Принципы построения высокоскоростных локальных сетей кратко

Обновлено: 30.06.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

4.4 Высокоскоростные локальные сети

При передаче больших объемов данных за ограниченное время в случае, если специфика его работы связана с обработкой графики или технология требует большого обмена между технологическими машинами, необходимы сети, работающие на скорости 100 Мбит. Наиболее известные среди них системы FDDI (Fiber Distributed Data Interface), система Fast Ethernet и Gigabitethernet . Первая организована, как и следует из названия, на оптическом кабеле, другие – на медных парах.

Система FDDI имеет очень много общего с Token Ring. Она также работает по кольцевой схеме, правда, в ней не одно кольцо, а два, передача по которым идет в разных направлениях. Большинство остальных отличий связаны с функционированием электроники в сетевых платах, а не с технологией. По сути, в основном они сводятся к принципу кодирования бит. Максимальная протяженность кольца FDDI составляет 200 км и может содержать более 1000 рабочих станций.

Другой высокоскоростной технологией является так называемый Fast Ethernet или 100BaseT. Как FDDI очень напоминает Token Ring, так Fast Ethernet очень напоминает простой Ethernet в том смысле, что изменились, главным образом, только способ кодирования бит и метод их ввода в кабель. Существенным пользовательским отличием является то, что этот стандарт не работает на коаксиальном кабеле, а только на витой паре или на оптическом кабеле. Что касается технологии передачи данных, т.е. работы второго уровня модели, то здесь используется протокол CSMA/CD.

Длина шины с ростом скорости уменьшается и составляет около 250 метров, что для большинства приложений бывает достаточно. Если же требуется шина более протяженная, то так же, как и раньше, требуются репитеры и мосты для разделения сегментов.

Современные компьютерные технологии невозможно представить себе без объединения всевозможных устройств в виде стационарных терминалов, ноутбуков или даже мобильных девайсов в единую сеть. Такая организация позволяет не только быстро обмениваться данными между разными устройствами, но и использовать вычислительные возможности всех единиц техники, подключенной к одной сети, не говоря уже о возможности доступа к периферийным составляющим вроде принтеров, сканеров и т. д. Но по каким принципам производится такое объединение? Для их понимания необходимо рассмотреть структурную схему локальной сети, часто называемую топологией, о чем дальше и пойдет речь. На сегодняшний день существует несколько основных классификаций и типов объединения любых устройств, поддерживающих сетевые технологии, в одну сеть. Конечно же, речь идет о тех девайсах, на которых установлены специальные проводные или беспроводные сетевые адаптеры и модули.

Схемы локальных компьютерных сетей: основная классификация

Прежде всего в рассмотрении любого типа организации компьютерных сетей необходимо отталкиваться исключительно от способа объединения компьютеров в единое целое. Тут можно выделить два основных направления, используемых при создании схемы локальной сети. Подключение по сети может быть либо проводным, либо беспроводным.

В первом случае используются специальные коаксиальные кабели или витые пары. Такая технология получила название Ethernet-соединения. Однако в случае использования в схеме локальной вычислительной сети коаксиальных кабелей их максимальная длина составляет порядка 185-500 м при скорости передачи данных не более 10 Мбит/с. Если применяются витые пары классов 7, 6 и 5е, их протяженность может составлять 30-100 м, а пропускная способность колеблется в пределах 10-1024 Мбит/с.

Беспроводная схема соединения компьютеров в локальной сети основана на передачи информации посредством радиосигнала, который распределяется между всеми подключаемыми устройствами, раздающими девайсами, в качестве которых могут выступать маршрутизаторы (роутеры и модемы), точки доступа (обычные компьютеры, ноутбуки, смартфоны, планшеты), коммутационные устройства (свитчи, хабы), повторители сигнала (репитеры) и т. д. При такой организации применяются оптоволоконные кабели, которые подключаются непосредственно к основному раздающему сигнал оборудованию. В свою очередь, расстояние, на которое можно передавать информацию, возрастает примерно до 2 км, а в радиочастотном диапазоне в основном применяются частоты 2,4 и 5,1 МГц (технология IEEE 802.11, больше известная как Wi-Fi).

Проводные сети принято считать более защищенными от внешнего воздействия, поскольку напрямую получить доступ ко всем терминалам получается не всегда. Беспроводные структуры в этом отношении проигрывают достаточно сильно, ведь при желании грамотный злоумышленник может запросто вычислить сетевой пароль, получить доступ к тому же маршрутизатору, а уже через него добраться до любого устройства, в данный момент использующего сигнал Wi-Fi. И очень часто в тех же государственных структурах или в оборонных предприятиях многих стран использовать беспроводное оборудование категорически запрещается.

