ЗАДАНИЕ

Необходимо спроектировать локальную сеть Ethernet для компьютеризированных аудиторий кафедры «Информационно-измерительная техника», используя спецификацию физической среды 1000Base-T с привидением конкретных моделей устройств и материалов, а также произвести расчет стоимости оборудования и работ по установке сети, основываясь на текущих ценах произвольного поставщика оборудования.

Исходными данными для работы являются планы аудиторий по отдельности с размерами и расположением компьютеров, общий план аудиторий кафедры, представленный рисунками.

Рисунок 1 – Аудитория 452

Рисунок 2 – Аудитория 530

Рисунок 3 – Аудитория 544

Рисунок 4 – Аудитория 535

Рисунок 5 – Аудитория 537

Рисунок 6 – Аудитория 537А

Рисунок 7 - Аудитория 539

Рисунок 8 – Аудитория 546

Рисунок 9 – Аудитория 548

Рисунок 10 – Размеры коридоров

Рисунок 11а – Схема сети кафедры

Рисунок 11б – Схема сети кафедры

1 ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1000Base-T - это стандартный интерфейс Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/c. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex). 1000Base-T. Технически реализовать дуплексную передачу 1 Гбит/с по витой паре UTP cat.5 оказалось довольно сложно, значительно сложней чем в стандарте 100Base-TX. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырехпарном кабеле требует разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, и интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. Несколько методов кодирования первоначально рассматривались в качестве кандидатов на утверждение в стандарте 1000Base-T, среди которых: 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5; квадратурная амплитудная модуляция QAM-25, и др. Ниже приведены кратко идеи PAM-5, окончально утвержденного в качестве стандарта.

Почему 5-уровневое кодирование. Распространенное четырехуровневое кодирование обрабатывает входящие биты парами. Всего существует 4 различных комбинации - 00, 01, 10, 11. Передатчик может каждой паре бит установить свой уровень напряжения передаваемого сигнал, что уменьшает в 2 раза частоту модуляции четырехуровневого сигнала, 125 МГц вместо 250 МГц, (рис.3), и следовательно частоту излучения. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. В результате чего становится возможной коррекция ошибок на приеме. Это дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум.

Рисунок 3 – Схема 4-х уровневого кодирования PAM-4

На рис.4 показана структура уровней Gigabit Ethernet. Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса GMII.

Рисунок 4 - Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet

GMII интерфейс. Среданезависимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем. GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные приемник и передатчик, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию (clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий - и еще несколько других сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средазависимых интерфейсов, может подключать например к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса.

Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы 1000Base-X, подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8B10B, заимствованное из стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. Аналогичного рассмотренному стандарту FDDI, только на основе более сложной кодовой таблицы каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10 битные символы (code groups). Кроме этого в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10 битные символы. Примером контрольных символов могут служить символы, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт). При подключении интерфейса 1000Base-T, подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование, для обеспечения передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100 метров -линейный код TX/T2, разработанный компанией Level One Communications.

Два сигнала состояния линии - сигнал наличие несущей и сигнал отсутствие коллизий - генерируются этим подуровнем.

Подуровни PMA и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокно. Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определяются 4 различный типа физических интерфейса среды, которые отражены в спецификация стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T), (рис.5).

Рисунок 5 – Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD что и его предки Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время, которого станция передает такой кадр - время канала - равно 512 BT или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно RDT не должно превышать 512 BT (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается - оно равно 512 BT или 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше необходимо удовлетворить одному из условий:

сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и следовательно увеличить минимальную длину кадра), или

сохранить время канала, (сохранить прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.

В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена.

Опять же в силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным. Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".

Расширение носителя (carrier extension)

Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают "коллизионное окно". В результате, коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если станция желает передать короткий (меньше 512 байт) кадр, до при передаче добавляется это поле - расширение носителя, дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис.6 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

Рисунок 6 – Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

Пакетная перегруженность (Packet Bursting)

Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet, и такой же диаметр коллизионного домена. Но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512-64) может расходоваться в холостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность, позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения, (рис.7а). Таким образом среда не замолкает между посылками коротких оригинальных кадров, и ни какое другое устройство сети не может вклиниться в передачу. Такое пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий, поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого своего оригинального кадра, включая расширение носителя, что безусловно увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис.6-б).

Рисунок 7 - Пакетная перегруженность: а) передача кадров; б) поведение полосы пропускания

3 ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ СЕГМЕНТОВ Gigabit Ethernet ПО СПЕЦИФИКАЦИИ 1000BASE-T ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОВТОРИТЕЛЕЙ

В настоящее время поставляется полный перечень сетевых продуктов Gigabit Ethernet: сетевые карты, повторителе, коммутаторы, а также маршрутизаторы.

Так как стандартизация оптических интерфейсов произошла примерно на 1 год раньше, чем интерфейса на витую пару, то подавляющее число устройств, поставляемых сегодня, имеют волоконно-оптические физические интерфейсы.

