Локальные вычислительные сети

УКРАИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра "Специализированные компьютерные системы"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине "Сети компьютерных систем"

"Проектирование локальной вычислительной сети"

Выполнил:

студент Хомутов С. Е.

Проверил

преподаватель Добрянский В. М.

ХАРЬКОВ-2008

Реферат

В данной работе содержится страниц описания, рисунков, таблиц, литературных источников.

Курсовой проект состоит из двух разделов: реферативная часть на тему “Стек протоколов TCP/IP” и практическая часть на тему: “Проектирование локальной вычислительной сети ”.

Содержание

Перечень используемых сокращений

Реферативная часть

Введение

1 Многоуровневая структура стека TCP/IP

2 Уровень межсетевого взаимодействия

3 Основной уровень

4 Прикладной урівень

5 Уровень сетевых интерфейсов

6 Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели ISO/OSI

Выводы

Практическая часть

7 Проектирование локальной вычислительной сети

Заключение

Список использованных источников

Перечень используемых сокращений

ОС – операционная система

ПК – персональный компьютер

ЛВС – локальная вычислительная сеть

Switch – коммутатор

HUB - концентратор

UTP – неэкранированная витая пара

AMP – оптоволоконный кабель

Реферативная часть.Стек протоколов TCP/IP

Введение

В настоящее время стек TCP/IP является самым популярным средством организации составных сетей. На рисунке 1 показана доля, которую составляет тот или иной стек протоколов в общемировой инсталляционной сетевой базе. До 1996 года бесспорным лидером был стек IPX/SPX компании Novell, но затем картина резко изменилась - стек TCP/IP по темпам роста числа установок намного стал опережать другие стеки, а с 1998 года вышел в лидеры и в абсолютном выражении. Именно поэтому дальнейшее изучение функций сетевого уровня будет проводиться на примере стека TCP/IP.

Рисунок 1 – Стек TCP/IP становится основным средством построения составных сетей

1 Многоуровневая структура стека TCP/IP

В стеке TCP/IP определены 4 уровня (рис. 2). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.

Рисунок 2 – Многоуровневая архитектура стека TCP/IP

2 Уровень межсетевого взаимодействия

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

3 Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу -обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами -решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (TransmissionControlProtocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (UserDatagramProtocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на

одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

4 Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

5 Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий. Например, документ RFC 1042 определяет способы инкапсуляции IP-пакетов в кадры технологий IEEE 802. Для этих целей должен использоваться заголовок LLC/ SNAP, причем в поле Type заголовка SNAP должен быть указан код 0х0800. Только для протокола Ethernet в RFC 1042 сделано исключение - помимо заголовка LLC/ SNAP разрешается использовать кадр Ethernet DIX, не имеющий заголовка LLC, зато имеющий поле Type. В сетях Ethernet предпочтительным является инкапсуляция IP-пакета в кадр Ethernet DIX.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (спецификация RFC 1577, определяющая работу IP через сети АТМ, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов этой технологии).

6 Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели

ISO/OSI

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно (рис. 3). Рассматривая многоуровневую архитектуру TCP/IP, можно выделить в ней, подобно архитектуре OSI, уровни, функции которых зависят от конкретной технической реализации сети, и уровни, функции которых ориентированны на работу с приложениями (рис. 4).

Рисунок 3 – Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели OSI

Рисунок 4 – Сетезависимые и сетенезависимые уровни стека TCP/IP

Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP работают на компьютерах, выполняющих приложения пользователей. Даже полная смена сетевого оборудования в общем случае не должна влиять на работу приложений, если они получают доступ к сетевым возможностям через протоколы прикладного уровня.

Протоколы транспортного уровня уже более зависят от сети, так как они реализуют интерфейс к уровням, непосредственно организующим передачу данных по сети. Однако, подобно протоколам прикладного уровня, программные модули, реализующие протоколы транспортного уровня, устанавливаются только на конечных узлах. Протоколы двух нижних уровней являются сетезависимыми, а следовательно, программные модули протоколов межсетевого уровня и уровня сетевых интерфейсов устанавливаются как на конечных узлах составной сети, так и на маршрутизаторах.

Каждый коммуникационный протокол оперирует с некоторой единицей передаваемых данных. Названия этих единиц иногда закрепляются стандартом, а чаще просто определяются традицией. В стеке TCP/IP за многие годы его существования образовалась устоявшаяся терминология в этой области (рис. 5).

Рисунок 5 – Название единиц данных, используемые в TCP/IP

Потоком называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня TCP и UDP.

Протокол TCP нарезает из потока данных сегменты.

Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграммой (или датаграммой). Дейтаграмма - это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол межсетевого взаимодействия IP.

Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом.

В стеке TCP/IP принято называть кадрами (фреймами) единицы данных протоколов, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. При этом не имеет значения, какое название используется для этой единицы данных в локальной технологии.

Выводы

1) Составная сеть (internetwork или internet) - это совокупность нескольких сетей, называемых также подсетями (subnet), которые соединяются между собой маршрутизаторами. Организация совместной транспортной службы в составной сети называется межсетевым взаимодействием (internetworking).

2) В функции сетевого уровня входит: передача пакетов между конечными узлами в составных сетях, выбор маршрута, согласование локальных технологий отдельных подсетей.

3) Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы и конечные узлы на основе таблиц маршрутизации. Записи в таблицу могут заноситься вручную администратором и автоматически протоколами маршрутизации.

4) Протоколы маршрутизации (например, RIP или OSPF) следует отличать от собственно сетевых протоколов (например, IP или IPX). В то время как первые собирают и передают по сети чисто служебную информацию о возможных маршрутах, вторые предназначены для передачи пользовательских данных.

5) Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются в виде программных модулей на конечных узлах-компьютерах и на промежуточных узлах - маршрутизаторах.

6) Маршрутизатор представляет собой сложное многофункциональное устройство, в задачи которого входит: построение таблицы маршрутизации, определение на ее основе маршрута, буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, поддержка сетевых интерфейсов. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.

7) Для алгоритмов маршрутизации характерны одношаговый и многошаговый подходы. Одношаговые алгоритмы делятся на алгоритмы фиксированной, простой и адаптивной маршрутизации. Адаптивные протоколы маршрутизации являются наиболее распространенными и в свою очередь могут быть основаны на дистанционно-векторных алгоритмах и алгоритмах состояния связей.

8) Наибольшее распространение для построения составных сетей в последнее время получил стек TCP/IP. Стек TCP/IP имеет 4 уровня: прикладной, основной, уровень межсетевого взаимодействия и уровень сетевых интерфейсов. Соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям: традиционные сетевые службы типа telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP, а также сравнительно новые, такие, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

9) На основном уровне стека TCP/IP, называемом также транспортным, функционируют протоколы TCP и UDP. Протокол управления передачей TCP решает задачу обеспечения надежной информационной связи между двумя конечными узлами. Дейтаграммный протокол UDP используется как экономичное средство связи уровня межсетевого взаимодействия с прикладным уровнем.

10) Уровень межсетевого взаимодействия реализует концепцию коммутации пакетов в режиме без установления соединений. Основными протоколами этого уровня являются дейтаграммный протокол IP и протоколы маршрутизации (RIP, OSPF, BGP и др.). Вспомогательную роль выполняют протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP, протокол группового управления IGMP и протокол разрешения адресов ARP.

11) Протоколы уровня сетевых интерфейсов обеспечивают интеграцию в составную сеть других сетей. Этот уровень не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д., для глобальных сетей - Х.25, frame relay, PPP, ISDN и т. д.

12) В стеке TCP/IP для именования единиц передаваемых данных на разных уровнях используют разные названия: поток, сегмент, дейтаграмма, пакет, кадр.

Практическая часть

7 Проектирование локальной вычислительной сети

В соответствии с заданием требуется спроектировать ЛВС ООО. Исходными данными для проекта являются следующие:

- 47 компьютеров;

- 8 помещений;

- 3 управляющих сервера;

- 8 принтеров;

- 10 Мбит/с скорость передачи;

- 1550 м диаметр сети.

Помещения ООО будут размещены в двух корпусах. Планы расположения помещений в главном и во втором корпусах, соответственно, представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – План главного корпуса предприятия

В главном корпусе расположены такие помещения:

- потребительский отдел;

- информационный центр;

- вычислительный центр;

- архив.

Во втором корпусе находятся:

- помещение проектировочной;

- отдел обслуживания клиентов;

- отдел коммерческих предложений

- комната маркетологов.

Рисунок 7 – План второго корпуса ООО

Размещение сетевого оборудования будет производится для всех помещений ООО.

До появления необходимости проектирования ЛВС на всех компьютерах предприятия были установлены операционные системы Windows 98. На сегодняшний день эта ОС устарела и не обеспечивает большинство требований к сетевому функционированию. Поэтому в смете затрат на проектирование ЛВС будут предусмотрены затраты на приобретение ОС WindowsXP.

Компьютеры по помещениям ООО были распределены следующим образом. В потребительском отделе и информационном центре находилось по 9 ПК. Принтеры 1-3 подключены к ПК1, ПК5, ПК12, соответственно. В вычислительном центре - 8 ПК и 1 принтер. В помещении архива расположен 1 ПК. В проектировочной 2-ого корпуса установлены 7 ПК и 1 сетевой принтер, в отделе коммерческих предложений - 8ПК и 1 сетевой принтер, в отделе обслуживания клиентов – 1 ПК и 1 сетевой1 принтер. В отделе маркетологов находится 3 ПК.

На первом этапе проектирования ЛВС необходимо решить вопрос о связи двух корпусов, т.е. выбрать кабельную систему. Диаметр сети по заданию составляет 1550 м при необходимой скорости передачи 10 Мбит/с, следовательно, оптимальным вариантом в этом случае будет организация кабельной системы на базе оптоволоконного кабеля 10BASE-FL (максимальный диаметр сети 2 км).

Рисунок 8 ST-разъем для оптоволоконного кабеля

Стандартный оптоволоконный кабель 10BASE-FL должен иметь на обоих концах оптоволоконные байонетные ST-разъемы, показанные на рис. 8 (стандарт BFOC/2.5). Присоединение этого разъема к трансиверу или концентратору не сложнее, чем BNC-разъема в сети 10BASE2. Используются также разъемы типа SC, присоединяемые подобно RJ-45 путем простого вставления в гнездо.

В соответствии со стандартом, в 10BASE-FL используется мультимодо-вый кабель и свет с длиной волны 850 нм, хотя в перспективе не исключен переход на одномодовый кабель. Суммарные оптические потери в сегменте (как в кабеле, так и в разъемах) не должны превышать 12,5 дБ. При этом потери в кабеле составляют около 4-5 дБ на километр длины кабеля, а потери в разъеме - от 0,5 до 2,0 дБ (эта величина сильно зависит от качества установки разъема). Только при таких величинах потерь можно гарантировать устойчивую связь на предельной длине кабеля.

Аппаратура 10BASE-FL имеет сходство как с аппаратурой 10BASE5 (здесь тоже применяются внешние трансиверы, соединенные с адаптером трансиверным кабелем), так и с аппаратурой 10BASE-T (здесь также применяется топология «пассивная звезда» и два разнонаправленных кабеля).

Оптоволоконный трансивер называется FOMAU (Fiber Optic MAU). Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме. FOMAU также формирует и контролирует сигнал целостности линии связи, передаваемый в паузах между передаваемыми пакетами. Целостность линии связи, как и в случае 10BASE-T, индицируется све-тодиодами «Link». Для присоединения трансивера к адаптеру применяется стандартный АШ-кабель, такой же, как и в случае 10BASE5, но длина его не должна превышать 25 м.

Длина оптоволоконных кабелей, соединяющих трансивер и концентратор, может достигать 2 км без применения каких бы то ни было ретрансляторов. Таким образом возможно объединение в локальную сеть компьютеров, находящихся в разных зданиях, сильно разнесенных территориально.

ПК потребительского отдела, информационного и вычислительного центров, а, также частично отдела комерческих предложений взаимодействуют в сети на базе стандартф 10Base-2 (среда передачи - "тонкий" (около 6 мм в диаметре) коаксиальный кабель (RG-58 различных модификаций) с волновым сопротивлением 50 Ом).

Коммутатор 1, который находится в отделе обслуживания клиентов, будет объединять ПК отдела маркетологов, отдела обслуживания клиентов, проектировочной и частично ПК отдела комерческих предложений. На этих участках сети организована передача со скоростью 100 Мбит/с по стандарту 100Base-TX. 100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP категории 5. Максимально допустимое расстояние от станции до концентратора 100 м, как и в 10Base-T , но в связи с изменением скорости распространения сигналов диаметр сети стандарта 100Base-T ограничен 200 м.

Связь каждого ПК с коммутатором осуществляется с помощью неэкранированной витой пары 5 категории (UTP) 5 категории. Для этого со стороны коммутатора и со стороны сетевой платы ПК имеется разъём RJ-45.

Размещение сетевого оборудования графически представлено на рисунках 9 и 10, соответственно.

Для проетирования сети необходима закупка дополнительного сетевого оборудования, в том числе – сетевые принтеры (8 шт по заданию), сервера (3 шт по заданию), коммутаторы (1шт) и необходимой длины кабель, а также сопутствующие коннекторы и т.п.

Организуем распределение сетевого оборудования по помещениям предприятия в виде таблицы (табл. 1)

Рисунок 10 - Размещение сетевого оборудования во втором корпусе ООО

Таблица 1 - Распределение сетевого оборудования по помещениям предприятия

Далее произведем расчёт длины и стоимости необходимого кабеля (таблица 2).

Таблица 2 - Расчет длины и стоимости кабеля

В таблице 3 будет указано дополнительное оборудование и его стоимость.

Таблица 3 – Наименование используемого оборудования и его стоимость

Таблица 4 – Наименование используемого программного обеспечения и его стоимость

Проссумируем итоговые рассчитанные затраты по таблицам 2 - 4.

Таким образом, получим размер денежных средств, необходимых для проектирования сети: 12729,5 +40275,4+34920= 87924,9 грн.

Заключение

В данном курсовом проекте была описана тема «Стек протоколов TCP/IP», были рассмотрены уровни межсетевого взаимодействия. Уделено внимание рассмотрению вопроса о соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели OSI. Произведён расчёт сети для предприятия. Были выбраны оптимальные с точки зрения экономических затрат и пропускной способности стандарты передачи данных и типы кабельной системы.

Список использованных источников

1. Н. Олифер, В. Олифер. Базовые технологии локальных сетей

2. Б. М. Каган. Электронные вычислительные машины и системы

3. Курс «Cisco Intеrnetworking technology overview».

4. Н. Олифер, В. Олифер. Высокоскоростные технологии ЛВС.