Классификация сетей по типу соединения устройств между собой

Отдельно можно выделить полносвязную топологию схем соединения компьютеров в локальной сети. Такая организация подключения подразумевает только то, что абсолютно все терминалы, входящие в сеть, имеют связь друг с другом. И как уже понятно, такая структура является практически не защищенной в плане внешнего вторжения или при проникновении злоумышленников в сеть посредством специальных вирусных программ-червей или шпионских апплетов, которые изначально могли бы быть записаны на съемных носителях, которые те же неопытные сотрудники предприятий по незнанию могли подключить к своим компьютерам.

Именно поэтому чаще всего используются другие схемы соединения в локальной сети. Одной из таких можно назвать ячеистую структуру, из которой определенные начальные связи были удалены.

Общая схема соединения компьютеров в локальной сети: понятие основных типов топологии

Суть такого объединения компьютеров в единое целое состоит в том, что все они подключаются непосредственно к центральному терминалу (серверу) и между собой не имеют никаких связей. Абсолютно вся передаваемая и принимаемая информация проходит непосредственно через центральный узел. И именно эта конфигурация считается наиболее безопасной. Почему? Да только потому, что внедрение тех же вирусов в сетевое окружение можно произвести либо с центрального терминала, либо добраться через него с другого компьютерного устройства. Однако весьма сомнительным выглядит тот момент, что в такой схеме локальной сети предприятия или государственного учреждения не будет обеспечен высокий уровень защиты центрального сервера. А внедрить шпионское ПО с отдельного терминала получится только при наличии физического доступа к нему. К тому же и со стороны центрального узла на каждый сетевой компьютер могут быть наложены достаточно серьезные ограничения, что особенно часто можно наблюдать при использовании сетевых операционных систем, когда на компьютерах отсутствуют даже жесткие диски, а все основные компоненты применяемой ОС загружаются непосредственно с главного терминала.

Но и тут есть свои недостатки. Прежде всего связано это с повышенными финансовыми затратами на прокладку кабелей, если основной сервер находится не в центре топологической структуры. Кроме того, скорость обработки информации напрямую зависит от вычислительных возможностей центрального узла, и если он выходит из строя, соответственно, на всех компьютерах, входящих в сетевую структуру, связи нарушаются.

Главным недостатком такой структуры можно назвать высокую стоимость прокладки кабелей, особенно для тех случаев, когда терминалы находятся на достаточно большом удалении друг от друга. Зато при выходе из строя одного или нескольких компьютеров связи между всеми остальными компонентами в сетевом окружении не нарушаются. Кроме того, при использовании такой схемы локальной сети проходящая через основной канал очень часто дублируется на разных участках, что позволяет избежать ее повреждения или невозможности ее доставки в пункт назначения. А вот безопасность в такой структуре, увы, страдает довольно сильно, поскольку через центральный кабель вредоносные вирусные коды могут проникнуть на все остальные машины.

Кольцевую схему (топологию) локальной сети в некотором смысле можно назвать морально устаревшей. На сегодняшний день она не используется практически ни в одной сетевой структуре (разве что только в смешанных типах). Связано это как раз с самими принципами объединения отдельных терминалов в одну организационную структуру.

Компьютеры друг с другом соединяются последовательно и только одним кабелем (грубо говоря, на входе и на выходе). Конечно, такая методика снижает материальные затраты, однако в случае выхода из строя хотя бы одной сетевой единицы нарушается целостность всей структуры. Если можно так сказать, на определенном участке, где присутствует поврежденный терминал, передача (прохождение) данных попросту стопорится. Соответственно, и при проникновении в сеть опасных компьютерных угроз они точно так же последовательно проходят от одного терминала к другому. Зато в случае присутствия на одном из участков надежной защиты вирус будет ликвидирован и дальше не пройдет.

Смешанные типы сетей

Как уже было сказано выше, основные типы схем локальных сетей в чистом виде практически не встречаются. Гораздо более надежными и в плане безопасности, и по затратам, и по удобству доступа выглядят смешанные типы, в которых могут присутствовать элементы основных видов сетевых схем.

Логистическая топология

Наиболее известные сети

Выше пока что рассматривалось исключительно построение схем локальных сетей на основе технологии Ethernet, которая в самом простом выражении использует адреса, протоколы и стеки TCP/IP. Но ведь в мире можно найти огромное количество сетевых структур, которые имеют отличные от приведенных принципы сетевой организации. Наиболее известными из всех (кроме Ethernet с использованием логической шинной топологии) являются Token Ring и Arcnet.

Не менее интересной выглядит и схема локальной сети Arcnet, созданная в 1977 году компанией Datapoint, которую многие специалисты называют самой недорогой, простой и очень гибкой структурой.

Краткие сведения по настройке проводного и беспроводного подключения

Теперь кратко остановимся на некоторых важных моментах создания и применения любой из описанных схем локальной сети. Программы сторонних разработчиков при использовании любой из известных операционных систем для выполнения таких действий не нужны, поскольку основные инструменты предусмотрены в их стандартных наборах изначально. Однако в любом случае необходимо учитывать некоторые важные нюансы, касающиеся настройки IP-адресов, которые применяются для идентификации компьютеров в сетевых структурах. Разновидностей всего две – статические и динамические адреса. Первые, как уже понятно из названия, являются постоянными, а вторые могут изменяться при каждом новом соединении, но их значения находятся исключительно в одном диапазоне, устанавливаемом поставщиком услуг связи (провайдером).

В проводных корпоративных сетях для обеспечения высокой скорости обмена данными между сетевыми терминалами чаще всего используются статические адреса, назначаемые каждой машине, находящейся в сети, а при организации сети с беспроводным подключением обычно задействуются динамические адреса.

Для установки заданных параметров статического адреса в Windows-системах используются параметры протокола IPv4 (на постсоветском пространстве шестая версия еще особо широкого распространения не получила).

В свойствах протокола достаточно прописать IP-адрес для каждой машины, а параметры маски подсети и основного шлюза являются общими (если только не используется древовидная структура с множеством подсетей), что выглядит очень удобным с точки зрения быстрой настройки подключения. Несмотря на это, динамические адреса использовать тоже можно.

Они назначаются автоматически, для чего в настройках протокола TCP/IP имеется специальный пункт, в каждый определенный момент времени присваиваются сетевым машинам прямо с центрального сервера. Диапазон выделяемых адресов предоставляется провайдером. Но это абсолютно не значит, что адреса повторяются. Как известно, в мире не может быть двух одинаковых внешних IP, и данном случае речь идет либо о том, что они изменяются только внутри сети либо перебрасываются с одной машины на другую, когда какой-то внешний адрес оказывается свободным.

В случае с беспроводными сетями, когда для первичного подключения используются маршрутизаторы или точки доступа, раздающие (транслирующие или усиливающие) сигнал, настройка выглядит еще проще. Главное условие для такого типа подключения – установка автоматического получения внутреннего IP-адреса. Без этого соединение работать не будет. Единственный изменяемый параметр – адреса серверов DNS. Несмотря на начальную установку их автоматического получения, зачастую (особенно при снижении скорости подключения) рекомендуется выставлять такие параметры вручную, используя для этого, например, бесплатные комбинации, распространяемые компаниями Google, Yandex и т. д.

Наконец, даже при наличии только какого-то определенного набора внешних адресов, по которым в интернете идентифицируется любое компьютерное или мобильное устройство, изменять их тоже можно. Для этого предусмотрено множество специальных программ. Схема локальной сети может иметь любую из выше перечисленных вариаций. А суть применения таких инструментов, которые чаще всего представляют собой либо VPN-клиенты, либо удаленные прокси-серверы, состоит в том, чтобы изменить внешний IP, который, если кто не знает, имеет четкую географическую привязку, на незанятый адрес, по расположению находящийся в совершенно в другой локации (хоть на краю света). Применять такие утилиты можно непосредственно в браузерах (VPN-клиенты и расширения) либо производить изменение на уровне всей операционной системы (например, при помощи приложения SafeIP), когда некоторым приложениям, работающим в фоновом режиме, требуется получить доступ к заблокированным или недоступным для определенного региона интернет-ресурсам.

Эпилог

Если подводить итоги всему вышесказанному, можно сделать несколько основных выводов. Первое и самое главное касается того, что основные схемы подключения постоянно видоизменяются, и их в начальном варианте практически никогда не используют. Наиболее продвинутыми и самыми защищенными являются сложные древовидные структуры, в которых дополнительно может использоваться несколько подчиненных (зависимых) или независимых подсетей. Наконец, кто бы что ни говорил, на современном этапе развития компьютерных технологий проводные сети, даже несмотря на высокие финансовые затраты на их создание, все равно по уровню безопасности на голову выше, чем простейшие беспроводные. Но беспроводные сети имеют одно неоспоримое преимущество – позволяют объединять компьютеры и мобильные устройства, которые географически могут быть удалены друг от друга на очень большие расстояния.

