Введение
Актуальность написания бакалаврской работы обусловлена тем, что относительно небольшая сложность и стоимость ЛВС, использующих в основном ПК, обеспечивают широкое применение сетей в автоматизации коммерческой, банковской и других видов деятельности, делопроизводства, технологических и производственных процессов, для создания распределенных управляющих, информационно-справочных, контрольно-измерительных систем, систем промышленных роботов и гибких производственных производств. Во многом успех использования ЛВС обусловлен их доступностью массовому пользователю, с одной стороны, и теми социально-экономическими последствиями, которые они вносят в различные виды человеческой деятельности, с другой стороны. Если в начале своей деятельности ЛВС осуществляли обмен межмашинной и межпроцессорной информацией, то на последующих стадиях в ЛВС стала передаваться, в дополнение к этому, текстовая, цифровая, изобразительная (графическая), и речевая информация.
Компьютер уже давно стал неотъемлемой частью жизни людей. Он помогает решать множество вопросов. Практически в любой отрасли деятельности человека используются компьютеры. Образовательные программы, медицинское обслуживание, промышленные процессы - везде применяются компьютеры. На сегодня компьютеризация достигла такого уровня, что обойтись без них никак нельзя.
Отдельная эра в истории развития компьютеров началась с появлением локальных сетей, которые позволяют объединять компьютеры между собой. Именно локальная сеть подняла функциональность компьютера на невиданную до сих пор высоту. Даже один компьютер способен выполнять огромное количество операций, тем самым позволяя обрабатывать большое количество данных и выдавать требуемый результат. А представьте себе, что можно сделать с помощью тысячи компьютеров, объединенных в одну сеть! Это дает возможности для выполнения таких заданий, на решение которых раньше уходили годы и были задействованы тысячи людей. Даже если не «копать» так глубоко, преимущества использования локальных сетей очевидны: общее использование ресурсов, баз данных, общение, Интернет и многое другое.
Сегодня существует большое количество способов объединения компьютеров в локальную сеть. Разного размера проводные и беспроводные локальные сети сотнями появляются каждый день. При этом если большие корпоративные сети требуют соответствующих знаний и уровня подготовки для их создания, то небольшие офисные и тем более домашние сети могут создавать простые пользователи. Главное при этом - достаточный уровень знаний и желание добиться результата.
Локальные вычислительные сети представляют собой системы распределенной обработки данных и, в отличие от глобальных и региональных вычислительных сетей, охватывают небольшие территории (диаметром 5 - 10 км) внутри отдельных контор, банков, бирж, вузов, учреждений, научно-исследовательских организаций и т.п. При помощи общего канала связи ЛВС может объединять от десятков до сотен абонентских узлов, включающих персональные компьютеры (ПК), внешние запоминающие устройства (ЗУ), дисплеи, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, интерфейсные схемы. ЛВС могут подключаться к другим локальным и большим (региональным, глобальным) сетям ЭВМ с помощью специальных шлюзов, мостов и маршрутизаторов, реализуемых на специализированных устройствах или на ПК с соответствующим программным обеспечением (Приложение А).
Цель данной выпускной квалификационной работы - изучение возможностей сетевого оборудования применяемого при построении современных ЛВС.
Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы является оборудование используемое при построении локальных сетей.
Предметом исследования является изучение сетевого оборудования локальных вычислительных сетей.
Типы линий связи
Кабельные линии связи
Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) 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 (Приложение Б). Первые два типа кабелей называют так же медными кабелями.
Кабели на основе витой пары.
Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутренних, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар).
Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.
Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводником. Симметричный кабель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным.
Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектрического слоя - бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае помимо электрической изоляции проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка.
Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).
Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.
Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.
Кабели категории 3 были стандартизированы в 1991 году. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.
Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.
Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, FastEthernet, ATM и GigabitEthernet) ориентировано на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабели системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).
Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.
Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, две - для передачи голоса.
Кабель «витая пара» является самым популярным способом подключения компьютеров в «домашних» сетях. Стоимость кабеля достаточно низкая, однако при этом скорость передачи данных находится на очень высоком уровне. Длины сегмента кабеля в 100 м хватает, чтобы подключить компьютер в квартире, просто свесив кабель с крыши и подведя его к окну. Именно такой способ подключения является самым простым и распространенным в «домашних» сетях.