Сетевая карта Gigabit Ethernet. Выпускаю сетевые карты на шины PCI, SBus и др. Ниже приведены основные технические характеристики сетевой карты G-NIC, выпускаемой фирмой Packet Engines:

• 64/32 бит PCI мастер адаптер;

• Oбеспечивает на частоте 33 МГц пропускную способность 2 Гбит/с;

• Два независимых процессора, ответственных за прием и передачу пакетов, сильно разгружают центральный процессор рабочей станции

• Поддержка стандартов IEEE 802.3x дуплексной передачи и IEEE 802.3z обеспечивает максимальную совместимость с другими устройствами.

Поставляются драйверы для операционных систем: Windows 95 (NDIS3); Windows NT (NDIS4, NDIS5, Intel и DEC Alpha процессоры); Novell NetWare (ODI 3.12 или выше); Solaris (2.5x, PCI и SBus); DEC UNIX (4.3 BSD); SGI IRIX (5.3 и 6.2); HP-UX (10.20); Linux; FreeBSD

Буферный повторитель. Устройства Ethernet поддерживают дуплексный режим как на физическом уровне, так и на уровне MAC. Традиционные повторители с портами RJ-45 (10Base-T, 100Base-TX) хотя и имеют дуплексную связь на физическом уровне из-за логической топологии шина внутри себя могут поддерживать только полудуплексный режим, благодаря чему создается коллизионный домен ограниченного диаметра. В технологии Gigabit Ethernet определены четыре типа повторителей — 1000BASE-SX, 1000BASE-LX, 1000BASE-CX и 1000BASE-T. Все они подчиняются сходным требованиям к компонентам, режиму работы и топологии. Все работают в пределах расстояний кабельной системы, определенных в стандартах ANSI/TIA/EIA-568-В и ISO/IEC 11801.

Три типа повторителей (1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX) описаны в приложении IEEE 802.3z к стандарту. 1000BASE-T описан в приложении IEEE 802.3ab.

Спецификации 1000BASE-T предназначены для работы в горизонтальной распределительной системе, обслуживающей рабочие места. Максимальное расстояние — 100 м (определено стандартами структурированных кабельных систем). Среда передачи  UTP, 4 пары, категории 5е или выше.

В сети 1000BASE-T разрешено использование только одного репитера. Таким образом, сеть 1000BASE-T может иметь максимальный размер (диаметр) в 200 м.

Хотя в стандарте Gigabit Ethernet допускается использование традиционных повторителей, представляется более эффективным новое устройство - буферный повторитель. Протокол CSMA/CD реализует метод доступа к сети но не к сегменту. Буферный повторитель - это многопортовое устройство с дуплексными каналами связи, (рис.8). Каждый порт его имеет входной и выходной буферы. Разумеется удаленное устройство, подключено к повторителю также должно поддерживать дуплексную связь на физическом и MAC уровнях. Очередной кадр, прибывая на входной порт, размещается в очереди входного буфера порта и далее пересылается в выходные буферы остальных портов (за исключением выходного буфера этого порта). Внутри повторителя отрабатывается протокол CSMA/CD, на основе которого кадры из входных буферов переходят в выходные буферы других портов.

Поскольку в сегментах нет коллизий, ограничения на их длину могут возникать только из-за физических характеристик кабельной системы.

Рисунок 8 – Архитектура буферного повторителя Gigabit Ethernet

Удаленный узел, передавая серию кадров способен переполнить входной буфер порта повторителя, что может привести к потере кадров. Во избежании этого стандартизован основанный на кадрах контроль потока (frame based flow control), известный как 802.3x. Протокол работает на уровне MAC и предназначен для использования в дуплексных линиях.

Буферный повторитель обеспечивает дуплексную связь как и коммутатор, но не такой дорогой, поскольку является просто расширением традиционного повторителя.

Коммутаторы. Перечислим наиболее важные черты коммутаторов Gigabit Ethernet:

• поддержка дуплексного режима по всем портам;

• поддержка контроля потока основанного на кадрах IEEE 802.3x;

• наличие портов или модулей для организации каналов Ethernet, Fast Ethernet;

• поддержка физического интерфейса на одномодовый ВОК;

• возможность коммутации уровня 3;

• поддержка механизма QoS и протокола RSVP;

• поддержка стандарта IEEE 802.1Q/p для организации распределенных виртуальных сетей.

3 РАСЧЕТ СЕТИ

В данном задании необходимо спроектировать компьютерную сеть для кафедры «Информационно-измерительная техника», взяв реальное расположение компьютеров в помещениях кафедры.

Общий парк вычислительных машин составляет 73 ЭВМ, расположенных в 10 аудиториях кафедры. По аудиториям компьютеры расположены следующим образом:

1. ауд. 537 (компьютерный класс) – 12 машин;

2. ауд. 539 (лаборантская) – 3 машины;

3. ауд. 546 (преподавательская) – 4 машины;

4. ауд. 548 (лаборатория) – 11 машин;

5. ауд. 534 (лекционная) – 1 машина;

6. ауд. 452 (лаборатория) – 8 машин;

7. ауд. 530 (лаборатория) – 9 машин;

8. ауд. 535 (лаборатория) – 13 машин;

9. ауд. 537/а (лаборатория) – 4 машины;

10. ауд. 544 (лаборатория) – в перспективе 8 машин.

