Структурно - функциональная сеть предприятия. Анализ нагрузки ЛВС

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЗКИ ЛВС
1.1.Обзор состояния вопроса
1.2.Постановка задачи
1.3. Выбор средств и инструментов мониторинга ЛВС
1.4.Методы исследования
ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ И ПРОТОКОЛЫ ЛВС
2.1. Модели и протоколы ЛВС
2.1.1. Модель OSI
2.1.2. Модель TCP/IP
2.2. Характерные особенности ЛВС
2.2.1. Топология ЛВС
2.2.2. Технические средства ЛВС
2.2.3. Базовые технологии передачи данных
2.3. Параметры и характеристики ЛВС
2.3.1. Классификация характеристик ЛВС
2.3.2. Классификация нагрузочных параметров ЛВС
2.4. Концептуальная модель нагрузки ЛВС
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ НАГРУЗКИ ЛВС
3.1. Структурно-функциональная схема ЛВС предприятия
3.2. Исследование трафика сети на моделях массового обслуживания
3.3. Анализ влияния нагрузочных параметров на эффективность функционирования ЛВС
3.4. Выводы по полученным результатам исследования
ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
4.1.Планирование и организация работ

Структурно - функциональная сеть предприятия. Анализ нагрузки ЛВС

Иерархическая (древовидная, многокаскадная) структура;
Комбинированная структура.
В шинной структуре компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине) и могут непосредственно взаимодействовать с любой станцией сети. При этом функционирование вычислительной сети в целом не зависит от состояния отдельного сетевого узла. Подключение к сети нового узла может вызвать нарушение потока информации, если присоединяются с разрывом шины. Для исключения разрыва шины рабочие станции могут присоединяться к шине посредством зондов игольчатой формы или бесконтактным способом. Еще одним недостатком является возможность несанкционированного доступа, когда можно к шине подключать специальные устройства для снятия информации без прерывания сетевых процессов.
В структуре «звезда» имеется центральный сетевой узел, от которого идут линии связи к каждому компьютеру. Пропускная способность сети определяется мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизии могут возникать только на внутренней шине центрального узла, при использовании коммутаторов со специальной схемой переключения не возникает вообще. Затраты на прокладку кабелей зависят от расположения центра сети. При расширении сети, к новой рабочей станции необходимо прокладывать отдельный кабель из центра. Топология звезда является наиболее быстродействующей, поскольку передача данных проходит по отдельным линиям. Однако, в случае выхода из строя центрального узла нарушается работа сети.
В сети, имеющей структуру кольца, информация передается между станциями по кольцу с приемом/передачей в каждом сетевом адаптере. Рабочие станции связаны друг с другом, а последняя станция связана с первой. Таким образом, линия связи замыкается в кольцо, и кадры данных циркулируют по кругу. Рабочая станция посылает информацию в кольцо, получив из кольца специальный запрос или маркер. Основная проблема заключается в том, что в случае выхода из строя одной из станций вся сеть может прекратить работу. Чтобы избежать данной проблемы применяются обходные переключатели и резервные кольца.
Иерархическое соединение множества топологий типа «звезда» через коммутационные узлы дает древовидную структуру сети, которая является в настоящее время наиболее распространенной топологией локальных вычислительных сетей. В древовидной топологии можно определить основной корневой узел, где собираются все линии связи, и от работы которого зависит функционирование сети.
В составных сетях используется множество различных топологий, которые в целом определяют комбинированную структуру.
2.2.2. Технические средства ЛВС
В рамки данной работы не входит детальное рассмотрение технических составляющих ЛВС, поэтому рассмотрим их кратко. Технические средства можно подразделить на аппаратное и коммутационное обеспечение. К первому отнесем компьютеры, сетевые интерфейсные платы (NIC, Network Interface Card), телефоны, факсы, серверы, сетевые принтеры. К коммутационным средствам относятся:
кабели для передачи информации;
соединительная аппаратура;
репитеры;
трансиверы;
концентраторы;
мосты;
маршрутизаторы;
шлюзы;
Первую группу мы рассматривать не будем. Остановимся лишь на сетевых интерфейсных платах. Все остальные аппаратные средства локальных сетей имеют вспомогательный характер.
Контроллеры, карты, платы, интерфейсы и др., а иначе сетевые адаптеры - это основная часть аппаратуры локальной сети, без которой сеть невозможна. Назначение сетевого адаптера - сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Именно они выполняют функции нижних уровней модели OSI.