Коаксиальные кабели.
Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль - по не передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существуют несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т.п.
Согласно современным стандартам коаксиальный кабель не считается хорошим выбором при построении структурированной кабельной системы зданий. Далее приводятся основные типы и характеристики этих кабелей.
<<Толстый>> коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц - не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать - он плохо гнется.
<<Тонкий>> коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 50 мм и тонким внутренним проводником 0,89 мм, этот кабель не так прочен, как <<толстый>> коаксиал, зато обладает гораздо большей гибкостью, что удобно при монтаже. <<Тонкий>> коаксиальный кабель также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические характеристики хуже, чем у <<толстого>> коаксиального кабеля. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в <<толстом>> коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте.
Рассмотрим элементы коаксиального кабеля.
Центральный проводник(CenterConductor). Представляет собой металлический стержень, цельный или состоящий из нескольких проводников. В качестве металла, как правило, выступает медь или сплав с медью, например сплав меди с карбоном, омедненная сталь или омедненный алюминий. Толщина проводника обычно находится в пределах 1-2 мм.
Диэлектрик(Dielectric). Служит для надежного разделения и изолирования центрального проводника и оплетки, которые используются для передачи сигнала. Диэлектрик может изготавливаться из различных материалов, например из полиэтилена, фторопласта, пенополиуретана, поливинилхлорида, тефлона и т.д.
Оплетка(Braid). Является одним из носителей, который участвует в передаче сигнала. Кроме того, она играет роль заземления и защитного экрана от электромагнитных шумов и наводок. Как правило, оплетка сделана из медной или алюминиевой проволоки. Когда требуется увеличить помехозащищенность системы, может использоваться кабель с двойной и даже четверной оплеткой.
Изолирующая пленка(Foil). Выступает обычно в роли дополнительного экрана. В качестве материала используется алюминиевая фольга.
Внешняя оболочка(OuterJacket). Используется для защиты кабеля от воздействия внешней среды. Оболочка, как правило, имеет ультрафиолетовую защиту и защиту от возгорания, для чего используется материал с определенными свойствами, например поливинилхлорид, пластик, резина и т.д.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля, используемого для передачи данных в локальных сетях, составляет 50 Ом. При этом толщина тонкого коаксиального кабеля - примерно 0,5-0,6 см, а толстого - 1-1,3 см.
Существует определенная маркировка (категория) кабелей, которая позволяет различать их характеристики. Например, кабель с волновым сопротивлением 50 Ом имеет маркировку RG1-8, RG-11 и RG-58. Различают также подкатегории кабелей, например RG-58/U (одножильный проводник) или RG-58A/U (многожильный проводник).
Наибольшее распространение получил тонкий коаксиальный кабель, поскольку он более гибкий и его легче прокладывать. Если требуется увеличить диаметр сети, то используется толстый коаксиальный кабель. Иногда тонкий и толстый кабели применяются одновременно: тонким кабелем соединяют близкорасположенные компьютеры, а толстым - компьютеры на большом удалении или два сегмента сети.
Волоконно-оптический кабель.
Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать).
Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают:
многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления
многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления
одномодовое волокно (Приложение В)
Понятие <<мода>> описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля. В одномодовом кабеле (SingleModeFiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длинной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.
В многомодовых кабелях (MultiModeFiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов в многомодовом оптическом волокне. По этой причине технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем у одномодовых.
Современные волоконно-оптические кабели используются на соединительных линиях местной сети, при сооружении структурированных кабельных систем, в системах кабельного телевидения, а также на абонентских участках.
Российские кабельные заводы производят волоконно-оптические кабели двух типов: с модульной конструкцией сердечника (сердечник с центральным силовым элементом, преимущественно из стекло пластикового стержня, вокруг которого находятся трубки-модули с расположенными в них оптическими волокнами (ОВ)) емкостью до 288 ОВ и трубчатой конструкции (в виде центрального модуля-трубки) емкостью до 24 ОВ.
Волоконно-оптические кабели производятся с различными типами оптических волокон: многомодовыми с размерами 50/125 мкм и 62,5/125 мкм (сердцевина / оболочка соответственно - рекомендация ITU-T G.651), одномодовыми (рекомендации ITU-T G.652.B, G.652.C, G.655), а также с расширенным диапазоном рабочих длин волн. Необходимость наличия в оптических кабелях различных типов оптических волокон определяется с учетом назначения ОК.
Основной тип ОВ, используемых в современных конструкциях оптических кабелей, - одномодовые, характеризующиеся низкими потерями. Многомодовые ОВ применяются, как правило, в оптических кабелях для локальных сетей, например, в структурированных кабельных системах, что объясняется в основном технико-экономическими причинами.
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 монтажного оборудования.
Беспроводные линии связи
локальный сеть вычислительный адаптер коммутатор
Беспроводные LAN (Wireless LAN - WLAN) отличаются от проводных тем, что взаимосвязь между узлами сети осуществляется посредством использования радиосигналов. В состав узлов входят передающие и приемные устройства. Среда, в которой размещены узлы, является средой распространения радиосигналов. В результате, необходимость применения проводных линий отпадает. Роль концентратора проводной LAN выполняет точка доступа (AccessPoint - AP) WLAN.
Беспроводное подключение к магистральной сети может использоваться не только по отношению к индивидуальным абонентам, но так же по отношению к групповым абонентам, каковыми являются проводные LAN.
Необходимость и целесообразность применения беспроводных LAN наряду с проводными обусловлена преимуществами, которые достигаются отсутствием проводных соединений. Эти преимущества проявляются в следующих обстоятельствах:
необходимость создания LAN между узлами, разделенными естественными и искусственными препятствиями (например, водные препятствия, стены домов, межэтажные перекрытия);
необходимость обеспечения мобильности узлов, объединенных в локальную сеть;
необходимость получения доступа к магистральной сети с выходом в Internet-сеть в общественных местах кратковременного пребывания (гостиницы, вокзалы, читальные залы библиотек и др.).
Востребованность беспроводной локальной связи (с потребительской точки зрения) определяет место WLAN в современных беспроводных телекоммуникациях. Важнейшее потребительское свойство WLAN, наряду с удобством их развертывания для обеспечения взаимной связи абонентов, состоит в обеспечении доступа абонентов к магистральным сетям. Последним, в частности, объясняется использование англоязычного термина <<горячая точка>> (hotspot) для общественных мест развертывания WLAN с выходом в Internet.
Один из наиболее существенных отличительных признаков локальных цифровых сетей по сравнению с глобальными состоит в наличии автономных телекоммуникационных линий между их узлами. Отличие архитектуры беспроводных и проводных LAN обусловлены свойствами среды распространения используемых сигналов:
проводящей направляющей среды в проводных LAN
естественной окружающей среды в беспроводных LAN (WirelessLAN - WLAN).
Сети WLAN исключительно надежны. Поскольку беспроводная технология уходит корнями в оборонную промышленность, обеспечение безопасности беспроводных устройств предусматривалось с самого начала. Вот почему беспроводные сети обычно более надежны, чем кабельные. В сетях WLAN используется технология Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), которая отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным, и обнаружению. Кроме того, все пользователи беспроводной сети проходят аутентификацию по системному идентификатору, что предотвращает несанкционированный доступ к данным. Для передачи особо уязвимых данных пользователи могут использовать режим Wired Equivalent Privacy (WEP), при котором сигнал шифруется дополнительным алгоритмом, а данные контролируются с помощью электронного ключа. Вообще говоря, в отдельных узлах перед включением в сетевой трафик должны приниматься свои меры безопасности. В сетях WLAN, работающих по спецификации 802.11b, для обеспечения более высокой надежности сети вместе с аутентификацией пользователя могут применять 40 битные и 128 битные алгоритмы шифрования. Перехват трафика, как умышленный, так и неумышленный, практически невозможен.802.11b - выпущенная институтом Instituteof Electricaland Electronic Engineers (IEEE) техническая спецификация, которая определяет функционирование беспроводных локальных вычислительных сетей, работающих в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью 11 Мбит/с по протоколу Direct Sequence Spread Spectrum. Сети WLAN 802.11b работают со скоростью до 11 Мбит в секунду. Для пользователей скорость работы сравнима со скоростью кабельной сети. Точно так же, как и в обычной сети, пропускная способность сети WLAN зависит от ее топологии, загрузки, расстояния до точки доступа и т.д. Как правило, заметной разницы в производительности беспроводной и кабельной сети нет.