При прокладке сети за основу примем физическую и логическую топологию звезда. Каждый сетевой адаптер непосредственно соединяется с портом повторителя.

В качестве основы сети будем использовать повторитель II класса, оснащенный портами 1000Base-T. Это позволит не только снизить затраты на оборудование, но и повысит быстродействие сети. Повторители расположим в ауд.544 (см. рисунок 11). Это решение позволяет избежать возможных задержек, т.к. максимальная длина кабеля будет составлять 80 метров. Так как необходимо подключить 73 машины, то выберем 2 стандартных повторителя с количеством портов равным 44. В результате будем иметь возможность подключить еще пятнадцать машин.

Основным рассчитываемым параметром в сети Gigabit Ethernet является время двойного оборота сети PDV, которое рассчитывается для двух самых удаленных от повторителя машин. В данном случае это компьютеры , расположенные в ауд. 546 и 530 соответственно

Правила корректного построения сегментов сетей Gigabit Ethernet для спецификации 1000BASE-T включают следующие ограничения:

1) на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с DTE – 100 метров;

2) на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя – 100 метров;

3) на максимальный диаметр сети – 200 метров;

4) на максимальное число повторителей – 1 повторитель.

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра минимальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m опто-волоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet, то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адап-теров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемый расширением (extention), представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Спроектированная сеть полностью удовлетворяет всем условиям.

5 Смета

Чтобы определить затраты на прокладку сети рассчитаем стоимость используемых материалов и оборудования и проводимых работ.

В настоящее время на рынке существуют поставщики кабелей категории UTP 5. Поставки осуществляются промышленными объемами, бухтой, длиной в 305 м.

Для того чтобы охватить всю кафедру сетью без установки свитчей в аудиториях необходимо использовать минимум 1000 метров кабеля. Для создания резерва на случай аварийных ситуаций при прокладке закупим 4 бухты, т.е. 1220 метров кабеля.

Для соединения 73 компьютеров понадобится 146 разъемов RJ45, закупим 160 разъемов

Для организации сети будем использовать два 44-портовых коммутатора модели D-Link DGS-3120-48PC

Сведем полученные данные в таблицу 2.

Таблица 2 – Сводная таблица стоимости материалов и оборудования

Наименование	Маркировка	Количество	Стоимость, руб.
Бухта кабеля Krauler CCA UTP 4 пары кат.5e	5e	4	3446
Разъемы RJ45		160 шт	1833
Коммутатор D-Link DGS-3120-48PC		2 шт.	116977,28
Сетевой адаптер Сетевая карта D-Link DGE-528T 10, 100, 1000 MBps PCI		30 шт.	23360
			Итого: 145616,28

6 Расчет стоимости подключения дополнительных 3 компьютеров

Использование двух коммутаторов с 44 портами позволяет включить в сеть еще 15 машин, не используя дополнительный коммутатор. Рассчитаем стоимость дополнительного подключения еще трех машин. Рассмотрим вариант расширения сети: компьютеры будут располагаться в ауд. 548.

Для подключения еще 3-х машин в ауд.548 необходимо 60 метров витой пары (по 20 метров на каждую машину, так как объем закупки был с запасом затраты осутствуют), 3 сетевых адаптера и 6 разъемов RJ (по 2 на каждую машину). Таким образом, стоимость подключения составит 100 рублей за разъемы, 960 руб. за сетевые адаптеры. Общая стоимость – 1060 рублей .

Низкая себестоимость подключения объясняется тем, что ненужно использовать дополнительное оборудование для расширения сети или проводить новые лини размещения проводов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Олифер, в.Г. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы / в.Г. Олифер, н.А. Олифер. – 3-е изд. - сПб.: Питер, 2006. – 958 с.

Приложение б Коммутатор d-Link dgs-3120-48pc

Общие характеристики

Тип устройства коммутатор (switch)

Возможность установки в стойку есть

Количество слотов для дополнительных интерфейсов 4

Объем оперативной памяти 2 Мб

Объем флеш-памяти 32 Мб

LAN

Количество портов коммутатора 44 x Ethernet 10/100/1000 Мбит/сек

Поддержка работы в стеке есть

Внутренняя пропускная способность 136 Гбит/сек

Размер таблицы MAC адресов 16384

Управление

Консольный порт есть

Web-интерфейс есть

Поддержка Telnet есть

Поддержка SNMP есть

Маршрутизатор

Статическая маршрутизация есть

Протоколы динамической маршрутизации IGMP v1, IGMP v2, IGMP v3

Дополнительно

Поддержка IPv6 есть

Поддержка стандартов Auto MDI/MDIX, Power Over Ethernet, Jumbo Frame, IEEE 802.1p (Priority tags), IEEE 802.1q (VLAN), IEEE 802.1d (Spanning Tree), IEEE 802.1s (Multiple Spanning Tree)

Размеры 440 x 44 x 310 мм

Дополнительная информация 4 комбо-порта 10/100/1000Base-T/SFP и поддержкой PoE, слот для SD-карты

http://digitalshop.ru/shop/Kommutator_D-Link_DGS-3120-48PC_283918.html