Новые требования к производительности сетей, предъявляемые современными приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения соответствующих стандартов.

Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:

· Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его расширенный вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.

· 100Base X Ethernet , представляющую собой высокоскоростной Ethernet с множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология — экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.

· 100Base VG AnyLAN , новую технологию построения локальных сетей, поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.

· Gigabit Ethernet . Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet .

· ATM , технологию передачи данных, работающую как на существующем кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи. Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488 Гбит/сек.

· Fibre Channel , оптоволоконную технологию с коммутацией физических соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры — кластерные вычисления, организация взаимодействия между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа рабочая станция — суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже более).

Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on LAN), инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.

АТМ — ребенок телефонных компаний. Технология эта разрабатывалась далеко не в расчете на компьютерные сети передачи данных. ATM радикально отличается от обычных сетевых технологий. Основная единица передачи в этом стандарте — это ячейка, в отличие от привычного пакета. Ячейка содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Частично это необходимо, чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передачи мультимедийных данных. (Фактически, размер ячейки явился компромиссом между американским телефонными компаниями, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам).

Устройства АТМ устанавливают связь между собой и передают данные по виртуальным каналам связи, которые могут быть временными или постоянными. Постоянный канал связи — это путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика. Временные каналы создаются по требованию и, как только передача данных заканчивается, закрываются.

С самого начала АТМ проектировался как система коммутации с помощью виртуальных каналов связи, которые обеспечивают заранее специфицированный уровень качества сервиса (Quality of Service — QoS ) и поддерживают постоянную или переменную скорость передачи данных. Модель QoS позволяет приложениям запросить гарантированную скорость передачи между приемником и источником, не обращая внимания на то, сколь сложен путь между ними. Каждый АТМ — коммутатор, связываясь с другим, выбирает такой путь, который гарантирует требуемую приложением скорость.

Если система не может удовлетворить запрос, то она сообщает об этом приложению. Правда, существующие протоколы передачи данных и приложения не имеют никакого понятия о QoS, так что это еще одно отличное свойство, которое никто не использует.

Благодаря наличию таких полезных свойств АТМ никого не удивляет всеобщее желание продолжать совершенствование этот стандарт. Но пока существующие реализации оборудования довольно ограничены первоначальным подходом, который ориентировался на другие, некомпьютерные, задачи.

Для того чтобы использовать не АТМ протоколы, необходимо использовать LEC. LEC работает как конвертор, эмулируя обычную топологию сети, которую подразумевает IP. Поскольку LANE только моделирует Ethernet, то он может устранить некоторые старые технологические ошибки. Каждый ELAN может использовать различные размеры пакетов. ELAN, который обслуживает станции, подключенные с помощью обычного Ethernet, использует пакеты размером 1516 байт, в то время как ELAN обеспечивающий связь между серверами может посылать пакеты по 9180 байт. Всем этим управляет LEC.

Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок является причиной того, что только 90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной информации. Таким образом, реальная скорость передачи данных — всего лишь 140 Мбит/с. И это без учета накладных расходов на установку связи и прочие служебные взаимодействия между различными уровнями протоколов — BUS и LECS.

АТМ — сложная технология и пока его использование ограничивает LANE. Все это сильно сдерживает широкое распространению данного стандарта. Правда, существует обоснованная надежда, что он действительно будет применяться, когда появятся приложения, которые смогут воспользоваться преимуществами АТМ непосредственно.

ATM — данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode), а не только Adobe Type Manager или Automatoc Teller Machine, что многим может показаться более привычным. Данную технологию построения высокоскоростных вычислительных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость от небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до трансконтинентальных сетей.

В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155 Мбит/сек) либо оптоволокно.

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии передачи пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. Поэтому прежде всего мы рассмотрим STM.

Локальные вычислительные сети (ЛВС) связывают разные вычислительные устройства по беспроводной или проводной связи. Они включают разные виды оборудования – компьютеры, модемы, кабели, серверы, маршрутизаторы и другие. Основное назначение локальной сети – организация совместного использования ресурсов.

