Локальная вычислительная сеть для ОАО "АВАР"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

В дипломном проекте в соответствии с техническим заданием разработана локальная вычислительная сеть для ОАО «АВАР». Данная локальная вычислительная сеть предназначена для автоматизации хозяйственной деятельности фирмы, обеспечивающей хранение и коллективное использование информации, предусматривающей возможность печати различных документов и доступа в Интернет. Приведен обоснованный выбор таких основных параметров ЛВС, как: архитектура, топология, технология, структура. Выбрано оборудование и программное обеспечение, которое будет установлено на рабочих станциях и серверах. Осуществлен выбор среды передачи данных и, согласно количества рабочих мест, а также необходимости структуризации сети и локализации трафика, требуемого количества активного сетевого оборудования.

Представлены математические расчеты (расчет информационного потока от простого обмена файлами и от баз данных, а также методика расчета сетей Fast Ethernet на повторителях и методика оценки необходимой производительности коммутатора) и подтверждающие их результаты имитационного моделирования.

Проведен экономический анализ разработки. Он включает расчет затрат на создание и внедрение проекта сети, затрат на эксплуатацию, а также определение экономической эффективности проекта. На основании этих затрат и экономического эффекта рассчитаны: срок окупаемости и интегральный показатель эффективности и качества.

Освещены вопросы по охране труда и технике безопасности. Рассмотрены безопасность работы с компьютерами, пожарная и электробезопасность, а также все положения, указанные в санитарных нормах и правилах (организация рабочего места, требования к помещениям и др.).

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широко используются новейшие информационные технологии и компьютерные сети. Для выживания в условиях рынка надо постоянно бороться за эффективность труда, уменьшение затрат на производство продукта, улучшение обслуживания клиента. Возрастает объем обрабатываемой информации (бухгалтерский учет, управленческая деятельность, учет хозяйственной деятельности). Поэтому требуются современные средства подготовки и реализации информационного взаимодействия на предприятии. Наиболее рациональным является применение сетей. Эти задачи ранее традиционно решались вручную и с использованием компьютеров, не объединенных в сеть. Взаимодействие между рабочими станциями осуществлялось с помощью дискет и бумажных носителей. В связи с развитием объема и спектра услуг такой способ работы неэффективен. В результате компьютеры использовались неэффективно. Поэтому необходимо построение распределенной системы (системы автоматизированной обработки информации), разработка вычислительной сети, которая бы служила для решения рабочих задач наилучшим образом и оптимально использовала компьютеры и периферийные устройства.

Достоинства компьютерных сетей обусловили их широкое распространение в информационных системах кредитно-финансовой сферы, органов государственного управления и местного самоуправления, предприятий и организаций. Современное производство требует высоких скоростей обработки информации, удобных форм ее хранения и передачи. Необходимо иметь динамичные способы обращения к информации, способы поиска данных в заданные временные интервалы; реализовывать сложную математическую и логическую обработку данных. Управление крупными предприятиями, управление экономикой на уровне страны требуют участия в этом процессе достаточно крупных коллективов. Для решения задач управления, обеспечивающих реализацию экономической стратегии, становятся важными и актуальными скорость и удобство обмена информацией, а также возможность тесного взаимодействия всех участвующих в процессе выработки управленческих решений.

Использование сети приводит к совершенствованию коммуникаций, к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, его клиентами и поставщиками. Сети снижают потребность предприятий в таких формах передачи информации, как телефон или обычная почта.

Вычислительная сеть обладает возможностью распараллеливания вычислений, за счет чего достигается повышение производительности и отказоустойчивости (способности системы выполнять свои функции при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных). Кроме того, распределенные системы - это:

· лучшее соотношение производительность-стоимость;

· совместное использование данных и устройств (дисковых массивов большой емкости, цветных принтеров, модемов, оптических дисков, сканеров);

· прозрачность предоставления услуг;

· оперативный доступ к информации;

· использование внешних данных;

· интеграция информационных систем.

Главное доказательство актуальности и эффективности сетей - факт их повсеместного распространения. Все больше и больше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобальными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров.

Конечной целью использования вычислительных сетей на предприятии является повышение эффективности его работы, которое выражается, например, в увеличении прибыли предприятия. Если благодаря компьютеризации снизились затраты на производство продукта, сократились сроки разработки новой модели или ускорилось обслуживание заказов потребителей - данному предприятию нужна сеть.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1 Анализ предпроектной ситуации

Предприятие ОАО «АВАР» на протяжении 30 лет является поставщиком современного и надежного электрооборудования для автомобилей, автобусов и сельскохозяйственной техники всем автосборочным предприятиям России и СНГ. ОАО «АВАР» является одним из основных поставщиков авто-электрооборудования таким заводам, как ВАЗ, ГАЗ, ЗИЛ, БелАЗ, КамАЗ, изделия которых получили широкую известность. При проектировании и производстве изделий накоплен творческий потенциал и многолетний опыт в создании высоконадежных электромагнитных реле, выключателей и переключателей, предохранителей и электронных блоков.

Продукция завода имеет известность и на мировом рынке, более 30 стран получают изделия предприятия, в том числе автосборочные заводы AUDI, FORD, VOLKSWAGEN. Современное оснащение производства оборудованием ведущих производителей Германии, США, Японии, Австрии, Швейцарии способствует эффективной реализации новых конструкторских решений, позволяет занимать новые высоты в показателях надежности и качества, вносить свой вклад в создание лучших автомобилей.