Все функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют обмен адаптера с системной шиной компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания компьютера и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.
К основным сетевым функциям адаптеров относится:[22,78-83]
гальваническая развязка, компьютера и кабеля локальной сети;
преобразование логических сигналов в сетевые и обратно;
кодирование и декодирование сетевых сигналов;
опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту);
преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;
буферирование передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;
организация доступа к сети в соответствии с принятым метолом управления обменом;
подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.
Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки.
В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар мед­ных проводов — неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабе­ли с медной жилой, волоконно-оптические кабели.[28, 256-284] Первые два типа кабелей на­зывают также медными кабелями.
Сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но до сих пор наиболее популярной средой является витая пара, которая составляет основу большого количества как внутрен­них, так и внешних кабелей и характеризуется отлич­ным отношением качества к стоимости, а также простотой монтажа.
Хорошие возможности также предоставляют воло­конно-оптические кабели, обладающие широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к помехам. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные локальные сети. И хотя стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость ка­белей на витой паре, но проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяе­мого монтажного оборудования.
Беспровод­ные каналы используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные линии связи применить нельзя. Построение компьютерных сетей на основе беспроводных технологий, например, Radio Ethernet, считаются сего­дня одним из самых перспективных направлений телекоммуникаций.
Трансиверы или приемопередатчики служат для передачи информации между адаптером и кабелем сети или между двумя сегментами сети. Трансиверы усиливают сигналы, преобразуют их уровни или преобразуют сигналы в другую форму (например, из электрической в световую и обратно). Трансиверами также часто называют встроенные в адаптер приемопередатчики.
Репитеры, или повторители, выполняют более простую функцию, чем трансиверы. Они не преобразуют ни уровни сигналов, ни их вид, а только восстанавливают ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их форму к исходному вицу. Цель такой ретрансляция сигналов состоит в увеличении длины сети. Однако часто репитеры выполняют и некоторые другие функции, например гальваническую развязку соединяемых сегментов. В любом случае, как репитеры, так и трансиверы не производят никакой информационной обработки проходящих через них сигналов.
Концентраторы или хабы, служат для объединения в единую сеть нескольких сегментов сети. Получив бит по одному интерфейсу, хаб просто передает этот бит по всем остальным интерфейсам. Поскольку хабы оперируют не кадрами, а битами, они представляют собой устройства физического уровня. Хабы являются ничем иным, как повторителями, которым добавлены некоторые функции по управлению се­тью. Концентраторы можно разделить на пассивные и активные. Пассивные, или репитерные, концентраторы представляют собой собранные в едином конструктиве несколько репитеров. Они выполняют те же функции, что и репитеры. Преимущество подобных концентраторов по сравнению с отдельными репитерами только в том, что все точки подключения собраны в одном месте, что упрощает реконфигурацию сети, контроль за ней и поиск неисправностей. К тому же все репитеры в данном случае питаются от единого качественного источника питания.
Пассивные концентраторы иногда вмешиваются в обмен, помогая устранять некоторые явные ошибки обмена.
Активные концентраторы выполняют более сложные функции, чем пассивные, например, они могут преобразовывать информацию и протоколы обмена. Правда, его преобразование очень простое. Примером активных концентраторов могут служить коммутирующие или переключающие концентраторы (switching hub), коммутаторы. Они передают из одного сегмента сети в другой сегмент не все пакеты, а только те, которые действительно адресованы компьютерам из другого сегмента. При этом сам пакет коммутатором не принимается. Это приводит к снижению интенсивности обмена и сети вследствие разделения нагрузки, так как каждый сегмент работает только со своими пакетами.
Мосты (bridge), маршрутизаторы (router) и шлюзы (gateway) служат для объединения в единую сеть нескольких разнородных сетей с разными протоколами обмена нижнего уровня, в частности, с разными форматами пакетов, разными методами кодирования» разной скоростью передачи и т.д. В результате их применения сложная и неоднородная сеть, содержащая в себе самые разные сегменты с точки зрения пользователя выглядит обычной сетью - то есть обеспечивает прозрачность сети для протоколов высокого уровня. Реализуются они на базе компьютеров, подключенных к сети с помощью сетевых адаптеров. По сути, это специализированные абоненты (узлы) сети.
