Тема: Локальная вычислительная сеть

ТЕМА: Построение локальных сетей

Топологии сетей

Топология - это способ физического соединения компьютеров в локальную сеть.

Существует три основных топологии, применяемые при построении компьютерных сетей:

- топология "Шина";

- топология "Звезда";

- топология "Кольцо".

При создании сети с топологией «Шина» все компьютеры подключаются к одному кабелю (рисунок 1.1). На его концах должны быть расположены терминаторы. По такой топологии строятся 10 Мегабитные сети 10Base-2 и 10Base-5. В качестве кабеля используется Коаксиальные кабели.

Рисунок 1.1 – Топология «Шина»

Пассивная топология, строится на использовании одного общего канала связи и коллективного использования его в режиме разделения времени. Нарушение общего кабеля или любого из двух терминаторов приводит к выходу из строя участка сети между этими терминаторами (сегмент сети). Отключение любого из подключенных устройств на работу сети никакого влияния не оказывает. Неисправность канала связи выводит из строя всю сеть. Все компьютеры в сети «слушают» несущую и не участвуют в передаче данных между соседями. Пропускная способность такой сети снижается с увеличением нагрузки или при увеличении числа узлов. Для соединения кусков шины могут использоваться активные устройства - повторители (repeater) с внешним источником питания.

Топология «Звезда» предполагает подключение каждого компьютера отдельным проводом к отдельному порту устройства, называемого концентратором или повторителем (репитер), или хабом (Hub) (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Топология «Звезда»

Концентраторы могут быть как активные, так и пассивные. Если между устройством и концентратором происходит разрыв соединения, то вся остальная сеть продолжает работать. Правда, если этим устройством был единственный сервер, то работа будет несколько затруднена. При выходе из строя концентратора сеть перестанет работать.

Данная сетевая топология наиболее удобна при поиске повреждений сетевых элементов: кабеля, сетевых адаптеров или разъемов. При добавлении новых устройств «звезда» также удобней по сравнению с топологией общая шина. Также можно принять во внимание, что 100 и 1000 Мбитные сети строятся по топологии «Звезда».

Топология «Кольцо» активная топология. Все компьютеры в сети связаны по замкнутому кругу (рисунок 1.3). Прокладка кабелей между рабочими станциями может оказаться довольно сложной и дорогостоящей, если они расположены не по кольцу, а, например, в линию. В качестве носителя в сети используется витая пара или оптоволокно. Сообщения циркулируют по кругу. Рабочая станция может передавать информацию другой рабочей станции только после того, как получит право на передачу (маркер), поэтому коллизии исключены. Информация передается по кольцу от одной рабочей станции к другой, поэтому при выходе из строя одного компьютера, если не принимать специальных мер выйдет из строя вся сеть.

Время передачи сообщений возрастает пропорционально увеличению числа узлов в сети. Ограничений на диаметр кольца не существует, т.к. он определяется только расстоянием между узлами в сети.

Кроме приведенных выше топологий сетей широко применяются т. н. гибридные топологии: «звезда-шина», «звезда-кольцо», «звезда-звезда».

Рисунок 1.3 – Топология «Кольцо»

Кроме трех рассмотренных основных, базовых топологий нередко применяется также сетевая топология «дерево» (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Как и в случае звезды, дерево может быть активным, или истинным, и пассивным. При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы).

Применяются довольно часто и комбинированные топологии, среди которых наибольшее распространение получили звездно-шинная и звездно-кольцевая. В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. В этом случае к концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты, то есть на самом деле реализуется физическая топология «шина», включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. Таким образом, пользователь получает возможность гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети.

В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы, к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов все линии связи образуют замкнутый контур. Данная топология позволяет комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети.

В данном курсовом проекте будет использоваться топология «звезда», которая обладает следующими преимуществами:

1. выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;

2. хорошая масштабируемость сети;

3. лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

4. высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);

5. гибкие возможности администрирования.

Кабельная система

Выбор кабельной подсистемы диктуется типом сети и выбранной топологией. Требуемые же по стандарту физические характеристики кабеля закладываются при его изготовлении, о чем и свидетельствуют нанесенные на кабель маркировки. В результате, сегодня практически все сети проектируются на базе UTP и волоконно-оптических кабелей, коаксиальный кабель применяют лишь в исключительных случаях и то, как правило, при организации низкоскоростных стеков в монтажных шкафах.

В проекты локальных вычислительных сетей (стандартных) закладываются на сегодня всего три вида кабелей:

коаксиальный (двух типов):

- тонкий коаксиальный кабель (thin coaxial cable);

- толстый коаксиальный кабель (thick coaxial cable).

витая пара (двух основных типов):

- неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair - UTP);

- экранированная витая пара (shielded twisted pair - STP).

волоконно-оптический кабель (двух типов):

- многомодовыйкабель (fiber optic cable multimode);

- одномодовыйкабель (fiber optic cable single mode).

Не так давно коаксиальный кабель был самым распространенным типом кабеля. Это объясняется двумя причинами: во-первых, он был относительно недорогим, легким, гибким и удобным в применении; во-вторых, широкая популярность коаксиального кабеля привела к тому, что он стал безопасным и простым в установке.

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы, изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки.

Если кабель кроме металлической оплетки имеет и слой «фольги», он называется кабелем с двойной экранизацией (рисунок 1.4). При наличии сильных помех можно воспользоваться кабелем с учетверенной экранизацией, он состоит из двойного слоя фольги и двойного слоя металлической оплетки.

Рисунок 1.4 – Структура коаксиального кабеля

Оплетка, ее называют экраном, защищает передаваемые по кабелям данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы, называемые помехами или шумом, таким образом, экран не позволяет помехам исказить данные.

Электрические сигналы передаются по жиле. Жила – это один провод или пучок проводов. Жила изготавливается, как правило, из меди. Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе произойдет короткое замыкание и помехи исказят данные.

Коаксиальный кабель более помехоустойчивый, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре.

Затухание – это уменьшение величины сигнала при его перемещении по кабелю.

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий кабель диаметром около 5 мм. Он применим практически для любого типа сетей. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера с помощью Т-коннектора.

У кабеля разъемы называются BNC коннекторы. Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстоянии 185 м, без его замедленного затухания.

Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG– 58. Основная отличительная особенность этого семейства медная жила.

RG 58/U – сплошная медная жила.

RG 58/U – переплетенные провода.

RG 58 C/U- военный стандарт.

RG 59 – используется для широкополосной передачи.

RG 62 – используется в сетях Archet.

Толстый коаксиальный кабель относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см. Иногда его называют стандартом Ethernet, потому что этот тип кабеля был предназначен для данной сетевой архитектуры. Медная жила этого кабеля толще, чем у тонкого кабеля, поэтому он передает сигналы дальше. Для подключения к толстому кабелю применяют специальное устройство трансивер.

Трансивер снабжен специальным коннектором, который называется «зуб вампира» или пронзающий ответвитель. Он проникает через изоляционный слой и вступает в контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру надо кабель трансивера подключить к коннектору AUI – порта к сетевой плате.

Витая пара – это два перевитых вокруг друг друга изоляционных медных провода. Существует два типа тонкого кабеля: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP) (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Неэкранированная и экранированная витая пара

Несколько витых пар часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками (двигателями, трансформаторами).

Неэкранированная витая пара (спецификация 10 Base T) широко используется в ЛВС, максимальная длина сегмента составляет 100 м.

Неэкранированная витая пара состоит из 2х изолированных медных проводов. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины – в зависимости от назначения кабеля.

Существует 5 категорий неэкранированной витой пары:

1) Традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь.

2) Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из 4х витых пар.

3) Кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из 4х витых пар с 9-ю витками на метр.

4) Кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с. Состоит из 4х витых пар.

5) Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из 4х витых пар медного провода.

Одной из потенциальных проблем для всех типов кабелей являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи – это перекрестные наводки, вызванные сигналами в смежных проводах. Неэкранированная витая пара особенно страдает от этих помех. Для уменьшения их влияния используют экран.

Кабель, экранированной витой пары (STP) имеет медную оплетку, которая обеспечивает большую защиту, чем неэкранированная витая пара. Пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара обладает прекрасной изоляцией, защищающей передаваемые данные от внешних помех.

Следовательно, STP по сравнению с UTP меньше подвержена воздействию электрических помех и может передавать сигналы с большей скоростью и на большие расстояния.

Для подключения витой пары к компьютеру используют телефонные коннекторы RG- 45.

Рисунок 1.6 – Структура оптоволоконного кабеля

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя скрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается.

Оптическое волокно – чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой, покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления (рисунок 1.6). Иногда оптоволокно производят из пластика, он проще в использовании, но имеет худшие характеристики по сравнению со стеклянным.

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи сигнала, другой для приема.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется с чрезвычайно высокой скоростью (в настоящее время до 100Мбит/сек, теоретически возможная скорость – 200000 Мбит/сек). По нему можно передавать данные на многие километры.

Тема: Объединение локальных сетей

Виды компьютерных сетей

Одним из самых значительных достижений прошлого века считается развитие информационных технологий — компьютерных технологий хранения, преобразования и передачи информации. Важнейшую роль в информационном скачке человечества сыграло создание коммуникационных компьютерных сетей. 
Совокупность компьютеров, взаимосвязанных между собой каналами передачи информации и распределенных по некоторой территории, называется компьютерной сетью. Существующие в настоящий момент многочисленные компьютерные сети принято делить по так называемому территориальному признаку. Согласно этой градации, сети бывают: 
GAN (Global Area Network – глобальная сеть), общее планетное соединение компьютерных сетей - Интернет; 
WAN (Wide Area Network – широкомасштабная сеть), континентальное на уровне государства объединение компьютерных сетей; 
MAN (Metropolitan Area Network – междугородняя сеть), междугороднее и областное объединение компьютерных сетей; 
LAN (Local Area Network – локальная сеть) сетевое соединение, функционирующее обычно в стенах одной организации. 
WAN и MAN – региональные сети. Деление на WAN и MAN компьютерные сети в настоящее время является весьма условным, поскольку сейчас каждая региональная сеть представляет собой, как правило, часть какой-нибудь глобальной сети. 
Многие организации, заинтересованные в защите информации от несанкционированного доступа (например, военные, банковские и пр.), создают собственные, так называемые корпоративные сети. Корпоративная сеть может объединять тысячи и десятки тысяч компьютеров, размещенных в различных странах и городах (в качестве примера можно привести сеть корпорации Microsoft, MSN).

Локальная компьютерная сеть

Важной отличительной особенностью любой локальной сети является то, что для соединения компьютеров в такой сети не нужно использовать телефонную сеть — компьютеры расположены достаточно близко друг от друга и соединяются кабелем. Локальные сети в производственной практике играют очень большую роль. Посредством ЛС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих станциях, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети. 
Разделение ресурсов: разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такие как лазерное печатающее устройство, со всех присоединенных рабочих станций. 
Разделение данных: разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. 
Разделение программных средств: разделение программных средств, предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств. 
Разделение ресурсов процессора: при разделение ресурсов процессора возможно использование компьютерных мощностей для обработки данных другими системами , входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не "набрасываются" моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции. 
Многопользовательский режим: многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другими заданиями, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план. 
Электронная почта: с помощью электронной почты происходит интерактивный обмен информацией между рабочей станцией и другими станциями, установленными в вычислительной сети.

Компоненты локальной сети

Локальная сеть, как правило, состоит из следующих компонентов:

1.     Файл-сервер - центральная машина, имеющая большую дисковую память.

2.     Рабочие станции - множество компьютеров, подключенных к центральной машине (файловому серверу).

3.     Сетевые платы. В каждый компьютер, который мы собираемся подключить к локальной сети, следует установить дополнительную сетевую плату— контроллер. Ее назначение, как и любого другого контроллера, заключается в преобразовании сигналов, идущих из сети, в сигналы, поступающие на блоки компьютера, а также в выполнении обратной операции. Сетевая плата вставляется в свободный слот на материнской плате, а к ее гнезду, находящемуся на задней стенке системного блока, подключается коаксиальный кабель. Серверу необходима сетевая плата повышенной производительности, т.е. ее производительность должна быть больше производительности сетевых плат для локальных рабочих мест.

4.     Соединительный кабель. Кабель соединяет друг с другом сетевые платы рабочих мест (компьютеров). Кабельные системы - основа коммуникаций. При выборе типа кабеля учитываются следующие показатели:

o        стоимость монтажа и обслуживания,

o        скорость передачи информации,

o        ограничения на величину расстояния передачи информации,

o        безопасность передачи информации.

Основные показатели трех типовых сред для передачи информации приведены в таблице. 

5.     Периферийное оборудование. К файловому серверу подключается периферийное оборудование (например, лазерное устройство печати, графопостроитель и другие).

6.     Операционная система вычислительной сети. Как и любая вычислительная система нуждается в операционной системе, так и ЛС нуждается в собственной операционной системе. На файл-сервере необходимо установить специальную программу-драйвер для управления сетью. При загрузке сети драйвер сети должен включаться первым. Драйвер сети следует установить и на всех остальных компьютерах сети, но на сервере он устанавливается в полной форме, там же задаются все параметры сети. Из наиболее популярных сетевых программ следует отметить программы (и соответствующие им сети) фирмы Novell, Microsoft - Windows/NT, а также отечественное изобретение — сеть Iola.

7.     Прикладное программное обеспечение должно быть разработано специально для компьютерных сетей. Необходимо предусмотреть возможность управления доступом к имеющимся ресурсам системы со всех подключенных рабочих мест.

 Топология локальных сетей

Важнейшей характеристикой локальной сети является ее топология, другими словами, способ соединения компьютеров друг с другом. Тип топологии определяет производительность и надежность в эксплуатации сети рабочих станций, для которых имеет значение также время обращения к файловому серверу. 
Существуют сети с топологией «Звезда», когда к центральной машине подключаются все остальные машины данной сети. Явным недостатком такой организации сети является ограниченность числа подключаемых к серверу машин и неработоспособность всей сети при выходе из строя сервера.

Имеются сети с топологией «Кольцо», когда все компьютеры связаны последовательно в кольцо и любой из них может стать сервером. Недостатком этой конфигурации является сложность включения в сеть новых пользователей.

В настоящее время в основном используются сети с топологией под названием общая шина и с так называемой Древовидной топологией. Любая из машин, включенных в такие сети, может стать сервером; кроме того, возможно практически неограниченное расширение сети — подключение новых пользователей не влечет изменения конфигурации. 
 
Наряду с известными топологиями компьютерных сетей на практике применяется и комбинированная. 
 

5. Средства взаимодействия в локальных сетях

В каждой локальной сети всегда есть возможность обмена между пользователями текстовыми сообщениями и файлами, что для любой организации является немаловажным преимуществом. 
Физически обмен данными в сети осуществляется так: каждая из машин, включенных в сеть, имеет свой собственный номер — идентификатор; информация от конкретного компьютера поступает в сеть в виде отдельных порций, их называют пакетами. Пакеты снабжаются информацией о том, какой машине в сети они предназначены. Далее пакет свободно перемещается по сети, сравнивая свой номер с идентификатором каждой конкретной машины. В случае их совпадения сообщение передается данной машине. Следует заметить, что рассылка данных и сообщений по сети возможна одновременно для всех пользователей этой сети: можно, например, послать сообщение не одному конкретному пользователю, а группе пользователей или всем пользователям сети одновременно, в том числе и себе самому. 
С появлением нового класса персональных машин — портативных компьютеров «Ноутбук» встал вопрос о том, каким образом можно связать между собой эти компьютеры в локальную сеть. Проблема была разрешена в 1992 г., когда появились беспроводные локальные сети. Часть таких сетей функционирует на основе передачи информации между компьютерами в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ). Некоторый недостаток такого способа связи — помехи, создаваемые другими устройствами, работающими на той же частоте. Еще одним способом организации беспроводных локальных сетей является передача информации с помощью инфракрасных лучей. Ясно, что немаловажное ограничение при работе в такой сети — это наличие постоянной линии видимости между компьютером — передатчиком и компьютером — приемником информации. 
В настоящее время существуют локальные сети, работающие на том же принципе и с тем же программным обеспечением, на котором функционирует глобальная сеть Интернет. Эти локальные сети имеют общее название Интернет.