Для взаимодействия всех структур и подразделений необходимо иметь локальную вычислительную сеть, удовлетворяющую требованиям к ее отказоустойчивости и быстродействию. Предприятие располагается на достаточно большой площади и имеет много строений. Требуется разработать локальную вычислительную сеть для отдельно стоящего двухэтажного здания на территории предприятия.

Существует два основных метода проектирования и моделирования работы ЛВС: математический и имитационный.

Математическому моделированию предшествует создание концептуальной модели, определяющий объект, цель и условия моделирования. Изучение модели, заменяющей объект исследования, и выполненные над ней операции позволяют получить информацию о реальном объекте. Математическое моделирование можно разделить на аналитическое и имитационное. При аналитическом моделировании процессы функционирования элементов системы записываются в виде алгебраических соотношений и логических условий.

Характерной чертой массового обслуживания является случайный поток заявок и случайная продолжительность времени обслуживания. Поэтому прогноз относительно единичного события может быть только вероятностным. При совместном использовании ограниченных ресурсов возникают очереди. Многообразие приложений теории массового обслуживания определяет постоянно растущий интерес к ней, а сложность возникающих задач не позволяет получить исчерпывающие решения на базе аналитических методов даже при численной реализации последних. Этот метод достаточно громоздкий и не позволяет производить оперативный анализ изменений ЛВС. В таких ситуациях прибегают к имитационному моделированию, представляющему собой незаменимый инструмент анализа эксплуатационных и многих других проблем.

При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени и пространстве. Результаты каждого шага моделирования могут интерпретироваться как состояние системы в определенный момент времени, а метод может быть определен как наблюдение во времени за характеристиками динамической модели системы.

Существует такой метод исследования как линейное программирование, но проблемой его использования является сложное программирование для распределенных систем.

Организация расчётов эффективности вычислительных систем с использованием универсальной математической модели функционирования сети позволяет построить достаточно много вариантов. Общими требованиями к ним считаются:

однозначность отображения аппаратного состава и основных взаимосвязей технических средств;

учёт основных особенностей многопрограммных режимов функционирования сети;

отображение стохастической природы и многофазного характера процессов функционирования.

Считается, что модели такого рода можно строить с помощью аппарата теории массового обслуживания.

Имитационное моделирование позволяет производить комплексную оценку оборудования и процессов (технологий, программного обеспечения), используемых в ЛВС. При этом воспроизводятся реальные процессы в объекте, исследуются особые случаи, воспроизводятся реальные и гипотетические критические ситуации. Основное достоинство имитационного моделирования - реальная возможность проведения экспериментов с исследуемым объектом, не прибегая к физической реализации, что позволяет предсказать и предотвратить большое число неожиданных ситуаций в процессе эксплуатации, которые могли бы привести к неоправданным затратам при их устранении.

При имитационном моделировании конкретной ЛВС возможно провести:

определение минимально необходимого, но обеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информации оборудования в настоящее время;

оценить необходимый запас производительности оборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственных потребностей в ближайшее время;

выбрать несколько вариантов оборудования сегментов с учетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критерия стоимости оборудования;

проверить работу вычислительной системы.

1.2 Техническое задание

Назначение проекта:

Цель разработки - проектирование локальной вычислительной сети для ОАО «АВАР», охватывающей одно двухэтажное здание и включающей в себя 31 рабочее место.

Данная локальная вычислительная сеть предназначена для автоматизации хозяйственной деятельности фирмы, обеспечивающей хранение и коллективное использование информации, предусматривающей возможность печати различных документов и доступа в Интернет. ЛВС должна обеспечить доступ пользователей к базе внутренних руководящих документов (приказы, инструкции), совместное использование корпоративных БД (пакет 1С), работу с пакетами коммуникационных программ (для выхода в сеть Internet, работы с электронной почтой).

Функциональные требования:

- эффективное разделение ресурсов между пользователями;

- централизованное управление сетью;

- стабильная работа всех пользователей в соответствии с решаемыми задачами на каждом конкретном рабочем месте (работа с офисными приложениями: Microsoft Office 2007, Microsoft Visio 2007, 1С: Предприятие 8.0; Правовые системы Гарант и Консультант +; электронная почта для получения и отправки документов);

- защищенный доступ в Internet;

- производительность;

- надежность;

- совместимость;

- управляемость;

- защищенность;

- расширяемость и масштабируемость;

- резерв в ресурсах для подключения дополнительных рабочих мест.

Технические требования:

Обеспечение реакции серверов на запросы с задержкой, не превышающей 1-2 секунды.

Используется сетевой стандарт (технология) Fast Ethernet (максимальная пропускная способность 100 Мбит/с).

Средняя загруженность канала связи 0,6 Мбит/с.

Пропускная способность сети должна с запасом удовлетворять требованиям к скорости передачи информации по сети организации.

Требования к аппаратным составляющим комплекса в рамках ЛВС (оборудование узлов сети должно удовлетворять следующим требованиям):

иметь сертификат Минсвязи РФ на использование в сетях передачи данных;

Соответствовать условиям эксплуатации:

окружающая температура - +5оС +50оС;

влажность - 20% 90%;

электропитание - 220В 10В, 50 Гц от сети переменного тока.

Сетевое оборудование должно поддерживать следующие международные стандарты:

IEEE 802.3x full duplex

IEEE 802.1Q VLAN

IEEE 802.3z, IEEE 802.3x

IEEE 802.3u 100BaseTX

Требования к структурированным кабельным системам (СКС)

СКС должна быть выполнена в соответствии с международным стандартом ISO/IEC 11801 на кабельные системы. Кабель должен прокладываться: по коридорам в металлических лотках; внутри комнат - в декоративном пластиковом коробе.