Мосты - наиболее простые устройства, служащие для объединения сетей с разными стандартами обмена, например Ethernet и Arcnet,, или нескольких сегментов (частей) одной и той же сети. В последнем случае мост служит только для разделения нагрузок сегментов, повышая тем самым производительность сети в целом. В отличие от хабов, представляющих собой устройства физического уровня, мосты работают с Ethernet-кадрами и таким образом являются устройствами второ­го уровня. Мосты представляют собой коммутаторы пакетов, переправляющие и фильтрующие кадры при помощи LAN-адресов получателей. Когда кадр попадает в интерфейс моста, мост не копирует кадр на все остальные интерфейсы, как хаб, а проверяет адрес получателя второго уровня, содержащийся в кадре, и пытается переправить кадр по интерфейсу, ведущему к получателю. Мосты представляют собой самонастраивающиеся устройства и не требу­ют вмешательства со стороны сетевого администратора или пользователя.
Маршрутизаторы представляют собой коммутаторы пакетов с промежуточным хранением, осуществляющие продвижение пакетов при помощи адресов сетевого уровня. Хотя мост также является коммутатором паке­тов с промежуточным хранением, он принципиально отличается от маршрутиза­тора тем, что для продвижения пакетов он использует LAN-адреса. Таким обра­зом, маршрутизатор представляет собой коммутатор пакетов третьего уровня. Его главная задача – чтение заголовков сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту и выбор оптимального маршрута избегания чрезмерной нагрузки отдельных участков сети и обхода поврежденных участков. Маршрутизаторы можно классифицировать разными способами. Так, по аспекту их положения относительно границ сети можно разделить на магистральные и пограничные, по характеристике владельца сети на корпоративные и операторов связи.
Шлюзы - это устройства для соединения совершенно различных сетей с сильно отличающимися протоколами.
Подведем итог: репитеры выполняют функции (не все, а только некоторые) первого уровня, мосты реализуют функции второго уровня (на первое уровне и частично на втором у них работают сетевые адаптеры), маршрутизаторы – третьего уровня, а шлюзы должны выполнять функции
2.2.3. Базовые технологии передачи данных
В семейство базовых технологий локальных сетей входят такие технологии, как Ethernet, Token Ring, FDDI, IEEE 802.11 и 100VG-AnyLAN, . Все эти технологии реализуют функции только двух ниж­них уровней модели OSI — физического и канального. Функциональ­ности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных то­пологий, рассмотренных выше. Все протоколы, работающие на узлах локальной сети на уровнях выше канального (так как не стоит упускать, что эти протоколы тоже существуют) по выполняемым ими функциям не относятся к технологии LAN. Канальный уровень локальных сетей делится на два подуровня, которые часто также называют уровнями:
уровень управления логическим каналом LLC (Logical Link Control);
уровень управления доступом к среде MAC (Media Access Control).
Для дальнейшего обзора технологий остановимся на функциях этих уровней.
Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим мо­дулем операционной системы. Первая функция этого уровня - организация интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. При передаче кадра сверху вниз уровень LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет данных и адрес узла назначения в формате той тех­нологии, которая будет использована для доставки кадра в пределах данной локальной сети и передает далее вниз — уровню MAC. При необхо­димости LLC решает задачу мультиплексирования, передавая данные от нескольких протоколов сетевого уровня единственному протоколу уровня MAC. При передаче данных снизу вверх LLC принимает от уровня MAC пакет сетевого уровня, пришедший из сети и решает, какому из сетевых про­токолов передать полученные от MAC данные (демультиплексирование). Вторая ос­новная функция уровня LLC - обеспечение доставки кадров с заданной степенью надежности. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, отличающихся надежностью доставки: LLC1 (без установления соединения и без подтверждения), LLC2 (с установлением соединения и подтверждением), LLC3 (без установления соединения, но с подтверждением). Он при­нимает от сетевого уровня запрос на выполнение транспортной операции канального уровня в том или ином режиме.
Функции уровня MAC реализуются программно аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером. Он обеспечивает доступ к разделяемой среде и выполняет передачу кадров между конечными узлами, используя функции и устройства физического уровня. Используются несколько методов организации доступа к разделяемой среде, которые мы рассматривать не будем, а остановимся кратко на этапах транспортировки кадров на уровне MAC:
1. Формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на основании информации, получаемой от протокола верхнего уровня, такой как адреса источника и назначения, пользовательские данные, признак прото­кола верхнего уровня, отсылающего эти данные. После того как кадр сформи­рован, уровень MAC подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле.
2. Передача кадра через среду. Когда кадр сформирован, и доступ к разделяемой среде получен, уровень MAC передает кадр на физический уровень, который побитно передает нее поля кадра в среду. Функции физического уровня вы­полняет передатчик сетевого адаптера, который преобразует байты кадра в последовательность битов и кодирует их соответствующими электрическими или оптическими сигналами. После прохождения сигналов по среде они по­ступают в приемники сетевых адаптеров, подключенных к разделяемой среде, которые выполняют обратное преобразование сигналов в байты кадра.
3. Прием кадра. Уровень MAC каждого узла сети, подключенного к разделяе­мой среде, проверяет адрес назначения поступившего кадра, и если он совпа­дает с его собственным адресом, то продолжает его обработку, в противном случае кадр отбрасывается. Продолжение обработки заключается в проверке корректности контрольной суммы кадра. Кадр с корректной контрольной сум­мой передается уровнем MAC вверх по стеку, на чем функции уровня MAC заканчиваются. Если же контрольная сумма кадра говорит о том, что инфор­мация при передаче через среду была искажена, то кадр отбрасывается.
Теперь все готово для того, чтобы провести обзор базовых технологий. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Практиче­ски у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствуют несколько вариантов протоколов физического уровня и достаточно наглядно это можно представить в виде схемы 4.
Технология Ethernet
Стандарт Ethernet определяет два режима передачи данных: полудуплексный и полнодуплексный. Полнодуплексный режим может быть реализован на 4-проводной витой паре, где одна пара проводов используется для передачи, другая - для приема, и на двухжильном оптоволокне, где один световод используется для передачи, а другой - для приема.
Технология Ethernet специфицирует три скорости передачи информации: 10 Мбит/с (Ethernet), 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). В качестве проводной физической среды в сети Ethernet могут быть использованы коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно.
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения физической среды передачи данных - CSMA/CD.
Приведем краткую характеристику существующих стандартов. Общими особенностями протокола Ethernet являются следующие:
1. При скорости передачи 10 Мбит/с полезная производительность для кадров максимальной длины равна 9,74 Мб/с или 812 кадров/с, для кадров минимальной длины равна 5,48 Мб/с или 14880 кадров/с;
Схема 4
2. Максимальный размер поля данных кадра - 1500 байтов, минимальный размер поля данных кадра - 46 байтов;
3. Тип протокола передачи данных – дейтаграммный;
4. Методы и кадры самотестирования – отсутствуют;
5. Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала более 30%.
Стандарт 10Base-5. Использует в качестве общей шины передачи данных коаксиальный кабель как моноканал для всех узлов. Сегмент кабеля 85 должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту - 100. Максимальная длина одного сегмента - 500 м. Максимальное расстояние между двумя станциями - 2500 м. Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями - 4. Каждая оконечная станция подключается к кабелю при помощи трансивера. Трансивер питается от сетевого адаптера компьютера и может подсоединяться к кабелю методом прокалывания и бесконтактным методом. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем (Attachment Unit Interface - AUI) с максимальной длиной кабеля между трансивером и сетевым u1072 адаптером - 50м.
Стандарт 10Base-2. Стандарт 10Base-2 использует в качестве моноканала тонкий коаксиальный кабель, который прокладывается от компьютера к компьютеру. Сегмент также должен иметь на концах согласующие терминаторы - 50 Ом. Станции подключаются к кабелю с помощью T-образного разъема, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с байонетными разъемами на концах разрыва кабеля. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту - 30. Максимальная длина одного сегмента - 185 м. Максимальная длина сети - 2500 м. Минимальное расстояние между узлами - 1 м. Трансиверы здесь объединены с сетевыми адаптерами. Реализация стандарта приводит к наиболее простому 86 решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-разъемы. Недостатком технологии является то, что этот вид кабельных соединений подвержен авариям и сбоям, так как в моноканале имеется большое количество механических соединений, пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность кабельного сегмента. Другим недостатком является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала, т.е. повреждение кабеля обнаруживается сразу, но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим кабельный тестер.