Кафедра Информационно-коммуникационных технологий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломной работе

На тему: «Реорганизация схемы управления и оптимизация сегмента сети передачи данных »

Москва, 2009 год

Аннотация

В данной работе была модернизирована домовая локальная вычислительная сеть. Модернизация проводилась на функционирующем оборудовании.

Техническое задание

Модернизировать сеть передачи данных на основе имеющегося оборудования с минимизацией материальных затрат.

Список использованных сокращений

CSMA/CD - метод множественного доступ с обнаружением несущей и обнаружением коллизий;

LLC - управление логической связью;

AUI - интерфейс устройства доступа к среде передачи;

MII - интерфейс независимый от среды (Fast Ethernet);

TTL - время жизни пакета;

PHY - устройство физического уровня (Fast Ethernet);

NLP - импульсные посылки контроля линии;

SM - одномодовое волокно;

STP - экранированная витая пара;

UTP - неэкранированная витая пара;

MSAU - многостанционное устройство доступа;

VLAN - виртуальная LAN. Широковещательный домен.

NIC - интерфейсная карта;

WI -Fi - спецификация оборудования для беспроводного доступа к локальным сетям общего пользования;

IP - Интернет протокол;

LAN - локальная сеть доступа;

MAC - канальный уровень;

QoS - уровень поддержки требуемого качества передачи информации;

CoS - общая поддержка требуемого качества передачи информации;

TCP - протокол контроля передачи;

WAN - глобальная сеть;

MAU -многостанционное устройство доступа;

GVRP - протокол обеспечивающий сервис регистрации VLAN;

CPU - Центральный процессор;

RAM - Оперативная память;

USB - Универсальный последовательный интерфейс;

SATA - последовательный интерфейс жесткого диска;

SCSI - высокоскоростной интерфейс жесткого диска;

UPS - источник бесперебойного питания;

UDP - протокол передачи дейтаграмм;

DHCP - протокол динамического конфигурирования хостов;

ICMP - протокол управляющих сообщений Интернет;

IGMP - протокол управления группами Интернет;

ACL - список прав доступа;

SSL - протокол конфиденциальной передачи в протоколе TCP/IP;

SNMP - протокол управления сетевыми ресурсами;

iSCSI - протокол осуществляет контроль передачи блоков данных;

VPN - частная виртуальная сеть;

xDSL - цифровая абонентская линия;

PPP - протокол точка-точка;

VoIP - IP телефония;

DoS/DDos - распределённый отказ в обслуживании;

ЛВС - локальная вычислительная сеть;

КПК - карманный персональный компьютер;

BRAS (broadband remote access server) - маршрутизатор широкополосного удалённого доступа, служит для маршрутизации трафика к/от пользователей. BRAS находится в ядре сети провайдера и агрегирует пользовательские подключения из сети уровня доступа

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) - протокол динамической конфигурации узла.

DHCP-ретранслятор - узел в сети, который перенаправляет DHCP-запрос на указанный в его настройках централизованный DHCP-сервер.

DHCP-discover - запрос к DHCP-серверу от оконечного сетевого оборудования с целью обнаружить себя в сети и получить необходимые сетевые параметры для работы.

DHCP-offer - ответ от DHCP-сервера.

DHCP-snooping - функция коммутатора, предназначенная для защиты от атак с использованием протокола DHCP.

У-1 - коммутатор DXS-3326GSR уровня распределения находящиеся на первом уровне древообразной топологии сети (Узел первого уровня)

У-2 - коммутатор DXS-3326GSR уровня распределения находящиеся на втором уровне древообразной топологии сети (Узел второго уровня)

ТКД - коммутатор DES-3526 уровня доступа сети (Точка коммуникативного доступа)

Сегмент - сегмент сети включающий У-2 и все подключенные к нему ТКД

Район - сегмент сети, включающий У-1 и все коммутаторы, подключенные от него.

border - edge-маршрутизатор магистральной сети

Локальные ресурсы - ресурсы компании, предоставляющиеся без подключения к VPN-серверу

1 Общая часть

1.1 Обзор и анализ современных существующих локальных вычислительных сетей

На сегодняшний день существует множество сетевых технологий передачи данных. Сферы применения этих технологий различны. Начиная от малых локальных вычислительных сетей заканчивая общегородскими и глобальными мировыми сетями.

Существуют следующие основные современные стандарты локальных сетей:

1. Ethernet;

2. Fast Ethernet, Gigabit Ethernet

3. Wi-Fi (Wireless Fidetly);

4. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access);

Ethernet

Ветераном сетевых технологий (архитектур) является Ethernet -- эта спецификация была предложена фирмами DEC, Intel и Xerox в 1980 году и несколько позже на ее основе появился стандарт IEEE 802.3. По первым буквам названий них фирм образовано сокращение DIX, фигурирующее в описаниях этой технологии. Слово Ether (эфир) в названии технологии обозначает многообразие возможных сред передачи. Первые версии -- Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0 предназначались только для коаксиального кабеля, стандарт IEEE 802.3 рассматривает и иные варианты среды передачи -- витую пару и оптоволокно. Сейчас под названием Ethernet подразумевают стандарт IEEE 802.3 (скорость 10 Мбит/с). В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u -- Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а в 1997 году IEEE 802.3z - Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с). Осенью 1999 года принят стандарт IEEE 802.3a/b -- Gigabit Ethernet на витой паре категории 5, позже была анонсирован 10GBit Ethernet (10000 Мбит/с). Популярные разновидности Ethernet обозначаются как 100BaseTX и др. Здесь первый элемент обозначает скорость передачи, Мбит/с.