Принципы построения ЛВС

В обобщенном виде работа локальной сети выглядит следующим образом – каждому уровню отводят конкретную задачу, затем создают протоколы – соглашения для связи между уровнями. В базовой модели OSI (стандарт, который определяет архитектуру взаимодействия компьютеров в ЛВС) выделяют семь уровней:

физический;
канальный;
транспортный;
сетевой;
сеансовый;
прикладной;
представление данных.

Кроме того, подключение может быть проводным или беспроводным. Беспроводной метод объединения компьютеров в ЛВС – передача информации с задействованием радиосигнала, равномерно распределяемого между устройствами. Проводные сети используют кабели для объединения разных устройств. Второй способ считается более защищенным перед внешним воздействием.

Этапы построения

ЛВС позволяет всем сотрудникам компании пользоваться общей сетью, совместно эксплуатировать периферийное оборудование. В организации создается единое информационное пространство, снижается количество ошибок, инцидентов потери данных, повышается скорость обмена информацией в пределах одной локальной сети.

Проектирование включает несколько этапов:

Подготовка. Состоит из создания документов, которые описывают структуру, топологию ЛВС, расположение компьютеров, принтеров, других устройств и их технические характеристики. В рамках подготовки учитывают следующие моменты – сколько единиц техники будет объединено локальной сетью, где будет расположена техника, какими характеристиками обладает помещение.
Составление технических требований. Именно на этом этапе выбирают топологию, которая определит, как будут соединяться устройства в рамках одной ЛВС.
Проектирование. Составляют ТЗ, в нем перечисляют требования к количеству рабочих мест, характеристики кабелей и так далее. После этого подрядчик и заказчик согласовывают техническое задание. Собственно разработка предполагает составление детальных планов помещений, где будет указано расположение коммутационного центра, линии прокладки кабелей и их общее количество.

Для проектирования ЛВС применяют специальные программы, например AutoCAD. Они частично автоматизируют процесс, поскольку отличаются богатым функционалом, имеют широкий набор инструментов для работы как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве.

Характеристики разных топологий

Есть несколько разных топологий ЛВС:

Основные топологии ЛВС

Звезда. В центре устанавливается активное или пассивное устройство, вокруг располагаются компьютеры и другая техника. За счет этого в центральном узле гарантирован высокий уровень защиты, легче находить неисправности.
Кольцо. Выделенного узла в этой топологии нет, передача сигнала идёт через повторители. Они, в свою очередь, могут быть и пассивными и активными устройствами. Такая топология облегчает маршрутизацию пакетов, позволяет легко находить неисправные узлы.
Шинная. По такой топологии компьютеры поочередно подключаются к единой линии связи, информация от одного передается к следующему. Среда передачи в этом случае незамкнута физически. Этот способ удобен тем, что с его помощью легко подключать новые узлы.
Сеточная. Может быть полной и частичной. В полной компьютер связывается с остальными напрямую. Соответственно, чем больше компьютеров появляется в компании, тем больше связей образуется. Если в одном из них меняется конфигурация, вносить изменения нужно в сетевую аппаратуру остальных компьютеров. Частичная работает так же, но прямая связь организуется только для активных компьютеров, а не для всех.
Комбинированные технологии. Может использоваться, например, звёздно-кольцевой или звёздно-шинный вид топологии.

Топологию нельзя считать основным фактором при подборе типа ЛВС. Важнее в этом случае скорость обмена, количество пользователей и некоторые другие факторы.

Что нужно учитывать для высокоскоростной ЛВС?

Высокоскоростными ЛВС называют те сети, в которых скорость передачи более 100 Мбит/с. Если еще несколько лет назад в основном они были представлены сетями FDDI, то уже сегодня используются не меньше 10 разных технологий. Такие ЛВС применяются не только для объединения техники в общее информационное пространство. Они необходимы для повышения скорости обмена данными.

Сегодня можно выбрать между несколькими вариантами:

FDDI;
100VG-AnyLAN;
Fast Ethernet;
1000Base-X (скорость измеряется в Гб).

Высокоскоростные ЛВС становятся актуальными для компании, если производительность сети не отвечает насущным потребностям. Переход на скоростную технологию позволит в 10 и более раз повысить пропускную способность каналов.

Компания Bitraid предлагает комплексное обслуживание локальных сетей – настройку, поддержку работы серверов, периферийных и сетевых устройств, при необходимости – обучение персонала работе с сетью. Наши специалисты выполнят диагностику, обеспечат защиту от взломов, своевременно установят и настроят ПО, а также предоставят консультативную помощь.

Читайте также: