого : PDV=473,50 bt, т.е. менее 575 bt (запас составляет 101,50 bt, в то время как в соответствии с рекомендациями IEEE достаточно 2-4 bt).

 

Вывод

 

Надежность сети будет выше в случае использовании топологии с параллельным размещением элементов. Таким образом, для повышения отказоустойчивости сети в целом целесообразно при проектировании использовать только топологию типа «звезда».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей / В.М. Вишневский. - М.: Триумф, 2001. – 510 с.
2. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей / М. Гук. – СПб.: Питер, 2005. – 573 с.
3. Олифер Н.А., Олифер В.Г. Базовые технологии локальных сетей                     / Н.А. Олифер, В.Г. Олифер. - СПб.: Питер, 2002. – 668 с.

Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / А.П. Пятибратов. – М.: Финансы и  статистика, 2003. – 512 с.

4. Пескова С.А., Кузин А.В., Волков А.Н. Сети и телекоммуникации. - М.: «Академия». – 2004. – 456 с.
5. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. – СПб.: Питер, 2001. – 672 с.
6. Закер К. Компьютерные сети. Модернизация и поиск неисправностей.: Пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 1008 с.
7. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / В.Л. Бройдо. – СПб.: Питер, 2003. – 688 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение  А

Общий план всех этажей здания 1 и здания 2

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Б

Построение структурной  схемы сети