Точки доступа.
Точка доступа - это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания совершенно новой беспроводной сети. Беспроводная связь осуществляется посредством технологии Wi-Fi.
Проводя аналогию, точку доступа можно условно сравнить с вышкой сотового оператора, с той оговоркой, что у точки доступа меньший радиус действия и связь между подключенными к ней устройствами осуществляется по технологии Wi-Fi. Радиус действия стандартной точки доступа - примерно 200-250 метров, при условии, что на этом расстоянии не будет никаких препятствий (например металлоконструкций, перекрытий из бетона и прочих сооружений плохо пропускающих радио волну).
Беспроводные сети из нескольких точек доступа устанавливаются в больших офисных помещениях, зданиях и на других крупных объектах, в основном для того, чтобы создать одну беспроводную локальную сеть (WLAN). К каждой точке доступа можно подключить до 254 клиентских компьютеров. В большинстве случаев нецелесообразно подключать к одной точке доступа больше 10 компьютеров, т.к. скорость передачи данных на каждого пользователя распределяется в равных пропорциях и чем больше у одной точки доступа «клиентов», тем меньше скорость у каждого из них. К примеру, по нашим замерам реальная скорость передачи данных у точки доступа, работающей на стандарте 802.11g - 20-25Мбит/с, и при подключении к ней 10 клиентов скорость на каждого будет в районе 2,5Мбит/с.
При построении территориально распределенных сетей или беспроводных сетей в зданиях, точки доступа объединяются в одну общую сеть через радиоканал или локальную сеть (проводную). При этом пользователь может свободно перемещаться со своим мобильным устройством в радиусе действия этой сети.
В домашней сети, беспроводные точки доступа могут быть использованы для объединения всех домашних компьютеров в одну общую беспроводную сеть или для «расширения» существующей сети, построенной например, на проводном маршрутизаторе. После подключения точки доступа к маршрутизатору, клиенты смогут присоединиться к домашней сети без необходимости повторной настройки локального соединения.
Точка доступа аналогична по своему устройству с беспроводным роутером (беспроводным маршрутизатором). Беспроводные роутеры используются для создания отдельного сегмента сети и поддерживают подключение к ним всех компьютеров с встроенными беспроводными сетевыми адаптерами. В отличии от точки доступа в беспроводной роутер интегрирован сетевой переключатель (свитч), для того чтобы к нему могли дополнительно подключаться клиенты по протоколу Ethernet или для подключения других маршрутизаторов при создании сети из нескольких беспроводных роутеров. Кроме того, беспроводные роутеры имеют встроенный брандмауэр, который предотвращает нежелательное вторжение в сеть злоумышленников. В остальном же, беспроводные роутеры схожи по устройству с точками доступа.
Как и беспроводные роутеры, большинство точек доступа поддерживают стандарты 802.11a, 802.11b, 802.11g или их комбинации.
Рассмотрим три основных режима работы точки доступа:
«точка доступа»;
«повторитель»;
«мост».
Режим «точка доступа».
В новом оборудовании режим «точка доступа» установлен по умолчанию. В этом режиме вы подключаетесь со своего компьютера, оснащенного Wi-Fi адаптером, к беспроводной сети вашей точки доступа. В большинстве случаев для работы в этом режиме специфические настройки не требуются.
Режим «репитер» (ретранслятор).
В данном режиме точка доступа работает как приемо-передатчик или «повторитель». Она принимает слабый сигнал от другой точки доступа и, усиливая его, передает на этой же частоте дальше до необходимого адресата.
Режим «мост».
В этом режиме точка доступа объединяет физически удаленные сегменты сети в одно целое. Используется при построении «линков» или, другими словами, обеспечения связи между отдаленными объектами.
Важно отметить, что для осуществления исправной работы в режимах «ретранслятор» и «мост», SSID (идентификатор беспроводной сети), канал и тип шифрования должны совпадать.