Системные требования:

Сетевая операционная система (Windows 2003 Server) - должна быть совместима с используемым программным обеспечением, должна обеспечивать совместную работу с другими операционными системами, установленными на рабочих станциях предприятия.

Требования к программному обеспечению:

Программное обеспечение (ПО) ЛВС должно обеспечить управление всеми информационными ресурсами ЛВС.

ПО ЛВС должно осуществлять:

получение информации о состоянии аппаратных и программных средств, входящих в сеть;

сбор статистики и мониторинг основных параметров производительности сети;

скорости передачи пакетов, нагрузки, уровня ошибок и др.;

управление при отказах сети;

управление конфигурацией сети и рабочими характеристиками;

управление доступом абонентов.

Пользовательские требования:

Необходимо обеспечить: прозрачность ЛВС, доступ к базам данных, выход в Internet, работу с электронной почтой, правовыми системами, информационную безопасность, производительность.

Операционная система на клиентских компьютерах (рабочих станциях) - Microsoft Windows XP Professional.

Информационные требования:

Информационные ресурсы должны быть доступны и администрированы с точки зрения информационной безопасности. Необходимо обеспечить: доступ к разделяемым ресурсам (данным и оборудованию), получение электронных сообщений (e-mail), использование баз данных, поддержку различных видов трафика.

Требования к надежности:

- высокая готовность (в течение всего времени использования системы);

- обеспечение сохранности данных и защиты информации.

Сеть должна безотказно работать 24 часа в день и 7 дней в неделю. Неисправности и сбои должны быть скрыты и невидимы для конечного пользователя.

Сеть не должна находиться в состоянии неработоспособности более 0,005% от полного времени работы (это составляет около 30 мин простоя в год для непрерывно функционирующей системы).

Система бесперебойного питания основного оборудования ЛВС должна обеспечить выполнение следующих функции:

обеспечение электропитания центрального (основного) оборудования ЛВС при отсутствии внешнего питания;

защита активного оборудования от импульсных помех внешней электросети;

поддержка питания в пределах номинальных значений.

Требования по безопасности:

Контроль сообщений, проверка антивирусными программами электронной почты и Интернет взаимодействия, контроль доступа и ведение журнала безопасности, контроль физической среды, резервное хранение данных.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Аналитическая часть

Имитационное моделирование уже обосновалось в арсенале средств прогноза, анализа и оптимизации. Свидетельство этому - множественные успешные решения в производстве, обслуживании, маркетинге. Имитационное моделирование потенциально может быть использовано в таких областях практической экономики, как системные исследования бизнеса, технологий и новых решений в любой средней и крупной компании, и должно стать важным инструментом при принятии крупных и ответственных системных решений на предприятии. Спрос на имитационное моделирование в зависимости от отраслей представлен на рис.2.1.

Потребность в моделировании возникает при необходимости оценить и сравнить ещё не реализованные варианты, а также при желании оптимизировать текущие процессы. Имитационное моделирование используется при анализе производительности компьютерных систем и сетей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.1 Структура спроса на имитационное моделирование в России по областям применения (сверху вниз по убыванию градуса интереса)

То, что поставляется заказчику, более корректно называть не имитационной моделью, а системой поддержки принятия решений (СППР). Наиболее типичные из сценариев использования имитационных моделей в практике таковы:

1. Модель полностью встроена в производственный или бизнес-процесс, запускается автоматически при выполнении соответствующих операций;

2. Модель оформлена в виде утилиты, регулярно запускающейся вручную при принятии оперативных решений;

3. Модель оформлена в виде (распределённой) игры, использующейся для обучения сотрудников;

4. Модель создаётся для оценки и сравнения вариантов предполагаемых изменений (модернизации) или для выработки оптимальной стратегии;

5. Модель создаётся ради динамической визуализации (демонстрации) работы проектируемого объекта - как дополнительный аргумент.

Наиболее часто встречающаяся архитектура СППР показана на рис.2.2. Имитационная модель - это часть СППР, причём не обязательно самая большая и часто далеко не самая трудоёмкая. Роль оптимизатора - выбрать близкое к оптимальному решение из числа возможных, запуская модель много раз с различными параметрами. Эвристики «скрывают» от оптимизатора большое число прямых параметров модели, заменяя их небольшим числом «настроечных» параметров, с которыми оптимизатор должен легко справляться. Эвристики могут быть самым интеллектуальным модулем во всей системе, для их разработки часто приглашаются профессиональные математики. Модель часто конфигурируется из базы данных, например, считывая оттуда наиболее свежую информацию. Для пользователей создаются специализированные интерфейсы с возможностью задавать параметры, запускать эксперименты, просматривать результаты в виде различных графиков, таблиц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.2 Типичная архитектура системы поддержки принятия решений

Поскольку большая доля приложений имитационного моделирования приходится на оперативно-тактические задачи в сфере логистики, производства и систем обслуживания, основным используемым методом является дискретно-событийное моделирование либо в традиционном его понимании (взгляд на систему как на процесс и задание процесса как последовательности операций и множества ресурсов), либо, реже, в агентном исполнении (взгляд на систему как на совокупность активных объектов и задание их индивидуальных поведений и взаимодействия).

Чтобы построить имитационную модель объекта, его нужно вначале подробно изучить и проанализировать по интересующим составным частям. Системный анализ (СА) является основным инструментом, позволяющим структурировать объект на составные элементы и содержательно описывать во взаимосвязи друг с другом каждый элемент. СА является необходимым инструментом для построения любой модели и, особенно, имитационной.

После анализа объекта при помощи СА, его поэлементное описание должно быть воплощено в структурную схему этого объекта, построенную с точки зрения тех целей, для которых осуществляется модельное исследование. Признанным инструментом для этого является программно-целевое планирование (ПЦП), которое выстраивает соответствующие цепочки, или иерархии элементов объекта в соответствии с поставленными целями объекта. ПЦП фактически является схемой и алгоритмом, описывающим варианты деятельности объекта моделирования. Наиболее целесообразный способ выполнения этапа ПЦП предполагает разработку и применение так называемого языка пользователя.

После того, когда получена целевая структура модели и программа ее исследования, строится компьютерная имитирующая модель. Компьютерная модель в динамическом режиме замыкает и оживляет этапы СА и ПЦП, позволяя просчитать все необходимые варианты (программы) функционирования объекта. Каждый вариант (программа) фиксируются определенными заданными показателями, которые виртуально отображают состояния и функционирование объекта в том или ином варианте.

Применяемость имитационного моделирования в различных сферах деятельности характеризует общий уровень подготовки решения и, следовательно, эффективность принимаемых решений. Имитационное моделирование позволяет сопрягать без противоречий различные математические методы и схемы моделирования систем, используя безразмерные информационные потоки; позволяет отыскивать оптимальные решения с учетом многоцелевых функций, оценивать устойчивость систем, рассчитывать надежность функционирования моделируемых объектов, принимать решения.

В общем случае структура как аналитической, так и имитационной модели системы может быть задана следующим образом:

, (2.1)

где - множество входных воздействий; - множество выходных воздействий; - заданное отношение (либо совокупность взаимосвязанных отношений , , полученная при декомпозиции отношения ). Множество представляется декартовым произведением , где - множество контролируемых (наблюдаемых, управляемых) входных воздействий, а - множество входных воздействий, о которых имеется только косвенная информация. Сведения об элементах множества можно задавать по-разному, используя, например, детерминированные, вероятностные, статистические, нечеткие математические структуры либо их комбинацию. В общем случае элементы множеств и являются функциями времени (либо какого-нибудь другого независимого аргумента):

, , , ,

где - множество моментов времени; - алфавит объекта ; - алфавит объекта , , . Тогда модель (2.1) может быть задана как отношение вида: .

Имитационные модели - это такие модели, с помощью которых нельзя заранее вычислить или предсказать результат поведения реально существующего (либо создаваемого) объекта. Для этого необходим эксперимент с моделью на компьютере при заданных входных воздействиях.

Теория очередей (теория массового обслуживания) позволяет исследовать процессы накопления и рассасывания очередей в стационарных (установившихся) режимах работы систем и сетей. Соответственно исходные данные и результаты расчета задаются вероятностными распределениями и/или их числовыми характеристиками.

Модель теории очередей образуют:

1) поток заявок;

2) процесс обслуживания (число каналов, их однородность и специализация, распределения длительности обслуживания);

3) дисциплина обслуживания (FIFO, LIFO, случайный выбор из очереди, квантованное обслуживание, различные варианты приоритетов);

4) показатели эффективности (они включаются в модель, поскольку выбор показателя может существенно повлиять на метод решения задачи).

Поток заявок обычно считается рекуррентным (с произвольным, но одинаковым распределением между смежными заявками) и описывается распределением интервалов между смежными заявками. Если оно подчинено показательному закону, мы имеем дело с простейшим потоком (Пуассона). Это предположение часто выполняется на практике, чему имеются теоретические основания (теоремы о суммировании и прореживании потоков).

Каналы обслуживания, как правило, считаются тождественными, полнодоступными и работающими независимо от других.

Под дисциплиной обслуживания понимается порядок выбора заявок из очереди. Типичной считается FIFO (первый пришел - первый обслужен). Весьма характерен и случайный выбор из очереди (RANDOM), расчет которого сопряжен со значительными, но преодолимыми трудностями. Имеется возможность рассчитывать одноканальные системы со статическими (постоянными) приоритетами - без прерывания и с разными вариантами прерывания, а также с динамическим относительным приоритетом, возрастающим по времени ожидания.

Показатели эффективности систем массового обслуживания (СМО) классифицируются в двух смыслах: по точке зрения (хозяин или пользователь) и по типу значений (счетные и временные). Пользователя интересуют в основном реактивность системы (распределение времени ожидания и его моменты, средняя длина очереди), распределение полного времени пребывания, а также вероятность отказа в приеме на обслуживание (при ограниченной очереди). Для хозяина по экономическим соображениям желателен высокий коэффициент загрузки системы. Он считается по формуле:

,

где - интенсивность потока заявок, b - среднее время обслуживания, n - число каналов. Очевидна противоположность интересов сторон: чем выше коэффициент загрузки, тем меньше будут удовлетворены заказчики. С общесистемных позиций в показателе качества работы СМО должны учитываться интересы обеих сторон.

Производительность системы измеряется средним числом обслуженных в единицу времени заявок. В стационарном (установившемся) режиме при неограниченном ожидании она равна среднему числу заявок, прибывающих в систему за то же время, т. е. известной входной величине. При заданном входящем потоке производительность системы приходится рассчитывать только для систем с потерями (ограниченном ожидании) и замкнутых систем с примитивным входящим потоком.

Простейшие методы (Эрланга) позволяют рассчитывать только марковские системы - с чисто показательными временными распределениями. Более сложные системы подвергаются марковизации методами линейчатых процессов, вложенных цепей Маркова, фазовых аппроксимаций или их комбинациями. Теоретическими основами численных методов расчета являются аппроксимация распределений по методу моментов (выравнивание некоторого числа последних) и законы сохранения заявок, стационарной очереди, вероятностей состояний и объема работы.

Проектирование сети, как и любой сложной системы, начинается с этапа системного проектирования и предполагает создание математической модели сети и исследование этой модели на компьютере. Одной из задач проектирования сети является определение пропускных способностей каналов связи на основе заданных структурно-функциональных и нагрузочных параметров, таких как внешние интенсивности поступления сообщений от пользователей в сеть, алгоритм маршрутизации, вариант размещения прикладных программ и наборов данных по узлам сети, способ взаимодействия пользователей сети.

На основе аналитической модели решается задача определения пропускных способностей каналов связи в распределенных системах при ограничениях на время доставки пакетов или на стоимость сети, с учетом таких особенностей, как топология сети, алгоритм маршрутизации пакетов, вариант размещения прикладных программ и наборов данных по узлам сети, типы каналов связи, способ взаимодействия пользователей сети. Имитационная модель сети предназначена для детального анализа характеристик функционирования сети, таких как пропускные способности каналов связи, время задержки пакетов при передаче по каждому каналу и в сети в целом, а также загрузку каждого канала. Рассчитываются интенсивности потоков пакетов в каналах связи и вероятности передачи пакетов от пользователей в сеть, между каналами и из сети к пользователям.

Известно, что те из них, которые можно признать достаточно серьезными с математической точки зрения, стоят несколько десятков тысяч долларов, то есть по стоимости приближаются по стоимости самой ЛВС. Вряд ли такие затраты можно признать рациональными [19].

2.2 Проектная часть

Любая локальная вычислительная сеть (ЛВС) характеризуется такими параметрами как: архитектура, топология, технология, структура.

2.2.1 Выбор физической топологии сети

Топология сети определяется размещением узлов в сети и связей между ними. Из множества возможных построений выделяют следующие структуры:

1) Топология «звезда». Каждый компьютер через сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к объединяющему устройству. Все сообщения проходят через центральное устройство, которое обрабатывает поступающие сообщения и направляет их к нужным или всем компьютерам. Звездообразная структура предполагает нахождение в центральном узле концентратора или коммутатора.

Достоинства «звезды»:

простота периферийного оборудования;

каждый пользователь может работать независимо от остальных пользователей;

высокий уровень защиты данных;

легкое обнаружение неисправности в кабельной сети.

Недостатки «звезды»:

выход из строя центрального устройства ведет к остановке всей сети;

высокая стоимость центрального устройства;

уменьшение производительности сети с увеличением числа компьютеров, подключенных к сети.

2) Топология «кольцо». Все компьютеры соединяются друг с другом в кольцо. Здесь пользователи сети равноправны. Информация по сети всегда передается в одном направлении. Кольцевая сеть требует специальных повторителей, которые, приняв информацию, передают ее дальше; копируют в свою память (буфер), если информация предназначается им; изменяют некоторые служебные разряды, если это им разрешено. Информацию из кольца удаляет тот узел, который ее послал.

Достоинства «кольца»:

отсутствие дорогого центрального устройства;

легкий поиск неисправных узлов;

отсутствует проблема маршрутизации;

пропускная способность сети разделяется между всеми пользователями, поэтому все пользователи гарантированно последовательно получают доступ к сети;

простота контроля ошибок.

Недостатки «кольца»:

трудно включить в сеть новые компьютеры;

каждый компьютер должен активно участвовать в пересылке информации, для этого нужны ресурсы, чтобы не было задержек в основной работе этих компьютеров;

в случае выхода из строя хотя бы одного компьютера или отрезка кабеля вся сеть парализуется.

3) Топология «общая шина». Предполагает использование одного кабеля (шины), к которому непосредственно подключаются все компьютеры сети. В данном случае кабель используется всеми станциями по очереди, т.е. шину может захватить в один момент только одна станция. Доступ к сети осуществляется путем состязания между пользователями. В сети принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать данные. Возникающие конфликты разрешаются соответствующими протоколами. Информация передается на все станции сразу.

Достоинства «общей шины»:

простота построения сети;

сеть легко расширяется;

эффективно используется пропускная способность канала;

надежность выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособности сети в целом.

Недостатки «общей шины»:

ограниченная длина шины;

нет автоматического подтверждения приема сообщений;

возможность возникновения столкновений (коллизий) на шине, когда пытаются передать информацию сразу несколько станций;

низкая защита данных;

выход из строя какого-либо отрезка кабеля ведет к нарушению работоспособности сети;

трудность нахождения места обрыва.

4) Топология «дерево». Эта структура позволяет объединить несколько сетей, в том числе с различными топологиями или разбить одну большую сеть на ряд подсетей. Разбиение на сегменты позволит выделить подсети, в пределах которых идет интенсивный обмен между станциями, разделить потоки данных и увеличить производительность сети в целом. Объединение отдельных ветвей (сетей) осуществляется с помощью устройств, называемых мостами или шлюзами. Шлюз применяется в случае соединения сетей, имеющих различную топологию и различные протоколы. Мосты объединяют сети с одинаковой топологией, но может преобразовывать протоколы. Разбиение сети на подсети осуществляется с помощью коммутаторов и маршрутизаторов.

Выбираем топологию звезда благодаря хорошей масштабируемости (наращиваемости) и более высокой надежности.

2.2.2 Выбор сетевой технологии

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Это некие правила работы, определяемые конкретным производителем.

Самыми популярными базовыми сетевыми технологиями являются:

Token Ring (маркерный способ доступа). Отрезки кабеля, соединяющие соседние станции, образуют кольцо. Для доступа станций к физической среде используется кадр специального формата и назначения. Максимальная битовая скорость 16Мбит/c, максимальный диаметр сети 4 км.

Ethernet. Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. Для различных спецификаций Ethernet максимальная битовая скорость не менее 10 Мбит/с, максимальный диаметр сети - не менее 200 метров.

FDDI (оптоволоконный интерфейс распределенных данных). Во многом основывается на технологии Token Ring. Строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - основной способ повышения отказоустойчивости сети. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки только первичного кольца. В случае обрыва кабеля или отказа узла первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Максимальная длина сети 200 км. Максимальная пропускная способность 100 Мбит/с. Для создания небольшой сети предприятия эта технология слишком дорога.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet, превышает 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet более 50 миллионов. Технология Ethernet позволяет использовать различные среды передачи.

Передача информации по сети производится пакетами. Каждый пакет содержит адрес передающего и принимающего устройств, что позволяет ему достигать адресата.

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Метод доступа к среде носит вероятностный характер, и возможность доступа зависит от загруженности сети.

Fast-Ethernet (расширение Ethernet) - стандарт сетей со скоростью обмена (передачи) 100 Мбит/с. Этот стандарт получил название 802.3u.

Ethernet и Fast Ethernet-сети используют протокол CSMA/CD. Этот протокол позволяет в каждый момент времени только одному устройству передавать данные. Когда два устройства пытаются одновременно передавать информацию, возникает коллизия, которая обнаруживается передающими устройствами. Устройства останавливают передачу и ждут, когда можно будет повторно начать передачу данных.

На основе Ethernet была построена технология Fast Ethernet. Ее спецификации:

100Base-TX - для двух витых пар категории 5

100Base-FX - используется оптоволоконный кабель

100Base-T4 - для четырех витых пар категории 3

Кабельная система является фундаментом сети. От правильности ее построения зависит не только нормальное функционирование сети, но и удобство в работе.

Достоинством коаксиальных кабелей с точки зрения прокладки является то, что все узлы подключаются к единому кабелю, недостатком - их низкая пропускная способность (до 10 Мбит/с), что недостаточно для большинства современных приложений. Такая сеть образует единый домен коллизий, что плохо сказывается на общей производительности сети. Недостатком является сложность поиска неисправностей в сети, а также, что такое сетевое оборудование сложно найти в продаже.

Основным достоинством кабеля на витой паре является высокая пропускная способность до 100 Мбит/с. При применении коммутаторов сеть разбивается на несколько доменов коллизий, что увеличивает общую пропускную способность и надежность работы. Достоинством является и легкость поиска неисправностей. Если вышел из строя какой-то узел, то дело либо в нем, либо в порте коммутатора. Если сеть не работает полностью то, скорее всего, вышел из строя коммутатор.

Преимуществом оптоволоконного кабеля является высокая пропускная способность. Недостатком является сложность прокладки, так как оптоволоконный кабель достаточно хрупкий. Оптоволоконный кабель проигрывает UTP-кабелю по цене. А если посмотреть на запас, который дает витая пара по скорости (1000 Мбит/с), то предпочтение отдается кабелю на витой паре. Но оптоволоконный кабель может пригодиться для прокладки линии между двумя удаленными зданиями, так как позволяет передавать данные без промежуточного усиления на расстояние до нескольких километров.

При выборе сетевой технологии (и ее спецификации) важны требования:

дешевизна построения сети

используемый кабель должен быть гибким, так как надо производить его разводку по помещениям сложной геометрии.

отказоустойчивость

На сегодняшний день актуальна, широко используется технология Fast Ethernet. Данная сетевая технология наиболее применима для предприятия из-за оптимального соотношения цена/качество. Стандарт рассчитан на применение сетевой топологии типа звезда. Выбор технологии Fast Ethernet позволит обеспечить высокое быстродействие. Оптимальной сетевой технологией будет 100Base-TX. Она обладает большой пропускной способностью, дешева в построении.

2.2.3 Выбор архитектуры системы

Архитектура сети представлена в трех видах: терминал-сервер, одноранговая, клиент-сервер.

В первой сети вся обработка данных осуществляется сервером. Достоинства: относительная дешевизна организации сети, удобное управление сетью. Главный недостаток - при выходе из строя серверной части сеть не работает.

Одноранговая сеть - нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого центра для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции клиента и сервера. В одноранговых сетях дисковое пространство и файлы на любом рабочем месте могут быть общими (доступны для всех). Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям.

Достоинства одноранговых сетей: низкая стоимость; высокая надежность; ограничение до 10 компьютеров; отдельные ПК не зависят от выделенного сервера; нет необходимости в квалифицированном персонале (администраторе).

Недостатки одноранговых сетей: зависимость эффективности работы сети от количества станций; сложность управления сетью; сложность обеспечения защиты информации; трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между клиентами (рабочими станциями) и ряд сервисных функций.

Сервер (объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам) - это высокопроизводительный компьютер с большим объёмом внешней памяти, который обеспечивает обслуживание других компьютеров путем управления распределением дорогостоящих ресурсов совместного пользования (программ, данных и периферийного оборудования).

На сервере устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства - жесткие диски, принтеры и модемы. Взаимодействие между рабочими станциями в сети осуществляются через сервер.

Достоинства сети с выделенным сервером:

надежная система защиты информации;

высокое быстродействие;

отсутствие ограничений на число рабочих станций;

простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостатки сети:

высокая стоимость;

зависимость быстродействия и надежности от работоспособности сервера;

меньшая гибкость по сравнению с одноранговыми сетями.

Согласно техническому заданию необходимо обеспечить работу с базами данных, правовыми системами. Данные приложения работают в режиме клиент-сервер (есть сторона, запрашивающая функции обслуживания и сервер - сторона, предоставляющая функции обслуживания).

2.2.4 Выбор структуры сети

С программной точки зрения возможны две структуры: доменная структура и структура рабочих групп.

1) Доменная структура используется в средних и больших сетях. Домен - административная единица, где учетная информация о пользователях сети хранится на главном контроллере домена и дублируется на резервных контроллерах. Запросы пользователей на регистрацию в сети проверяются на одном из контроллеров.

Учетные записи пользователей (содержат имя пользователя, пароль, установленные для пользователя ограничения или его права и полномочия) и системная политика хранятся на контроллере домена и действительны для всех рабочих станций домена. Для хранения пользовательских записей главного контроллера домена используют вторичный контроллер домена. Процесс общения между контроллерами домена осуществляется с помощью процесса репликации (копирование файлов с учетными записями пользователей).

2) Структура рабочих групп используется для локальных сегментов, либо в небольшой сети. Все пользовательские записи хранятся на своей машине. Структура рабочих групп подразумевает установку прав пользователей администратором на конкретном рабочем месте.

Выбираем доменную структуру как наиболее удобный вариант администрирования.

2.3 Анализ распределенной вычислительной системы

Для расчета процессов, происходящих в ЛВС, существует достаточно много разных методов: аналитические, методы сетей Петри, теории массового обслуживания (теории очередей), методы Эрланга. Для расчета двух режимов (информационного потока от простого обмена файлами и от баз данных) я применил метод, который разработан с использованием вышеперечисленных методов и применяется для расчета отдельных процессов.

2.3.1 Анализ информационных потоков в распределенной системе

Сеть предприятия состоит из 31 рабочего места, 1 файлового сервера, 1 сервера баз данных и Интернет сервера.

Расчет информационного потока от БД

Формат БД - dBase, объём 1260 Мб (на 31 рабочее место).

В БД формата dBase основная нагрузка ложится на рабочие станции пользователей, т.к. наборы данных для обработки передаются с сервера на рабочие станции, что характеризует большое значение информационного потока, при этом сервер используется лишь для хранения информации. Информационных поток определяется на основе размеров файлов необходимых для выполнения этих операций, т.к. при их выполнении происходит копирование файлов данных на локальные машины с сервера, либо обратная операция сброса информации на сервер. Рассчитаем средний поток информации dbf базы.

Расчет сети будем производить по следующей формуле:

где П - поток информации, Кбит/с;

a - размер передаваемого файла по сети, Мбайт;

b - размер индексов передаваемых по сети, Мбайт;

k1 - коэффициент для перевода Mбайт в Кбит, k1 = 8192;

k2 - коэффициент для перевода часов в секунды, k1 = 3600;

с - количество раз чтение/записи базы с сервера за 8-ми часовой рабочий день

8 - продолжительность рабочего дня, час.

При открытии файла по сети будет передаваться копия в среднем 17Mb, а также индексы размером 2,8 Mb, с периодичностью 10 раз в день (рабочий).

При записи на диск файла будет передаваться копия в среднем 18Mb, а также индексы размером 2,9 Mb, с периодичностью 10 раз в день (рабочий).

Средний поток при открытии файла будет равен:

Средний поток при сбросе на диск файла будет равен:

Итак, общий средний поток информации между одной рабочей станцией и dbf-базами сервера за 8-ми часовой рабочий день будет равен:

56,32 Кбит/с + 59,45 Кбит/с = 115,77 Кбит/с

Рассчитаем суммарный средний поток dbf-базы:

,

где УП - суммарный средний поток от dbf-базы, Кбит/с;

a - поток от dbf-базы, Кбит/с;

b - количество пользователей базы.

Расчет среднего потока информации от простого обмена файлами

Страница текста будет занимать в среднем от 30 до 10 Мбайт в зависимости от сложности текста и формата передаваемой информации. На сегодняшний момент для передачи текста наиболее распространены такие приложения, как Word и Excel. Основываясь на эти приложения, рассчитаем средние потоки информации, по следующей формуле:

,

где Ппр - простой поток, Кбит/с;

a - количество страниц, шт;

b - размер страницы, Кбайт;

k1 - коэффициент для перевода Кбайт в Кбит, k1 = 8

k2 - коэффициент для перевода часов в секунды, k1 = 3600

8 - продолжительность рабочего дня, час

Рассчитаем максимальное значение Ппр.max (для 500 стр.) и минимальное значение Ппр.min (для 10 стр.) и определим примерное среднее значение для одной рабочей станции.

Общий средний поток информации запроса от простого обмена страницами будет примерно равен:

У Ппр = 545,42 * 31 = 16908,02 Кбит/с = 16,51 Мбит/с

Суммарный средний информационный поток всей сети будет равен

УП = У П + У Ппр = 2778,48 Кбит/с + 16908,02 Кбит/с = 19686,5 Кбит/с

Для более наглядного представления и формулировки вывода переведём значение общего суммарного потока в Мбайт/ч.

k1 - коэффициент для перевода кБит в Мбайт, k1 = 8192

k2 - коэффициент для перевода секунды в часы, k2 = 3600

Изначально, общая схема ЛВС представлена на рис.2.3.

Рис.2.3 Общая схема сети на повторителях

Общая структурная схема ЛВС (с учетом необходимого количества портов топологии и количества активного сетевого оборудования) показана на рис.2.4.

Рис.2.4 Общая структурная схема сети на повторителях

При расчете сетей, построенных по технологии Ethernet, важно соблюдать множество ограничений для сетей этого класса. Основными правилами является правило 4-х хабов (как правило, оно вырождается в правило 3-х хабов) и ограничение длины одного сегмента.

Методика расчета сетей Fast Ethernet на повторителях сводится к определению удвоенной задержки в распространении сигнала и сравнению суммарной задержки с минимальной длиной кадра в 512 интервалов. Необходимо также взять запас в несколько интервалов. Для удобства расчета используют табличные значения (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Удвоенные величины задержек, вносимые сетевыми устройствами

Устройство	Удвоенная задержка
Кабель UTP 3	1,14 bt на 1 м
Кабель UTP 4	1,14 bt на 1 м
Кабель UTP 5	1,112 bt на 1 м
STP	1,112 bt на 1 м
Оптический кабель	1,0 bt на 1 м
Адаптер TX/FX	50 bt
Адаптер T4	69 bt
Повторитель класса I	140 bt
Повторитель класса II	92 bt

Проведем расчет для сети на рис.2.3. Расчет лучше проводить для всех возможных ветвей. Пример расчета:

* Станция 1 - Станция 2:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 140 bt + 78 х 1,112 bt + 50 bt = 433,488 bt;

* Станция 1 - Станция 3:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 140 bt + 124 х 1,112 bt + 50 bt = 484,64 bt;

* Станция 1 - Станция 4:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 140 bt + 152 х 1,112 bt + 50 bt = 515,776 bt.

В данном случае есть превышение величины в 512 битовых интервалов, а значит, такая сеть не будет работоспособной (задержка не устраивает). При большом числе станций расчеты могут усложняться, поэтому для автоматизации расчетов лучше применять математические методы с использованием программы MCAD (или аналогичной).

В связи с развитием технологии и удешевлением техники, сети стали строиться на основе коммутаторов, что снимает ограничение на время двойного оборота. Остается ограничение только на максимальную длину сегмента сети.

Локальную сеть будем строить на основе коммутаторов, поскольку в противном случае в сети будут постоянные коллизии из-за превышения длины вычислительной сети организации. Коммутатор (switch) - устройство, осуществляющее выбор одного из возможных вариантов направлений передачи данных. Отличие от hub: наличие буферной памяти для временного хранения пакетов, в коммутаторе существует микропрограмма, которая позволяет управлять этими потоками. Switch анализирует Mac адреса, откуда и куда отправлен пакет информации и соединяет только эти компьютеры (остальные каналы остаются свободными).

После выбора активного сетевого оборудования в виде коммутаторов, общая схема ЛВС показана на рис.2.5.

Рис.2.5 Общая схема сети на коммутаторах

Будем использовать коммутаторы на 24 и 16 портов. Расположим их на первом и втором этажах соответственно. Выбор двух коммутаторов обусловлен тем, что сеть организации расположена на обоих этажах здания и подключение к одному центральному коммутатору потребует значительного увеличения длины и сложности проводки. Другое требование - локализация трафика. Это надо сделать, чтобы избежать загруженности сети при обмене информацией внутри других отделений организации и для соответствия сети требованиям Ethernet.

Общая структурная схема ЛВС (с учетом необходимого количества портов топологии и количества активного оборудования) представлена на рис.2.6.

Рис.2.6 Общая структурная схема сети на коммутаторах

Проведем расчет для сети на рис.2.5. Пример расчета:

* Станция 1 - Станция 2:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 92 bt + 78 х 1,112 bt + 50 bt = 385,488 bt;

* Станция 1 - Станция 3:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 92 bt + 124 х 1,112 bt + 50 bt = 436,64 bt;

* Станция 1 - Станция 4:

50 bt + 96 х 1,112 bt + 92 bt + 152 х 1,112 bt + 50 bt = 467,776 bt.

В данном случае нет превышения величины в 512 битовых интервалов, а значит, такая сеть будет работоспособной.

Исходными данными для расчета необходимой производительности коммутатора являются данные о трафике между узлами сети. На данном этапе необходимо четко представлять себе, на каком узле какое приложение будет работать и какой трафик оно будет генерировать.

Производительность будем оценивать в байтах в секунду. Производительность коммутаторов оценивается в кадрах в секунду. Причем оценка идет для кадра минимальной длины (64 байтов). Из них данные занимают именно 46 байтов. Поэтому для перевода байт/с в кадр/с необходимо разделить на число байтов в одном кадре минимальной длины, а именно на 46.

Обозначим трафик от узла к узлу через . Тогда на коммутатор с архитектурой "общая шина" накладываются следующие ограничения:

- Общая производительность коммутатора должна быть больше суммарной интенсивности всего трафика .

В противном случае коммутатор не будет справляться с потоком кадров, и они будут отбрасываться.

- Производительность каждого порта (пусть это порт с номером ) коммутатора должна быть не меньше трафика через этот порт:

* для полудуплексного общая производительность ;

* для полнодуплексного общая производительность ;

- Производительность общей шины должна быть больше средней интенсивности суммарного трафика .

- Производительность процессора каждого порта не меньше интенсивности трафика через порт.

Помимо приведенных, на производительность коммутаторов влияет размер адресной таблицы: недостаточность служит причиной дополнительных задержек, тратится дополнительное время на обновление. Важную роль играет и объем буфера порта для временного хранения данных. Буфер сглаживает пульсации трафика. Если он будет маленьким, то кадры потеряются, что вызовет необходимость их повторной передачи.

2.3.2 Выбор системы имитационного моделирования

Имитационное моделирование становится эффективным методом исследования сложных систем со случайным взаимодействием элементов - транспортные потоки, промышленное производство, распределенные вычислительные системы. Принцип имитационного моделирования заключается в том, что поведение системы отображают компьютерной моделью взаимодействия ее элементов во времени и пространстве.