Дипломная работа: Проектирование локальной сети для рабочих мест на базе сети Ethernet

Министерство образования и науки Республики Беларусь

Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники

Кафедра СиУТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

на тему:

«Проектирование локальной сети для рабочих мест на базе сети Ethernet»

Минск 2005

Содержание

1. Концепция построения, назначение и типы сетей

1.1 Архитектура локальной сети Ethernet

1.2 Два типа сетей

1.2.1 Одноранговые сети

1.2.2 Сети на основе сервера

1.3 Обзор топологии сетей

1.3.1 Шина

1.3.2 Звезда

1.3.3 Кольцо

1.3.4 Комбинированные топологии

Выводы

2. Обзор и анализ сетевого оборудования и операционных систем

2.1 Обзор сетевых кабелей и компонентов кабельной системы

2.1.1 Витая пара

2.1.2 Коаксиальный кабель

2.1.3 Волоконно-оптический кабель

2.1.4 Обзор кабельных соединений и компоновки Ethernet.

2.2 Анализ и выбор сетевого оборудования

2.2.1 Платы сетевого адаптера

2.2.2 Сетевые серверы

2.2.3 Анализ источников бесперебойного питания

2.2.4 Концентраторы

2.3 Обзор операционных систем

2.3.1 Unix/Linux

2.3.2Windows NT 4

2.3.3 NetWare

Выводы

3. Обоснование выбора аппаратно-программной платформы

3.1 Обоснование выбора среды передачи

3.2 Обоснование выбора сетевого оборудования

3.3 Обоснование выбора операционной системы

Выводы

4. Проектирование ЛВС Ethernet

4.1 Проектирование структурированной кабельной системы

4.1.1 Принцип построения СКС

4.1.2 Анализ кабельной системы

4.1.3 Расчет длины кабеля

4.2 Установка активного оборудования

4.3 Расчет потребляемой мощности источника бесперебойного питания

5. Анализ характеристик ЛВС Ethernet

6. Технико-экономическое обоснование проекта

6.1 Характеристика проекта

6.2 Сетевое планирование при проектировании локальной сети

6.3 Расчёт сметы затрат

7. Охрана труда и экологическая безопасность

7.1 Основные требования к освещению с учётом труда

7.2 Обоснование организации освещения и нормативного уровня освещённости рабочего места

7.3 Средства и способы обеспечения требуемой освещённости и равномерности светораспределения

7.4 Расчёт освещения рабочего места

Заключение

Литература

Введение

В наше время в условиях быстрого развития информационно-вычислительной техники информация выступает как один из важнейших товаров. Успех коммерческой и предпринимательской деятельности связан с банковскими, муниципальными, банковскими информационными системами, работа которых базируется на локальных вычислительных сетях (ЛВС).

Прошедшее десятилетие характеризовалось бурным развитием сетевых систем. Сети предоставляют самый эффективный в ценовом отношении способ использования компьютерной техники - коллективный. Соединив благодаря сравнительно небольшим затратам кабелями имеющиеся серверы, компьютеры, принтеры, модемы, вы получаете возможность сократить простой дорогого оборудования до минимума, сэкономив существенные суммы на его закупке и обслуживании.

В своей первоначальной форме локальные сети (Local Area Network – LAN) представляли собой не что иное, как коаксиальный кабель, соединяющий серверы с настольными терминалами, пользователи которых работали исключительно с текстовой информацией, отображаемой на монохромном мониторе с низкой разрешающей способностью.

В середине 90-х годов сети архитектуры Ethernet и Token Ring достигли пика своего развития. Однако, в отличии от первого поколения локальных сетей, кризис производительности возник отнюдь не из-за недостаточной пропускной способности. В сетях Ethernet, в частности, пропускная способность вообще не является проблемой. Напротив снижение эффективности функционирования было обусловлено другими причинами:

-           жёстокой конкуренцией за доступ к локальной сети;

-           насыщенностью доступной полосы пропускания не обязательными служебными сообщениями.

Принципиально новые типы программного обеспечения так же внесли свою лепту в раскрытие недостатков существующих сетей. Требования программного обеспечения к производительности сетей отличались от тех параметров, которые были в состоянии предоставить сети.

В настоящее время LANs превратились в локальные сети с пропускной способностью и производительностью, достаточной для традиционных форм обработки данных (например, электронной почты) и даже для таких требовательных к производительности процессора и сети клиент – приложение, как интерактивные голосовые и видеоконференции в реальном масштабе времени.

Сегодня сетевые технологии охватывают все вопросы, касающиеся совместного использования данных, программного обеспечения и компьютерной периферии, включая принтеры, модемы, многофункциональные копировальные и факсовые машины, накопители на компакт-дисках, стримеры, винчестеры и другое оборудование для хранения данных, средства доступа к Internet.