Второй элемент: Base -- прямая (немодулированная) передача, Broad -- использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент: среда передачи (T, ТХ, Т2, Т4 -- витые пары, FX, FL, FB, SX и IX -- оптоволокно, СХ -- твинаксиальный кабель для Gigabit Ethernet).

Технология Ethernet основана на методе множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий -- CSMA/CD. Суть этого метода применительно к «классической» версии Ethernet (10 Мбит/с на коаксиальном кабеле) и рассмотрим более поздние вариации. Возможная схема локальной сети показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Пример сети Ethernet

Fast Ethernet 100 Мбит/с

Варианты Fast Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с описываются стандартом IEEE 802.3u -- дополнительными главами 802.3, принятыми в 1995 году. Они основаны на том же методе доступа CSMA/CD с сохранением форматов кадров. При этом все соотношения, измеренные в битовых интервалах, сохраняются. Поскольку длительность битового интервала сократилась в 10 раз, максимально допустимое время прохождения между двумя узлами сократилось до 2,6 мкс, что привело к ужесточению топологических ограничений. Все разновидности используют звездообразную топологию с активным устройством в центре, возможно и непосредственное соединение пары станций.

Стандарт 802.3u опирается на те же уровни MAC и LLC, которые были определены в исходном 802.3; изменения касаются физического уровня. Физический Уровень является трехслойным:

* Reconciliation sublayer -- уровень согласования с МАС-уровнем 802.3, ориентированным на АUI-интерфейс;

* MII (Media Independent Interface) -- электрический интерфейс, независимый от среды передачи. Представляет собой спецификацию сигналов TTL-уровня, использует 40-контактный штырьковый разъем. По идее он напоминает интерфейс AUI, но располагается на другом уровне. Длина кабеля МII не должна превышать 0,5 м. Наличие доступного интерфейса МII не является обязательным;

* PHY (Physical layer device) -- устройство физического уровня, привязанное к конкретной среде передачи (100BaseTX, 100BaseFX или 100BaseT4).

Устройство физического уровня выполняет логическое кодирование -- преобразование 4В/5В или 6В/8Т, физическое кодирование и присоединение к среде передачи, и необязательно -- автоматическое согласование режимов передачи. Физический уровень в 100BaseTX и 100BaseFX позаимствован из технологии FDDI, в 100BaseT4 применена оригинальная разработка.

100BaseTX -- наиболее популярная версия Fast Ethernet, использующая две витые пары категории 5. По использованию разъемов полностью соответствует 10BaseT. Возможна работа в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Логическое кодирование производится по схеме 4В/5В -- 4 бита исходной информации преобразуются в 5-битный символ. Избыточность используется для повышения достоверности и служебных целей. Метод физического кодирования MLT-3 заимствован из TP-PMD -- «медной» реализации FDDI. В паузе между кадрами в линию посылается последовательности символов Idle.

100BaseT4 -- версия, использующая 4 витых пары категории не ниже 3. Кроме однонаправленных пар, используемых в 100BaseTX, здесь две дополнительные пары являются двунаправленными и служат для распараллеливания передачи данных. Кадр передается по трем линиям параллельно, что позволяет снизить пропускную способность каждой пары до 33,3 Мбит/с. Каждые 8 бит (двоичных разрядов -- Binary), передаваемые по конкретной паре, кодируются шестью троичными (Ternary) цифрами (кодирование 8В/6Т). В результате при битовой скорости 33,3 Мбит/с скорость изменения сигналов в линии составляет 25 Мбод (33,3x6/8=25). Эти меры позволяют сузить необходимую полосу пропускания кабеля до требований категории 3 (16 МГц). Четвертая пара при передаче используется для прослушивания сигнала от противоположного передатчика -- по его появлению определяется факт коллизии. Для подключения конечных узлов к портам активного оборудования используется «прямой» кабель, для непосредственного соединения конечных узлов или соединения двух коммуникационных устройств применяют «перекрестный» кабель.

Для приведенных выше реализаций предусмотрен протокол согласования режимов (autonegotiation), по которому порт может выбрать самый эффективный из режимов, доступных обоим участникам обмена. Согласование осуществляется путем обмена посылками FLP (Fast Link Pulse), которые являются признаком исправной активной линии (аналогично NLP 10BaseT). В отличие от одиночных импульсов NLP, импульсы FLP идут пачкой. Различают синхронизирующие и сигнальные импульсы FLP. Сигнальные импульсы могут вставляться между синхронизирующими, идущими пачкой по 17 штук. Места между этими импульсами отводятся под кодирование 16-битного слова: наличие сигнального соответствует единичному биту, отсутствие - нулевому. Слово несет информацию о доступных режимах. Первый узел предлагает самый эффективный режим, кодируя его в посылке FLP. Приемник на эту посылку отвечает аналогичной, в которой кодирует свои возможности. В качестве рабочего выбирается самый приоритетный из доступных обоим узлам. Приоритеты режимов в порядке убывания: 100BaseTX полнодуплексный, 100BaseT4, 100BaseTX полудуплексный, 10BaseT полнодуплексный, 10BaseT полудуплексный. Если второй узел имеет порт 10BaseT, «не понимающий» FLP и посылающий NLP, будет принят протокол 10BaseT. Протокол автоматического согласования может быть отключен (или не реализован), в этом случае режим работы задается принудительно при конфигурировании порта. Возможность переключения режимов отражается в названиях портов (Fast Ethernet 10/100), поддержка режима 100BaseT4 встречается нечасто.

100BaseT2 - малораспространенная (и не стандартизованная) версия с использованием двух пар категории 3 и выше. Сужение полосы достигается за счет применения 5-уровневого кодирования РАМ-5. Поддерживает полу- и полный Дуплекс, в режиме полного дуплекса сигналы распространяются по каждой паре во встречных направлениях (пропускная способность 100 Мбит/с относится только к полному дуплексу, скорость передачи в одну сторону - 50 Мбит/с).

100BaseFX - версия для оптоволокна с длиной волны 1300 нм. Логически близка к 100BaseTX - то же логическое кодирование 4В/5В, но физическое -NRZI (как в FDDI). В полудуплексе дальность 412 м - ограничение по времени двойного оборота. В полном Дуплексе дальность определяется свойством волокна: по ММ-волокну может достигать 2 км, по SM - 32 км.

100BaseSX - стандарт на дешевых коротковолновых (830 нм) светодиодных передатчиках и многомодовом волокне. Дальность связи ограничена волокном и меньше, чем у FX,- всего 300 м, зато поддерживается совместимость с 10BaseFL и автоматическое согласование скорости передачи 10/100 Мбит/с (802.3u). Версия разработана как дешевая альтернатива дорогой 100BaseFX в случаях, когда не требуется преодоления больших расстояний.

Центральным устройством в Fast Ethernet может быть повторитель или коммутатор. Повторители делятся на два класса:

* Повторитель класса I является транслирующим, он поддерживает разные схемы кодирования, принятые в технологиях 100BaseTX/FX и 100BaseT4.

* Повторитель класса II является прозрачным (transparent repeater), он поддерживает только одну из схем кодирования -- технологию 100BaseTX/FX или 100BaseT4.

Благодаря избыточности кодирования по сравнению с Ethernet повторители Fast Ethernet работают несколько сложнее. В случае обнаружения ошибочного сигнала вместо его прозрачной трансляции в остальные порты повторитель может посылать признак повреждения кадра. Если повторитель поддерживает две схемы кодирования, ему приходится производить декодирование по схеме 4В/5В и последующее кодирование в 6В/8Т (или наоборот), что вносит дополнительную задержку.

Топологические ограничения Fast Ethernet жестче -- диаметр домена коллизий для витой пары не должен превышать 205 м, в одном домене коллизий может быть не более двух повторителей класса II, повторитель класса I может быть только один. Если принять допустимое расстояние от повторителя до станции равным 100 м, то повторители можно соединять между собой кабелем длиной не более 5 м.

Возможная схема локальной сети с оптической линией показана на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2 - Пример сети Ethernet с оптической линией

Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с

Технология Gigabit Ethernet со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с разработана для ускорения передачи данных при использовании популярнейшей технологии (Ethernet). Однако повышение скорости на порядок при сохранении всех пропорций предыдущих технологий привело бы к сужению диаметра домена коллизий до неприемлемого размера -- 0,26 мкс задержки соответствует примерно 50 м кабеля, а еще задержку вносит и повторитель. По этой причине минимально допустимый размер кадра, определяющий максимально допустимую задержку передачи, был увеличен до 512 байт (4096 bit). С учетом задержек в повторителе и адаптерах диаметр домена коллизий может достигать 200 м, то есть вписываться в стандартную концепцию построения СКС. Ограничения, порожденные методом CSMA/CD, актуальны только для полудуплексного режима работы портов. Для Gigabit Ethernet более характерен полнодуплексный режим, при котором допустимая длина линии связи ограничивается затуханием сигнала и частотными свойствами линии.

Дополнительно предусматривается возможность пакетной передачи кадров (frame bursting). Узел, получивший доступ к среде, после передачи одного кадра вместо паузы посылает специальную последовательность, после которой идет следующий кадр. Кадры пакета могут адресоваться разным получателям. Смысл пакетной передачи заключается в сокращении накладных расходов на получение доступа к среде -- между кадрами пакета среда для остальных узлов выглядит занятой.

Gigabit Ethernet описывается двумя стандартами -- IEEE 802.3z (1000BaseSX, 1000BaseLX и 1000BaseCX), принятым в 1998 году, и IEEE 802.3ab (1000BaseT), принятым осенью 1999 г.

Стандарт 802.3z основывается на наработках технологии Fiber Channel. Здесь используется избыточное кодирование 8В/10В, а схемы физического уровня «разогнаны» со скорости 800 Мбит/с до 1 Гбит/с (тактовая частота -- 1,25 ГГц). Стандарт предлагает следующие версии:

1000BaseSX (Short wavelength) -- оптический интерфейс с коротковолновыми (850 нм) лазерными передатчиками для связи по ММ-волокну на небольшие расстояния. Для кабеля с невысокой полосой пропускания допустимая длина соединения оказывается меньше, чем ограничение на длину магистрального кабеля 500 м, установленное стандартами СКС.

1000BaseLX (Long wavelength) -- интерфейс с длинноволновыми (1310 м) лазерными передатчиками для связи по SM и ММ-волокну на большие расстояния.

1000BaseLH -- интерфейс с лазерными передатчиками 1310 нм для связи по SM и ММ-волокну на сверхбольшие расстояния, пока в стандарт IEEE не входит.

1000BaseCX -- электрический интерфейс для связи на короткие дистанции (25 м), предназначенный для связи оборудования в пределах аппаратной комнаты или телекоммуникационного помещения. Использует двухосевой (twinaxial) кабель или скрученные четверки проводов (quad cable) с частотными характеристиками, превосходящими STP типов 1 и 2. В качестве коннекторов пока предлагается DB-9 (используемый для STP в Token Ring), разрабатывается новый тип коннектора HSSDC (High-Speed Serial Data Connector).

1000BaseT -- электрический интерфейс на витой паре (4 пары проводов) категории 5е (и даже 5) при ограничении на длину линии в 100 м. Физическое кодирование -- 5-уровневое. Сигнал передается одновременно по четырем парам проводов, причем для полного дуплекса передача ведется по каждой паре сразу в обоих направлениях. Оконечные цепи выделяют из смеси сигнал противоположного передатчика. Решение этой задачи на сверхвысоких частотах стало возможным благодаря применению современных сигнальных процессоров. Для удовлетворения требованиям к среде передачи рекомендуется применение в кабельной системе компонентов категории 5е (розетки, шнуры, 4-парные кабели стационарной проводки). Количество соединений в канале должно быть минимальным. В телекоммуникационных помещениях рекомендуется схема непосредственного подключения (interconnection), без кросс-панели. В горизонтальной кабельной системе исключается соединение двух кусков кабелей в одной линии в точке перехода или консолидации.

100VG-AnyLAN

100VG-AnyLAN -- технология со скоростью передачи 100 Мбит/с по 4-парному кабелю категории 3. VG означает Voice-Grade TP -- витая пара для голосовой телефонии, окончание «Any LAN» означает возможность работы с «любыми ЛВС» (Ethernet и Token Ring). Разработана фирмами Hewlett-Packard и AT&T Microelectronics как развитие Ethernet, описывается стандартом IEEE 802.12. Физическая и логическая топология -- дерево, построенное на хабах. Метод доступа -- Demand Priority (приоритет запросов), управление доступом к среде передачи реализуется аппаратурой хабов централизованно. Этим 100VG принципиально отличается от других технологий, в которых функции управления доступом распределены по узлам сети.

Использовать кабель с гарантированной полосой частот 16 МГц позволяет одновременная передача сигналов в одну сторону по всем четырем парам (quartet signaling), в результате чего каждая пара пропускает всего 25 Мбит/с. Однако при этом полный дуплекс невозможен. Информация логически кодируется по схеме 5В/6В, после чего физически -- по NRZ («1» -- высокий уровень, «0» -- низкий). Битовая скорость в каждой паре проводов -- 30 Мбит/с.

Центральным элементом в управлении доступом является хаб. Каждый хаб имеет один порт для каскадирования (uplink или cascade port) и несколько регулярных (обычных) портов, к которым подключаются конечные узлы или промежуточные хабы (каскадными портами). Без хабов построение сети невозможно Даже для соединения двух узлов. Сеть может содержать множество хабов, построенных в строго древовидную структуру. В сети имеется один корневой хаб (root hub), он может быть и единственным. Под ним могут находиться промежуточные хабы (к которым подключаются хабы следующих уровней) и хабы «листья», к которым подключаются только конечные узлы. Допускается иерархическое каскадирование до пяти уровней хабов. Возможная схема локальной сети показана на рисунке 1.5.

Топологические ограничения просты: длина любой линии (между хабом и узлом или между двумя хабами) не более 100 м (для кабеля категории 5 -- 200 м), количество уровней хабов -- не более пяти. Максимальное расстояние между узлами (диаметр сети) может достигать 2000 м (применение оптоволоконных соединений не дает возможности преодолевать этот барьер, поскольку ограничена максимальная задержка прохождения сигнала). Максимальное количество узлов сети -- до 1024 (рекомендуемое -- до 250).

Рисунок 1.5 - Пример сети 100VG-AnyLAN

Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11

На сегодняшний день существуют следующие разновидности данного стандарта построения беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 a/b/g.

Стандарт IEEE 802.11, принятый в 1997 г., стал первым стандартом данного семейства. Он предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц - 5 ГГц, а также технологии расширения спектра скачкообразной сменой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum или технологии расширения спектра по методу прямой последовательности. Direct Sequence Spread Spectrum DSSS. Стандарт IEEE 802.11 обеспечивает пропускную способность до 2 Мбит/с в расчете на одну точку доступа. В стадии рассмотрения находятся такие стандарты как IEEE 802.11e/f/h/i/j/n. Возможная схема локальной сети показана на рисунке 1.6.

Стандарт IEEE 802.11a

Стандарт IEEE 802.11 а предусматривает использование нового, не требующего лицензирования частотного диапазона 5 ГГц и модуляции по методу ортогонального мультиплексирования с разделением частот (Orthogonal Frequency Domain Multiplexing [OFDM]). Применение этого стандарта позволяет увеличить скорость передачи в каждом канале с 11 Мбит/с до 54 Мбит/с. При этом одновременно может быть организовано до восьми непересекающихся каналов (или точек присутствия), а не три, как в диапазоне 2,4 ГГц. Продукты стандарта IEEE 802.11а (сетевые адаптеры NIC и точки доступа) не имеют обратной совместимости с продуктами стандартов 802.11 и 802.11b, так как они работают на разных частотах.

Стандарт IEEE 802.11b

Стандарт IEEE 802.11b был принят в 1999 г. в развитие принятого ранее стандарта IEEE 802.11. Он также предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, но только с модуляцией DSSS. Данный стандарт обеспечивает пропускную способность до 11 Мбит/с в расчете на одну точку доступа.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе Альянса WH могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

В настоящее время ЕЕЕ 802.11b это самый распространенный стандарт, на базе которого построено большинство беспроводных локальных сетей.

Стандарт IEEE 802.11g

Проект стандарта IEEE 802.11g был утвержден в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с и превосходя, таким образом, ныне действующий стандарт 802.11b. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость передачи будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость составляет 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

Рисунок 1.6 - Пример сети Wi-Fi

WiMAX

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access, стандартизированная институтом IEEE технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Технологию WiMAX можно использовать для реализации широкополосных соединений "последней мили", развертывания точек беспроводного доступа, организации высокоскоростной связи между филиалами компаний и решения других подобных задач.

Предварительная версия технологии WiMAX обеспечивала функциональность с помощью оборудования, которое не было подвергнуто стандартизированному тестированию на предмет совместимости с технологией WiMAX. Целый ряд провайдеров услуг до сих пор используют такие предварительные аппаратные решения для реализации пилотных проектов WiMAX во многих уголках мира. Как только тестирование совместимости этих систем с технологией WiMAX будет выполнено, их, скорее всего, можно будет модернизировать программным образом в соответствии с требованиями окончательного стандарта WiMAX.

В идеале беспроводная технология WiMAX, основанная на отраслевых стандартах, разработана для организации недорогой скоростной связи для жилищ, предприятий и мобильных беспроводных сетей в городах и сельской местности. Обратите внимание на определение, в нем заранее "предусмотрено местечко" для взаимодействия магистрального WiMAX с "локальным" Wi-Fi.

Оборудование сетей WiMAX функционирует в нескольких частотных каналах шириной 10 МГц в пределах диапазона 2 ГГц - 11 ГГц. Разумеется, специфическое распределение частотных диапазонов разных стран диктует необходимость возможности работы WiMAX в разных участках. Столь широкий разброс диапазонов выбран для учета специфики большинства стран мира. Так, в Северной Америке для WiMAX используются участки в диапазонах 2,5 и 5 ГГц, в Центральной и Южной Америке - 2,5, 3,5 и 5 ГГц, на Ближнем Востоке, в Африке, Западной и Восточной Европе - 3,5 и 5 ГГц, в Азиатско-Тихоокеанском регионе - 2,3, 3,5 и 5 ГГц. По своей сути WiMAX представляет технологию, позволяющую обеспечить доступ в интернет со скоростью сетей класса T1, с производительностью и покрытием, гораздо большим, нежели у современных сетей Wi-Fi. В свою очередь, продолжением "магистральных веток" WiMAX как раз и становятся локальные сети Wi-Fi, различные типы бизнес и бытовых кабельных/DSL сетей конечных пользователей.

Обеспечивая коммуникации в радиусе 10 километров и более, точки WiMAX создают покрытие на значительных площадях, предоставляя провайдерам услуг достаточно гибкие условия для обеспечения этой самой пресловутой "связи последней мили". Возможная схема локальной сети показана на рисунке 1.7.



Рисунок 1.7 - Пример сети WiMAX

В целом базовые характеристики стандарта 802.16 предусматривают дальность действия до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости, в перспективе - пиковую скорость обмена данными до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции при том, что типовая базовая станция будет иметь до 6 секторов покрытия.

Внедрение WiMAX нынче подразделено на три основных фазы. Нынешняя первая фаза внедрения подразумевает внедрение и широкое распространение технологии WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004, заменившего собой ранние версии IEEE 802.16a и 802.16d, при котором используются внешние антенны по типу "сотовой тарелочки", фактически нацеленные на потребителей в фиксированных направлениях.

Преимущества и недостатки СКС приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Преимущества и недостатки СКС и Wi-Fi

	Преимущества	Недостатки
СКС	Высокая надежность и скорость передачи данных.	Длительные сроки проектирования и монтажа. Отсутствие мобильности, как пользователей, так и самой сети. Сложность расширения на новые территории.
Wi-Fi	Скорость развертывания. Беспроводная сеть может быть запушена в работу всего за несколько часов. Мобильность. Пользователи беспроводной сети могут свободно перемещаться. Также мобильна и сама сеть, ее легко перенести в другое место.	Скорость передачи данных ниже, чем в проводной сети. Необходимость получения разрешения на использование полосы частот.

1.2 Понятие виртуальной локальной сети

Предпосылки внедрения технологии виртуальной локальной сети в локальных сетях

Изначально коммутаторы не обеспечивали возможности создания Виртуальных Локальных сетей, так как они использовались для простой пересылки кадров между устройствами. Рынок коммутаторов начал быстро расти, когда концентраторы коллективного доступа к среде передачи данных (hubs) начали не справляться с растущими запросами на расширение полосы пропускания сети в связи с использованием приложений клиент-сервер, обеспечивающих Графический Интерфейс Пользователя (GUI).

Ключевая разница между коммутатором и концентратором заключается в том, как они работают с кадрами. Концентратор получает кадр, затем копирует и передает (повторяет) кадр во все другие порты. В этом случае сигнал повторяется, в основном продляя длину сетевого сегмента до всех подключенных станций. Коммутатор повторяет кадр во все порты, кроме того, из которого этот кадр был получен: unicast кадры (адресованные на конкретный MAC адрес), broadcast кадры, (адресованные для всех MAC адресов в локальном сегменте), и multicast кадры (адресованные для набора устройств в сегменте). Это делает их неприемлемыми для большого числа пользователей, так как каждая рабочая станция и сервер, подключенный к коммутатору, должен проверять каждый кадр для того, чтобы определить, адресован ли этот кадр ему или нет. В больших сетях, с большим количеством кадров, обрабатываемых сетевой картой, теряется ценное процессорное время. Это приемлемо для небольших рабочих групп, где передача данных имеет кратковременную "взрывную" природу.

Коммутатор работает с кадрами "интеллектуально" - он считывает MAC адрес входящего кадра и сохраняет эту информацию в таблице коммутации. Эта таблица содержит MAC адреса и номера портов, связанных с ними. Коммутатор строит таблицу в разделенной памяти и поэтому он знает, какой адрес связан с каким портом. Коммутаторы Cisco Catalyst создают эту таблицу, проверяя каждый кадр, попавший в память, и добавляют новые адреса, которые не были занесены туда ранее. Маршрутизаторы Cisco создали эту таблицу, адресуя ее по содержимому (content-addressable memory). Эта таблица обновляется и строится каждый раз при включении коммутатора, но мы можем настраивать таймер обновления таблицы в зависимости от наших нужд. На рисунке 1.8 показана CAM таблица коммутатора Catalyst 5000.

В этом примере столбец VLAN ссылается на номер VLAN, которой принадлежит порт назначения. Столбец Destination MAC ссылается на MAC адрес, обнаруженный в порту. Помните, что один порт может быть связан с несколькими MAC адресами, поэтому проверьте количество MAC адресов, которое может поддерживать наш коммутатор. Destination Ports описывает порт, из которого коммутатор узнал MAC адрес.

Cat5500> show cam dynamic VLAN Destination MAC Destination Ports or VCs --------------------- ------------------------------- ----------------------------------------- 1 00-60-2f-9d-a9-00 3/1 1 00-b0-2f-9d-b1-00 3/5 1 00-60-2f-86-ad-00 5/12 1 00-c0-0c-0a-bd-4b 4/10 Cat5500>

Рисунок 1.8. Таблица коммутации

Далее, коммутатор проверяет MAC адрес назначения кадра и немедленно смотрит в таблицу коммутации. Если коммутатор нашел соответствующий адрес, он копирует кадр только в этот порт. Если он не может найти адрес, он копирует кадр во все порты. Unicast кадры посылаются на необходимые порты, тогда как multicast и broadcast кадры передаются во все порты.

Коммутация была объявлена как "новая" технология, которая увеличивает пропускную способность и увеличивает производительность, но на самом деле коммутаторы это высокопроизводительные мосты (bridges) с дополнительными функциями. Коммутация это термин, используемый в основном для описания сетевых устройств Уровня 2, которые переправляют кадры, основываясь на MAC адресе получателя.

Два основных метода, наиболее часто используемых производителями для передачи трафика это cut-through и store and forward.

Коммутация cut-through обычно обеспечивает меньшее время задержки, чем store-and-forward потому, что в этом режиме коммутатор начинает передачу кадра в порт назначения еще до того, как получен полностью весь кадр. Коммутатору достаточно того, что он считал MAC адреса отправителя и получателя, находящиеся вначале Token Ring и Ethernet кадров. Большинство cut-through коммутаторов начинает пересылку кадра, получив только первые 30 - 40 байт заголовка кадра.

Store and forward копирует весь кадр перед тем, как пересылать кадр. Этот метод дает большую задержку, но имеет больше преимуществ. Возможности фильтрации, управления и контроль над потоком информации являются главными преимуществами этого метода. В дополнение, неполные и поврежденные кадры не пересылаются, так как они не являются правильными кадрами. Коммутаторы должны иметь буферную память для чтения и сохранения кадров во время принятия решения, что увеличивает стоимость коммутатора.

По мере улучшения технологий и захвата рынка новой технологией, начали возникать VLAN. Простейший путь понять Виртуальные сети - сравнить их с физической сетью. Физическая сеть может состоять из конечных станций, связанных маршрутизатором (или маршрутизаторами), которые используют одно физическое соединение. VLAN это логическое комбинирование конечных станций в одном сегменте на Уровне 2 и Уровне 3, которые, связаны напрямую без маршрутизатора. Обычно пользователям, разделенным физически, требуется маршрутизатор для связи с другим сегментом. Коммутаторы с возможностью построения VLAN изначально были внедрены в основных учебных городках и небольших рабочих группах. Сначала коммутация разрабатывалась по мере надобности, но сейчас это является обычной практикой внедрять коммутаторы и VLAN в сетях

Функции технологии виртуальной локальной сети в локальных сетях

Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности связей в сети - коммутатор позволяет локализовать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов иногда называют плоскими - из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.

Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.

При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:

· повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;

· изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.

Основные преимущества технологии виртуальных локальных сетей в локальных сетях

Виртуальные сети (VLAN) предлагают следующие преимущества:

· Контроль за широковещательным трафиком

· Функциональные рабочие группы

· Повышенная безопасность

Контроль над широковещательным трафиком: в отличие от традиционных LAN, построенных при помощи маршрутизаторов/мостов, VLAN может быть рассмотрен как широковещательный домен с логически настроенными границами. VLAN предлагает больше свободы, чем традиционные сети. Ранее используемые разработки были основаны на физическом ограничении сетей, построенных на основе концентраторов; в основном физические границы LAN сегмента ограничивались эффективной дальностью, на которую электрический сигнал мог пройти от порта концентратора. Расширение LAN сегментов за эти границы требовало использования повторителей (repeaters), устройств, которые усиливали и пересылали сигнал. VLAN позволяет иметь широковещательный домен вне зависимости от физического размещения, среды сетевого доступа, типа носителя и скорости передачи. Члены могут располагаться там, где необходимо, а не там, где есть специальное соединение с конкретным сегментом. VLAN увеличивают производительность сети, помещая широковещательный трафик внутри маленьких и легко управляемых логических доменов. В традиционных сетях с коммутаторами, которые не поддерживают VLAN, весь широковещательный трафик попадает во все порты. Если используется VLAN, весь широковещательный трафик ограничивается отдельным широковещательным доменом.

Функциональные рабочие группы: Наиболее существенным преимуществом технологии VLAN является возможность создания рабочих групп, основываясь на функциональности, а не на физическом расположении или типе носителя. Традиционно администраторы группировали пользователей функционального подразделения физическим перемещением пользователей, их рабочих мест и серверов в общее рабочее пространство, например в один сегмент. Все пользователи рабочей группы имели одинаковое физическое соединение для того, чтобы иметь преимущество высокоскоростного соединения с сервером. VLAN позволяет администратору создавать, группировать и перегруппировывать сетевые сегменты логически и немедленно, без изменения физической инфраструктуры и отсоединения пользователей и серверов. Возможность легкого добавления, перемещения и изменения пользователей сети - ключевое преимущество VLAN.

Повышенная Безопасность: VLAN также предлагает дополнительные преимущества для безопасности. Пользователи одной рабочей группы не могут получить доступ к данным другой группы, потому что каждая VLAN это закрытая, логически объявленная группа. Представим компанию, в которой Финансовый департамент, который работает с конфиденциальной информацией, расположен на трех этажах здания. Инженерный департамент и отдел Маркетинга также расположены на трех этажах. Используя VLAN, члены Инженерного отдела и отдела Маркетинга могут быть расположены на всех трех этажах как члены двух других VLAN, а Финансовый департамент может быть членом третьей VLAN, которая расположена на всех трех этажах. Сейчас сетевой трафик, создаваемый Финансовым департаментом, будет доступен только сотрудникам этого департамента, а группы Инженерного и отдела Маркетинга не смогут получить доступ к конфиденциальным данным Финансового департамента. Очевидно, есть другие требования для обеспечения полной безопасности, но VLAN может быть частью общей стратегии сетевой безопасности. Показанный ниже рисунок говорит о том, как функционирование VLAN может расширить традиционные границы.

Рис. 1.9 Функционирование ВЛС

Обзор технологии виртуальных локальных сетей в локальных сетях.

Типы виртуальных сетей

Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов долгое время была не стандартизована, хотя и была реализована в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Такое положение изменилось, так как институт IEEE окончательно принял спецификации 802.1q/p, которые описывают стандартный способ построения виртуальных сетей.

В виду долгого отсутствия стандартов каждый производитель разработал свою технологию построения виртуальных сетей, которая, как правило, была несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети проще создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе спецификации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаимодействия АТМ-коммутаторов с традиционным оборудованием локальных сетей. Существует несколько способов построения виртуальных сетей:

· Группировка портов.

· Группировка МАС-адресов.

· Использование меток в дополнительном поле кадра - частные протоколы и спецификации IEEE 802.1 Q/p.

· Спецификация LANE для АТМ-комутаторов.

· Использование сетевого уровня.

VLAN на основе группировки портов

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в виртуальные сети портов коммутатора

Рис. 1.10. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе с помощью группировки портов

Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.

Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно, такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.

Виртуальные локальные сети на основе группировки МАС-адресов

Второй способ, который используется для образования виртуальных сетей, основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора. Однако он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.

Рис. 1.11 Построение виртуальных сетей на нескольких коммутаторах с группировкой портов

Рисунок 1.11 иллюстрирует проблему, возникающую при создании виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирования портов. Если узлы какой-либо виртуальной сети подключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, информация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме того, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что затрудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Соединение виртуальных сетей, построенных на группировании портов, через маршрутизатор

Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе избавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требует выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.

Использование меток в дополнительном поле кадра - стандарты 802.1 Q/p и фирменные решения

Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информации и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутаторе принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.

Если используется дополнительное поле с пометкой о номере виртуальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия "коммутатор-коммутатор", а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один - они не поддерживаются другими производителями. Компания Cisco предложила использовать в качестве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных сетей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания использует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако, эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов.

Новый стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети. Стандарт IEEE 802.1p специфицирует метод указания приоритета кадра, основанный на использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q. К кадру Ethernet добавлены два байта. Эти 16 бит содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к VLAN и о его приоритете. Говоря точнее, тремя битами кодируется до восьми уровней приоритета, 12 бит позволяют различать трафик до 4096 VLAN, а один бит зарезервирован для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet. Надо сказать, что добавление двух байтов к максимальному размеру кадра Ethernet ведет к возникновению проблем в работе многих коммутаторов, обрабатывающих кадры Ethernet аппаратно. Чтобы избежать их, группы по стандартизации предложили сократить на два байта максимальный размер полезной нагрузки в кадре. Спецификация IEEE 802.1p, создаваемая в рамках процесса стандартизации 802.1Q, определяет метод передачи информации о приоритете сетевого трафика. Стандарт 802.1p специфицирует алгоритм изменения порядка расположения пакетов в очередях, с помощью которого обеспечивается своевременная доставка чувствительного к временным задержкам трафика. В дополнение к определению приоритетов стандарт 802.1p вводит важный протокол GARP (Generic Attributes Registration Protocol) с двумя специальными его реализациями. Первая из них - протокол GMRP (GARP Multicast Registration Protocol), позволяющий рабочим станциям делать запрос на подключение к домену групповой рассылки сообщений. Поддерживаемую этим протоколом концепцию назвали подсоединением, инициируемым "листьями". Протокол GMRP обеспечивает передачу трафика только в те порты, из которых пришел запрос на групповой трафик, и хорошо согласуется со стандартом 802.1Q. Второй реализацией GARP является протокол GVRP (GARP VLAN Registration Protocol), похожий на GMRP. Однако, работая по нему, рабочая станция вместо запроса на подключение к домену групповой рассылки сообщений посылает запрос на доступ к определенной VLAN. Для согласования работы устройств, поддерживающих формат кадра 802.1 Q, с теми устройствами, которые не понимают этот формат, разработчики стандарта предложили делить весь трафик в сети на несколько типов:

· Трафик входного порта

· Внутренний трафик

· Трафик выходного порта

Трафик входного порта (Ingress Port). Каждый кадр, достигающий коммутируемой сети и идущий либо от маршрутизатора, либо от рабочей станции, имеет определенный порт-источник. На основании его номера коммутатор должен "принять решение" о приеме (или отбрасывании) кадра и передаче его в ту или иную VLAN. Решение "судьбы" кадра, осуществляемое в единственной логической точке сети, делает возможным сосуществование самых разных видов VLAN. Приняв кадр, коммутатор "прикрепляет" к нему "ярлык" (tag) VLAN. Как только кадр с "ярлыком" VLAN оказывается в сети, он становится частью проходящего (Progress), или внутреннего трафика.

Внутренний трафик (Progress Traffic). Кадр с "ярлыком" коммутируется точно так же, как и без "ярлыка". Решения о его принадлежности к той или иной VLAN принимаются в пограничных элементах сети и остальные сетевые устройства индифферентно "относятся" к тому, как именно кадр попал в сеть. Так как максимальный размер кадра Ethernet остался неизменным, то пакеты всех VLAN смогут обрабатываться традиционными коммутаторами и маршрутизаторами внутренней части сети.

Трафик выходного порта (Egress Port). Чтобы попасть в межсетевой маршрутизатор или в оконечную рабочую станцию, кадр должен выйти за пределы коммутируемой сети. Ее выходное устройство "решает", какому порту (или портам) нужно передать пакет и есть ли необходимость удалять из него служебную информацию, предусмотренную стандартом 802.1Q. Дело в том, что традиционные рабочие станции не всегда воспринимают информацию о VLAN по стандарту 802.1Q, но сервер, обслуживающий несколько подсетей с помощью единственного интерфейса, должен ее активно использовать.

Условное деление трафика на внутренний, а также входного и выходного портов позволяет поставщикам нестандартных реализаций VLAN создавать шлюзы для их стыковки с VLAN, соответствующими стандарту 802.1Q.

Настройка VLAN Транков

Транки используются для обмена информацией о VLAN между коммутаторами, обеспечивая тем самым возможность построения сетей VLAN, перекрывающих физические границы коммутатора. Концепция транкинга подобна протоколам маршрутизации, используемым для построения сетевой топологии. Коммутаторы используют транковые протоколы для того, чтобы определить, на какой порт посылать кадры, если VLAN перекрывает физические границы. Используя транковый протокол, одна и та же VLAN может быть объявлена на каждом этаже 12-этажного дома. Коммутаторы Catalyst поддерживают различные транковые методы:

· Inter-Switch Link (ISL) Fast Ethernet (100 Mbps), Gigabit Ethernet (1000 Mbps)

· IEEE 802.1Q Fast Ethernet (100 Mbps), Gigabit Ethernet (1000 Mbps)

· IEEE 802.10 Fiber/Copper Distributed Data Interface (FDDI)/(CDDI) (100 Mbps)

· LAN Emulation ATM (155 Mbps OC-3 and 622 Mbps OC-12)

Это всегда хорошая идея, посмотреть "Release Notes" новых версий операционной системы коммутатора, так как они включают новые функции и возможности коммутаторов. Это поможет убедиться в том, что коммутатор будет поддерживать функции, требуемые для построения вашей сети

Использование спецификации LANE

Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кадра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а ячейкам технологии АТМ или пакетам сетевого уровня.