Относительно небольшая сложность и стоимость ЛВС, использующих в основном ПК, обеспечивают широкое применение сетей в автоматизации коммерческой, банковской и другой деятельности.

Всё это делает тему дипломного проекта очень актуальной в наше время.

Целью данного проекта является проектирование локальной сети для рабочих мест офиса на базе протокола Ethernet. Данная сеть должна обеспечивать подключение 48 компьютеров с учётом роста сети до 30% от существующего парка ПК(до 62 компьютеров), взаимодействие с ЛВС Token Ring. Сеть должна обеспечивать обмен между пользователями текстовой, графической информации а так же работу и использование некоторых мультимедийных приложений. Кроме этого сеть должна обеспечивать достаточную степень конфиденциальности и сохранности информации, защиту от несанкционированного доступа.

Локальную сеть необходимо спроектировать в двухэтажном здании с заданным расположением рабочих мест.

Для решения поставленной задачи необходимо было изучить структуру существующих сетей, общие принципы их построения, выбрать необходимое активное оборудование, спроектировать структурированную кабельную систему.

В первом разделе были рассмотрены основные типы сетей, существующие топологии построения сетей, дан краткий обзор ЛВС на базе протокола Ethernet 10BaseT и рассмотрены особенности работы этой сети.

Во втором разделе был дан обзор сетевых кабелей и основных компонент кабельной системы, активного сетевого оборудования не и сетевой операционной системы.

В третьем разделе был сделан выбор среды передачи, активного сетевого оборудования, сетевой операционной системы и дано обоснование данного выбора.

В четвёртом разделе была спроектирована структурированная кабельная система, рассчитана длина кабеля, мощность ИБП.

В пятом разделе произведён анализ характеристик локальной сети на базе протокола Ethernet.

В шестом разделе дано технико-экономическое обоснование проекта, произведено сетевое планирование при проектировании ЛВС Ethernet, приведён расчет сметы затрат.

В седьмом разделе, посвящённом охране труда и экологической безопасности, описываются требования к освещённости рабочих мест, и производится расчёт освещённости рабочего места оператора.

Таким образом в соответствии с поставленными задачами была спроектирована ЛВС Ethernet.

1. Концепция построения, назначение и типы сетей

1.1 Архитектура локальной сети Ethernet

Ethernet – самая популярная из используемых сегодня физическая архитектура сети. Созданная в 60-х годах в Гавайском университете как сеть ALOHA, она стала первой пакетной радиосетью, в которой используется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD).

В 1972 г. Роберт Меткалф и Девид Боффс реализовали в Xerox PARC сетевую архитектуру с кабельной системой и схемой передачи сигналов, а в 1975 г. они выпустили первый продукт Ethernet. Эта оригинальная сеть позволяла соединить более 100 компьютеров в сети со скоростью передачи данных менее 3 Мбит/с на расстоянии от одного километра.

На основе оригинальной спецификации компания Xerox, Intel и Digital создали расширенную спецификацию сети, позволяющую передавать данные со скоростью 10 Мбит/с. Данная спецификация стала основой для более позднего стандарта IEEE 802.3. В 1990 г. комитет IEEE 802.3 выпустил спецификацию для Ethernet, функционирующую на кабеле «витая пара».

Ethernet имеет шинную или звездообразную топологию, в которой используется передача сигнала в основной полосе частот и метод арбитража доступа к сети CSMA/CD. Среда передачи данных Ethernet пассивна, т.е.передачей сигналов по сети управляют компьютеры.

Ethernet осуществляет арбитраж доступа к сети по методу множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD). Это означает что в каждый момент времени сеть может использовать только одна рабочая станция. CSMA/CD функционирует аналогично старым телефонным системам применявшимся в сельских районах. При необходимости поговорить по телефону нужно было снять трубку и послушать, не использует ли кто-нибудь линию. Если линия уже занята, то нельзя было уже набрать номер или разговаривать. Приходилось просто вешать трубку и ждать, а затем снова слушать, свободна ли линия. Когда два человека одновременно набирали номер, то возникал «конфликт», и им приходилось вешать трубки и пробовать снова. Первый из них, захвативший свободную линию, получал доступ и мог позвонить.

В Ethernet рабочие станции посылают сигналы (пакеты) по сети. При возникновении конфликта они они прекращают передачу, ждут в течении случайного периода времени, а затем повторяют её. Используя подобные правила, рабочие станции должны конкурировать между собой за возможность передать информацию по сети. По этой причине Ethernet называется системой с конкуренцией за захват линии. Большинство сетей Ethernet работает со скоростью 10 Мбит/с.

Кадр Ethernet IEEE 802.3

Комитет 802ю3 определил стандартный базис для всех типов кадров Ethernet. Минимальная длина кадра составляет 24 октета, максимальная ограничена 1500 октетами, включая полезные данные и заголовки. Для идентификации получателя и отправителя каждого пакета используются заголовки. Единственное ограничение идентификации – каждый адрес должен быть уникальным и состоять из шести октетов.

Первые 12 октетов каждого пакета отводятся под целевой адрес длиной 6 октетов (адрес предполагаемого получателя) и исходный адрес (адрес отправителя). Данные адреса являются кодами адресов аппаратного уровня и часто упоминаются как МАС-адреса. В качестве МАС-адреса может выступать либо уникальный «универсально настраиваемый адрес», который автоматически присваивается всем сетевым адаптерам Ethernet во время их изготовления, либо заданный при установке адрес. Автоматически присваиваемый МАС-адрес состоит из шести двузначных шестнадцатеричных чисел, разделённых двоеточием, например, 99:02:11:D1:8F:19. Первые две пары чисел являются идентификационным номером изготовителя. Каждый изготовитель сетевых адаптеров должен быть лицензирован IEEE и получить уникальный идентификационный номер и диапазон МАС-адресов.

Настраиваемые адреса известны под названием «локально настраиваемых». Они предназначены для идентификации комнаты, отдела, владельца расширения голосовой почты и т.п. Использование локально-настраиваемых адресов может вооружить сетевого администратора чрезвычайно ценной при обнаружении неисправностей информацией. К сожалению, присвоение таких адресов может оказаться чрезвычайно сложной и длительной задачей.

Соответствующие стандарту 802 кадры могут содержать адрес единственного компьютера или ссылаться на группу рабочих станций с общей, определяемой характеристикой. Передача данных к группе машин называется многоадресной передачей.

В нормальных рабочих условиях сетевые карты Ethernet получают только те кадры, адрес получателя которых соответствует уникальному МАС-адресу карты или удовлетворяет критерию многоадресной передачи. Однако большинство сетевых адаптеров могут функционировать в режиме приёма всех сетевых пакетов, соответствующем приёму абсолютно всех пакетов локальной сети вне зависимости от адресов. Использование такого режима связано с возникновением опасности несанкционированного доступа со стороны другого пользователя локальной сети, а также с проблемой снижения производительности не только сети, но и самого компьютера.

Хотя большинство усовершенствований стандарта 802.3 по отношению к предыдущим версиям Ethernet коснулись собственного протокола, одно значительное усовершенствование было внесено и в структуру кадра 802.3. Комитету 802 был необходим самодостаточный стандарт, не зависящий от хорошего поведения других протоколов. Поэтому свойственное протоколам предыдущих версий Ethernet поле Type длиной в два октета было заменено на поле Length аналогичной длины.

Располагая заданной минимальной и максимальной длиной поля, определённой с помощью временного окна передачи сообщения в худшем случае, было необязательно определять размер кадра для клиентского протокола. Вместо этого рабочая группа 802.3 изменила назначение поля длиной в два октета, которое теперь явно определяло длину поля данных кадра, и возложила задачу идентификации протокола на LLC. Структура кадра проиллюстрирована на рис.1.1.

Рисунок 1.1. Кадр Ethernet стандарта IEEE 802.3

В кадре Ethernet стандарта IEEE 802.3 традиционное поле Type было заменено на поле Length. Вместо этого при необходимости идентификации типа протокола используется подкадр 802.2. Ещё одним усовершенствованием кадра 802.3 от предшественников является ограничение общего размера кадра в пределах от 64 до 1500 октетов, начиная от начала поля адреса получателя и до конца контрольной последовательности кадра.

Преамбула – это строка длиной в семь октетов, предшествующая каждому кадру и позволяющая синхронизировать передачу данных. Вслед за ней идёт ограничитель начала кадра (SFD). Само название этого октета говорит о его предназначении: он уведомляет о начале кадра все устройства локальной сети. За SFD следует повторяющаяся последовательность 1010101010.

SFD иногда рассматривается в качестве интегральной части преамбулы, а не части самого кадра, увеличивая тем самым размер преамбулы до восьми октетов.

Теперь рассмотрим предназначение контрольной последовательности кадра (FCS). Вычисленное значение присваивается этому полю компьютером, отсылающим кадр. Компьютер, получающий кадр, тоже знает способ вычисления значения и проверяет таким образом целостность пакета. Пакет может быть повреждён во время передачи из-за множества причин. Электромагнитные излучения, перекрёстные помехи и т.п. могут повредить пакет, не повлияв, однако, на его доставку по корректному адресу.

После получения пакета поле FCS проверяется на целостность с помощью методики циклического контроля избыточности (CRC). Принявший пакет компьютер выполняет те же вычисления, что и отославший пакет компьютер, и сравнивает полученное значение с прочитанным из поля FCS. Если значения совпали, можно быть уверенным, что прибыли корректные данные. В противном случае посылается запрос на повторную трансляцию пакета.

Ethernet 10 Мбит/с

В Ethernet применяются многие типы кабеля. В различных типах Ethernet применяются разные характеристики передачи сигналов, но во всех используется одна и та же спецификация кадров Ethernet, скорость 10 Мбит/с и арбитраж доступа CSMA/CD. Вот четыре наиболее распространённых типа кабельных систем Ethernet 10 Мбит/с:

-           10 Base 5 или толстая Ethernet с толстым коаксиальным кабелем

-           10 Base 2 или тонкая Ethernet с тонким коаксиальным кабелем

-           10 Base T, где применяется кабель типа «неэкранированная витая пара»

-           10 Base FL, в которой используется одно- или многомодовый волоконно-оптический кабель

Ethernet 100 Мбит/с

Для некоторых приложений скорости передачи 10 Мбит/с недостаточно. Существуют два конкурирующих стандарта, позволяющих увеличить традиционную производительность до 100 Мбит/с:

-           100 VG – AnyLAN

-           Ethernet 100 Base T или Fast Ethernet

При проектировании ЛВС для рабочих мест офиса на базе протокола Ethernet будет использоваться тип кабельной системы 10 Base T, который является наиболее оптимальным для небольших предприятий.

1.2 Два типа сетей

Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции характеристики. В их числе:

-           серверы компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

-           клиенты компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым серверами;

-           среда передачи способ соединения компьютеров;

-           совместно используемые данные – файлы, предоставляемые серверами по сети;

-           совместно используемые периферийные устройства, например принтеры, библиотеки CD-ROM и т.д., - ресурсы, предоставляемые серверами;

-           ресурсы – файлы, периферийные устройства и другие элементы, используемые в сети.

Несмотря на отмеченное сходство, сети разделяются на два типа:

-           одноранговые;

-           на основе сервера.

Различия между одноранговыми сетями и сетями на основе сервера принципиальны, поскольку предопределяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов:

-           размера предприятия;

-           необходимой степени безопасности;

-           вида бизнеса;

-           доступности административной поддержки;

-           объёма сетевого трафика;

-           потребностей сетевых пользователей;

-           уровня финансирования.

1.2.1 Одноранговые сети

В одноранговой сети (рис. 1.2) все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Обычно каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за всю сеть. Пользователи сами решают, какие данные на своём компьютере сделать доступными по сети.

Одноранговые сети чаще всего объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда их другое название – рабочая группа, т.е. небольшой коллектив пользователей.

Рисунок 1.2. Одноранговая сеть.

Одноранговые сети относительно просты. Этим обычно и объясняется меньшая стоимость одноранговых сетей по сравнению со стоимостью сетей на основе сервера.

Одноранговая сеть вполне подходит там, где:

-           количество пользователей не превышает 10 человек;

-           пользователи расположены компактно;

-           вопросы защиты данных не критичны;

-           в обозримом будущем не ожидается значительного расширения фирмы и, следовательно, сети.

Если эти условия выполняются, выбор одноранговой сети будет скорее всего правильным.

1.2.2 Сети на основе сервера

Если к одноранговой сети, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, подключить более 10 пользователей, она может не справиться с объёмом возложенных на неё задач. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию – они работают на основе выделенного сервера (рис. 1.3). Выделенным сервером называется такой сервер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для повышения защищённости файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

Рисунок 1.3. Сеть на основе сервера.

При увеличении размера сети и объёмов сетевого графика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно.

Основным аргументом, определяющим выбор сети на основе сервера, является, как правило, надёжность защиты данных. В таких сетях, как Windows NT, проблемами безопасности может заниматься один администратор: он формирует единую политику безопасности и применяет её в отношении каждого сетевого пользователя.

Сети на основе сервера способны поддерживать тысячи пользователей. Сетями такого размера, будь они одноранговыми, управлять было бы невозможно.

1.3 Обзор топологии сетей

Термин «топология», или «топология сети», характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология – это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной компоновки сети. Кроме термина «топология», для описания физической компоновки употребляют также следующее:

-           физическое расположение;

-           компоновка;

-           диаграмма;

-           карта.

Топология сети обуславливает её характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

-           на состав необходимого сетевого оборудования;

-           характеристики сетевого оборудования;

-           возможности расширения сети;

-           способ управления сетью.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, недостаточно. Разные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров.

Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.

Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные м