Проектирование кампусной информационной сети государственного учреждения здравоохранения Ставропольского краевого клинического центра специализированных видов медицинской помощи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Перечень ключевых слов: локальная вычислительная сеть, топология сети; ГУЗ СККЦ СВМП; сервер; экология проекта; технико-экономическое обоснование; документооборот.

Дипломный проект посвящен разработке кампусной информационной сети государственного учреждения здравоохранения Ставропольского краевого клинического центра специализированных видов медицинской помощи (ГУЗ СККЦ СВМП) с доступом в сеть Интернет.

В проекте осуществлен выбор размера и структуры сети, ее конфигурации, необходимого оборудования и сетевых программных средств. Проведен анализ информационных сетей, их отличительных признаков, преимуществ, особенностей организации, методов доступа. Для проектируемой сети выбрана топология распределенных звезд с протоколом обмена информацией Ethernet. Проведено технико-экономическое обоснование проекта, а также разработаны мероприятия по охране труда на автоматизированном рабочем месте специалиста.

Введение

Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений, не отходя от рабочего места, возможность мгновенного обмена информацией между компьютерами. Любая компьютерная система, состоящая из нескольких компьютеров, наверняка перерастет в более сложную систему, которая потребует высокоскоростного обмена данными между компьютерами с сервисными возможностями. Такой обмен не может быть организован при помощи стандартных простых средств операционных систем и прикладных программ, а требует организации принципиально новой информационной структуры - сети.

Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и не применять их на практике.

Под локальной вычислительной сетью (далее - ЛВС) понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность одновременного использования программ и баз данных несколькими пользователями.

Объединение нескольких локальных сетей в рамках одного учреждения, размещенных на ограниченной территории (в кампусе) называют кампусными информационными сетями.

В производственной практике ЛВС играют очень большую роль.

Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему.

Целью данного дипломного проекта является разработка кампусной информационной сети и базы данных государственного учреждения здравоохранения кампусной информационной сети государственного учреждения здравоохранения Ставропольского краевого клинического центра специализированных видов медицинской помощи с доступом в сеть Интернет (далее по тексту ГУЗ СККЦ СВМП), выбор размера сети и ее структуры, оценка конфигурации сети, выбор необходимого оборудования и сетевых программных средств.

Актуальность создания данной кампусной информационной сети определяется отсутствием таковой в настоящее время в СККЦ. В отделениях СККЦ сейчас имеются разрозненные ЛВС в отделениях центра.

Всегда в нашей стране вопросы развития здравоохранения были первостепенными. А в 2005 году Президентом РФ В.В.Путиным проблемы государственной поддержки здравоохранения и образования выделены как приоритетные. Одним из направлений решения приоритетных задач в здравоохранении и образовании является автоматизация и информатизация.

1. Анализ деятельности ГУЗ СККЦ СВМП

1.1 Структурные подразделения ГУЗ СККЦ СВМП

ГУЗ СККЦ СВМП является юридическим лицом, размещен в г. Ставрополе и действует в соответствии с Конституцией РФ, законами РФ, законами Ставропольского края, Уставом г. Ставрополя, Уставом.

В его состав входят администрация, бухгалтерия и структурные подразделения. К основным структурным подразделениям ГУЗ СККЦ СВМП относятся:

поликлиническое отделение;

диагностическое отделение;

терапевтическое отделение;

неврологическое отделение;

хирургическое отделение;

детское отделение;

гинекологическое отделение;

женская консультация;

отделение анестезиологии и реаниматологии;

инфекционное отделение;

клиническая лаборатория;

бактериологическая лаборатория;

рентгенологическая служба.

Следует также отметить, что гинекологическое отделение, родильное отделение и женская консультация объединены в акушерско-гинекологическую службу [1].

ГУЗ СККЦ СВМП имеет самостоятельный баланс, расчетный и иные счета в учреждении банков, печать со своим наименованием и с вышестоящего органа управления, бланки.

Организационная структура ГУЗ СККЦ СВМП показана на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Организационная структура ГУЗ СККЦ СВМП

1.2 Цели и предмет деятельности ГУЗ СККЦ СВМП

В зависимости от поставленных задач Учреждение осуществляет:

управление структурными подразделениями;

организацию и оказание медицинской помощи населению края;

разработку, прогнозирование мероприятий по профилактике заболеваний;

комплексное профилактическое обследование и лечение диспансерной категории больных в амбулаторных и стационарных условиях;

своевременную госпитализацию и выписку больных;

своевременное полное и качественное обследование больных;

своевременную диагностику и лечение осложнений;

медицинскую реабилитацию в амбулаторно-поликлинических условиях и в условиях стационара;

квалифицированный медицинский или медико-социальный уход за больными и престарелыми;

больничную фармацевтическую деятельность согласно лицензии;

деятельность, связанная с оборотом наркотических средств и психотропных веществ, на основании и в соответствии с полученной лицензией;

разработку программ, направленных на решение проблем Учреждения и оценку их эффективности;

составление штатного расписания;

нормирование труда;

подбор, учет кадров;

улучшение условий труда и отдыха персонала;

хозяйственную деятельность;

планово-финансовую деятельность;

ведение утвержденной документации, предоставление оперативной информации и статистических отчетов [1].

1.3 Анализ технической оснащенности ГУЗ СККЦ СВМП средствами вычислительной техники

Анализируя техническую оснащенность ГУЗ СККЦ СВМП необходимо отметить, что на сегодняшний день из средств вычислительной техники имеются разрозненные персональные компьютеры (ПК) в бухгалтерии, в администрации ГУЗ СККЦ СВМП, в поликлинике и в некоторых лечебных отделениях. Существующая сеть ГУЗ СККЦ СВМП представлена на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Существующая сеть ГУЗ СККЦ СВМП

Данные компьютеры не объединены в кампусную сеть ГУЗ СККЦ СВМП, разрозненны, что затрудняет качественное выполнение возложенных на учреждение функций, особенно в таких вопросах как:

учет и регистрация населения;

планово-финансовую деятельность;

ведение документации, предоставление оперативной информации и статистических отчетов;

фармацевтическая деятельность;

управление структурными подразделениями и др.

Мало того, в настоящее время техническая оснащенность структурных подразделений ГУЗ СККЦ СВМП постоянно растет. Все больше в поликлинические отделения и на стационар поступает диагностическое и лечебное оборудование и комплексы, требующие компьютерной обработки, учета, хранения данных, расчета профилактических мероприятий для своевременного полного и качественного обследования больных, своевременной диагностики. И отсутствие локальной вычислительной сети в ГУЗ СККЦ СВМП влияет как на оперативность принимаемых специалистами решений, так и на качество лечения больных. Все это говорит в пользу автоматизации и развертывании кампусной информационной сети в ГУЗ СККЦ СВМП. При этом кампусная информационная сеть клинического центра должна выполнять следующие функции:

создание единого информационного пространства, способного охватить всех пользователей и предоставить им информацию созданную в разное время и в разном программном обеспечении для ее обработки, а также осуществлять распараллеливание и жесткий контроль данного процесса;

повышение достоверности информации и надежности ее хранения путем создания устойчивой к сбоям и потери информации вычислительной системы, а так же создание архивов данных, которые можно использовать в дальнейшем;

обеспечение эффективной системы накопления, хранения и поиска разнообразной информации по текущей работе и проделанной некоторое время назад (архивная информация) с помощью создания базы данных;

обработку документов и построение на базе этого действующей системы анализа, прогнозирования и оценки обстановки с целью принятия оптимального решения и выработки отчетов;

обеспечение прозрачного доступа к информации авторизованному пользователю в соответствии с его правами и привилегиями.

1.4 Организация локальных и кампусных вычислительных сетей

1.4.1 Локальные вычислительные сети и их преимущества

Понятие локальная вычислительная сеть (англ. LAN - Loсal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Посредством локальной вычислительной сети (ЛВС) в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему.[6]

Можно выделить преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде вычислительной сети:

разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, управлять периферийными устройствами со всех рабочих станций;

разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации;

разделение программных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств;

разделение ресурсов процессора, при котором возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть, на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции;

многопользовательский режим содействует одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых.

Все ЛВС работают в стандарте компьютерных сетей Open Systems Interconnection (OSI), который содержит семь уровней:

уровень 1: физический - битовые протоколы передачи информации;

уровень 2: канальный - формирование кадров, доступ к среде;

уровень 3: сетевой - маршрутизация, управление потоками данных;

уровень 4: транспортный - взаимодействие удаленных процессов;

уровень 5: сеансовый - диалог между удаленными процессами;

уровень 6: представление данных - интерпретация передаваемых данных;

уровень 7: прикладной - пользовательское управление данными.

Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные легко обозримые подзадачи.[11]

Локальные вычислительные сети за последнее пятилетие получили широкое распространение в самых различных областях науки, техники и производства. Особенно широко ЛВС применяются при разработке коллективных проектов, например сложных программных комплексов. На базе ЛВС можно создавать системы автоматизированного проектирования. Это позволяет реализовывать новые технологии проектирования изделий машиностроения, радиоэлектроники и вычислительной техники. В условиях развития рыночной экономики появляется возможность создавать конкурентоспособную продукцию, быстро модернизировать ее, обеспечивая реализацию экономической стратегии предприятия. ЛВС позволяют также реализовывать новые информационные технологии в системах организационно-экономического управления. В учебных лабораториях университетов - позволяют повысить качество обучения и внедрять современные интеллектуальные технологии обучения.

1.4.2 Особенности организации информационных сетей

Основное назначение любой компьютерной сети - предоставление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.

С этой точки зрения локальную (кампусную) вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер - компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами. Серверы могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, удаленную обработку заданий, печать заданий и ряд других функций. Сервер - источник ресурсов сети.

Рабочая станция - персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам, обеспечивает необходимыми инструментами для решения прикладных задач. Рабочая станция сети функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме.[10]

Особое внимание следует уделить одному из типов серверов - файловому серверу. Файл-сервер выполняет следующие функции: хранение данных, архивирование данных, синхронизацию изменений данных различными пользователями, передачу данных, обеспечивает одновременный доступ пользователей сети к расположенным на нем данным.

Компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

Клиент - рабочая станция или пользователь компьютерной сети. В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения сложных процедур, поиск информации в базе данных и т. д.

Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя, обработка данных может быть выполнена и на сервере. Для подобных систем приняты термины - система или архитектура клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных вычислительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

В одноранговой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Каждая станция сети может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

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

Выводы по главе 1

Проанализировав существующую вычислительную сеть ГУЗ СККЦ СВМП можно выделить разрозненные персональные компьютерыв бухгалтерии, администрации клинического центра и медицинских комплексов отделений центра.

Данные компьютеры не объединены в локальную сеть ГУЗ СККЦ СВМП, разрозненны, что затрудняет качественное выполнение возложенных на учреждение функций, особенно в таких вопросах как: учет и регистрация населения; планово-финансовую деятельность; ведение документации, предоставление оперативной информации и статистических отчетов; фармацевтическая деятельность; управление структурными подразделениями и др. Мало того, в настоящее время техническая оснащенность структурных подразделений ГУЗ СККЦ СВМП постоянно растет. Все больше в поликлинические отделения и на стационар поступает диагностическое и лечебное оборудование и комплексы, требующие компьютерной обработки, учета, хранения данных, расчета профилактических мероприятий для своевременного полного и качественного обследования больных, своевременной диагностики. И отсутствие локальной вычислительной сети в ГУЗ СККЦ СВМП влияет как на оперативность принимаемых специалистами решений, так и на качество лечения больных. Все это говорит в пользу автоматизации и развертывании локальной вычислительной сети в ГУЗ СККЦ СВМП.

2. Разработка схемы кампусной информационной сети ГУЗ СККЦ СВМП

2.1 Выбор топологии сети

2.1.1 Типовые топологии информационных сетей и методы доступа к ним

Прежде чем спроектировать и построить сеть необходимо выбрать способ организации физических связей, т.е. топологию.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинами которого соответствуют компьютерные сети, а ребрами - физические связи между ними. Компьютеры или любые устройства, подключенные к сети, часто называют станциями или узлами сети.

Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для локальных вычислительных сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная.[13]

Кольцевая топология, представленная на рисунке 3, предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой - кабелем передающей среды. Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Рисунок 3 - Сеть кольцевой топологии

Кольцевая топология является идеальной для сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. Ретрансляция информации позволяет использовать в качестве передающей среды любые типы кабелей.

Последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца.[13]

Шинная топология - одна из наиболее простых, представлена на рисунке 4. Она связана с использованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная. Это обеспечивает высокое быстродействие ЛВС с шинной топологией. Сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам.

Рисунок 4 - Сеть шинной топологии

Сети шинной топологии устойчивы к возможным неисправностям отдельных узлов и наиболее распространены в настоящее время. Следует отметить, что они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети.

Звездообразная топология базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы. Как видно на рисунке 5, каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла [13].

Рисунок 5 - Сеть звездообразной топологии

В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных.

Передающая среда является общим ресурсом для всех узлов сети. Чтобы получить возможность доступа к этому ресурсу из узла сети, необходимы специальные механизмы - методы доступа.

Метод доступа к передающей среде - метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу. Существуют два основных класса методов доступа: детерминированные, недетерминированные [7].

При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого, достаточно малого интервала времени.

Наиболее распространенными детерминированными методами доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса используется преимущественно в сетях звездообразной топологии. Метод передачи права применяется в сетях с кольцевой топологией. Он основан на передаче по сети специального сообщения определенного формата - маркера, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные пакеты. Маркер циркулирует по кольцу, и любой узел, имеющий данные для передачи, помещает их в свободный маркер, устанавливает признак занятости маркера и передает его по кольцу. Узел, которому было адресовано сообщение, принимает его, устанавливает признак подтверждения приема информации и отправляет маркер в кольцо. Передающий узел, получив подтверждение, освобождает маркер и отправляет его в сеть.

Недетерминированные - случайные методы доступа предусматривают конкуренцию между узлами сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии. Наиболее распространенным недетерминированным методом доступа является множественный метод доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий - CSMA/CD.

Следует отметить, что топология сети, метод доступа к передающей среде и метод передачи тесным образом связаны друг с другом. Определяющим компонентом является топология сети.

Выбор той или иной топологии и метода доступа к сети определяется областью применения ЛВС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом.

2.1.2 Спецификация протокола передачи данных Ethernet

Ethernet - самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по данному протоколу, в настоящее время оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов [15].

Основные характеристики современных сетей Ethernet:

физическая топология - линейная шина, звезда;

тип передачи - немодулированный асинхронный;

кодирование сигнала - манчестерская кодировка;

напряжение электрического сигнала - +5 В, -5В;

кабельная система - толстый и тонкий коаксиальный кабель, UTP;

метод доступа - CSMA/CD;

спецификации - IEEE 802.3, Ethernet V.2;

типы фреймов - Ethernet Version 2, 802.3, 802.3 SNAP, NetWare4

скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

2.1.3 Метод доступа CSMA/CD

В настоящее время термин Ethernet используется для описания всех локальных сетей, использующих режим коллективного доступа к среде передачи данных с опознанием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод используется в сетях, построенных по логической топологии с общей шиной. При такой топологии все компьютеры локальной сети имеют непосредственный доступ к физической среде передачи данных (общая шина), поэтому она может быть использована для обмена данными между двумя любыми узлами сети. Одновременно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) все компьютеры сети имеют возможность получать данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Кабель, к которому подключены все компьютеры, работает в режиме коллективного доступа. В конкретный момент времени передавать данные на общую шину может только один компьютер в сети. При этом все компьютеры сети обладают равными правами доступа к среде. Чтобы упорядочить доступ компьютеров к общей шине, используется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD) [11].

Метод состоит из двух частей. Во-первых,CSMA определяет, каким образом компьютер получает доступ к среде. Для того чтобы передать данные на общую шину, компьютер сначала слушает сеть, чтобы определить, не передаются ли в данный момент какие-либо данные. В стандарте Ethernet признаком свободной линии является «тишина», то есть отсутствие несущей. Если рабочая станция обнаруживает несущий сигнал, то для нее это является признаком занятости шины и передача данных откладывается, то есть станция переходит в режим ожидания.

Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Все данные, передаваемые по сети, формируются в кадрах определенной структуры. Каждый кадр снабжается уникальным адресом станции назначения и станции отправителя.

Кроме того, каждый кадр сопровождается 8-байтовой преамбулой - определенным сигналом, необходимым для синхронизации приемника и передатчика. Все станции, подключенные к общей шине, определяют факт передачи кадра, но только та станция, которая узнает свой адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, а затем посылает по кабелю кадр- ответ. Адрес станции- отправителя содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ [15].

По окончании передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать паузу, называемую межкадровым интервалом, для 10-мегабитного Ethernet она составляет 9,6 мкс. Эта пауза необходима для обеспечения равных прав всем станциям на передачу данных, то есть для предотвращения монопольного захвата одной станцией общей шины и для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние. По окончании паузы станции сети определяют среду как свободную и могут начать передачу данных. При описанном способе коллективного доступа к среде передачи данных возможна ситуация, когда несколько станций одновременно решат, что шина является свободной, и начнут передавать по ней свои данные. Такая ситуация называется коллизией. При этом содержимое кадров сталкивается на общей шине и происходит искажение информации.

Коллизия возникает не только в том случае, когда две или больше станций начинают абсолютно одновременно передавать кадр на общую шину, что практически нереально, но и когда одна станция начинает передачу кадра, а до другой станции этот кадр еще не успел распространиться, и, решив, что шина свободна, другая станция также начинает передачу [15].

Вторая часть метода CSMA/CD - разрешение конфликтных ситуаций, возникающих при коллизиях. Все узлы сети должны быть способны распознать возникающую коллизию. Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, то этот кадр данных будет утерян.

Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы).

Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким- либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети [15].

Для того чтобы иметь возможность распознать коллизию, каждая станция прослушивает сеть во время и после передачи пакета. Обнаружение коллизии основано на сравнении посылаемого станцией сигнала и регистрируемого сигнала. Если регистрируемый сигнал отличается от передаваемого, то станция определяет эту ситуацию как коллизию.

При обнаружении коллизии передающей станцией она прерывает процесс передачи кадра и посылает в сеть специальный 32-битный сигнал, называемый jam-последовательностью.

Назначение этой последовательности - сообщить всем узлам сети о наличии коллизии.

После возникновения коллизии станция, ее обнаружившая, делает паузу, после которой предпринимает следующую попытку передать кадр.

Передатчик предпринимает всего 16 последовательных попыток передачи кадра. Если все попытки завершились неудачно, вызвав коллизию, то передатчик прекращает попытки передать данный кадр. Для надежного распознания коллизий необходимо, чтобы коллизия была обнаружена в процессе передачи кадра.

Минимальное время, необходимое для передачи кадра Ethernet, зависит от скорости передачи и длины кадра. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались [15].

Из описания метода коллективного доступа к общей шине и механизма реагирования на коллизии видно, что вероятность того, что станция может получить в свое распоряжение общую шину для передачи данных, зависит от загруженности сети, то есть от того, насколько часто возникает потребность у станций в передаче кадров. При значительной загруженности сети возрастает вероятность возникновения коллизий, и полезная пропускная способность сети Ethernet падает из-за повторных попыток передачи одних и тех же кадров. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшом сетевом трафике вероятность такого поворота событий невелика, но если сетевой трафик приближается к максимальной пропускной способности сети, подобное становится очень вероятным.

2.1.4 Топология распределенных звезд

В связи с тем, что кампусная информационная сеть ГУЗ СККЦ СВМП размещается в нашем случае в нескольких зданиях и предназначена для обслуживания нескольких структурных подразделений ГУЗ СККЦ СВМП, то предлагается использовать на проектируемой сети топологическую структуру распределенных звезд.

Принцип формирования структур распределенных звезд состоит в том, что площадь (объем), занимаемый ЛВС, разбивается на равновеликие зоны, в геометрических центрах которых (центрах тяжести при равномерном распределении числа абонентов), разворачиваются зональные сети (для ЦРБ структурных подразделений- отделений). Примеры построения структуры ЛВС типа распределенных звезд приведены на рисунке 6, где 1 - зоны, 2 - зоновые узлы, 3 - абоненты, 4 - центральный узел. Среди них плоские модели: круг (рисунок 6, а), прямоугольники с одномерным (рисунок 6, б) и двумерным (рисунок 6, в) разбиением на зоны и объемные модели: параллелепипеды с двумерным (рисунок 6, г) и трехмерным (рисунок 6, д) разбиением на зоны [6].

Существуют следующие схемы соединения зоновых звезд:

линейная, в результате которой образуется сеть с распределенными линейно связанными звездами (РЛЗ);

кольцевая (РКЗ);

древовидная (РДЗ) с центральным узлом;

полносвязная (РПЗ).

Проектируемая ЛВС ЦРБ предполагает размещение оборудования серверной ЛВС в главном лечебном корпусе ГУЗ СККЦ СВМП.

Структура кампусной информационной сети ГУЗ СККЦ СВМП приведена на рисунке 7. Она предполагает, помимо оборудования центрального узла кампусной сети в серверной, также оборудование зоновых узлов в других лечебных корпусах.

кампусный информационный сеть

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Рисунок 7 - Пример построения топологии «Распределенных звезд»

Данная топология пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает [6].

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях [13].

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

В качестве средства коммуникации будет использоваться витая пара (ТР, twisted pair).

2.2 Выбор аппаратных средств информационной сети

2.2.1 Характеристики сетевых адаптеров

Центральный процессор соединяется с периферийным оборудованием специальным устройством. Для подключения одного ПК к другому требуется устройство сопряжения, которое называют сетевым адаптером или сетевым интерфейсом, модулем, картой. Оно вставляется в свободное гнездо материнской платы. Соответствующий кабель соединяет друг с другом платы адаптеров вычислительных систем.

Каждая сетевая плата должна быть подключена с индивидуальным адресом, который известен файловому серверу и рабочим станциям. Это конфигурирование происходит либо с помощью DIP-переключателя, либо с помощью программных средств [5].

Для построения ЛВС применяют 8- и 16-битовые сетевые платы. При этом следует учитывать различия при их установке.

Файловый сервер должен быть снабжен быстродействующей 16-битовой платой или специальной типа NE/2-3200. Для обычных рабочих станций без специальных функций используют недорогие 8-битовые платы.

Рабочие станции в ЛВС взаимодействуют для совместной обработки имеющихся данных, например, для запуска пользовательского программного обеспечения с файлового сервера. Это означает, что при центральном расположении накопителя информации может возникнуть узкое место. При возрастании количества рабочих станций увеличивается вероятность того, что к серверу «хлынет» большой поток запросов. Поэтому серверу необходима сетевая плата повышенной производительности, т.е. ее производительность должна быть больше производительности сетевых адаптеров для локальных рабочих мест [5].

Сетевые адаптеры определяют большую часть характеристик аппаратных средств ЛВС. Сюда входят: тип кабеля, топология, система обращения к кабелю, скорость передачи данных. В настоящее время большую часть рынка сетевых адаптеров занимают адаптеры Ethernet, использующие протокол IEEE 802.3.

Плата адаптера сети имеет четыре основные характеристики, обычно используемые для предсказания ее эффективности: скорость передачи информации; метод доступа; встроенный процессор; разрядность передаваемой кодовой комбинации (8-, 16-, 32-разрядные сетевые адаптеры).

Адаптеры делятся на группы по используемому в их работе протоколу: Ethernet, Token Ring, ARCnet и т.п. Но внутри любой из групп всегда можно выделить адаптеры, которые работают лучше других. Сетевой адаптер может быть более быстродействующим из-за того, что имеет большой объем собственного ОЗУ или встроенный микропроцессор, или более производительный интерфейс для связи с материнской платой компьютера. Поэтому вполне естественно, что, например, в серверы целесообразно устанавливать наиболее быстродействующие сетевые адаптеры.

Сетевые адаптеры отличаются друг от друга следующими основными возможностями:

наличием или отсутствием гнезда для установки ПЗУ программ самозагрузки удаленного клиента;

микросхемой контроллера или чипом, на котором данная плата изготовлена, который определяет тип используемого совместимого драйвера и почти все остальное: разрядность, тип шины и т.д.;

по типу системной шины, на применение которой они рассчитаны: ISA (8-ми и 16-ти разрядные), MCA (16-ти разрядные), EISA (32-х разрядные), PCI (32-х разрядные);

наличием альтернативных внешних портов (UTP, BNC, AUI, FO);

количеством каналов запроса прерываний (IRQ), которые может обрабатывать адаптер;

емкостью оперативной памяти, предназначенной для буферизации пакетов;

программным конфигурированием или конфигурированием с помощью перемычек;

наличием или отсутствием светодиодных индикаторов: передачи, приема, состояния связного бита, выбранного порта;

скоростью работы;

способом организации взаимодействия с компьютером;

режимом работы адаптера: режим разделения памяти, циклического ввода-вывода, параллельная работа каналов приема и передачи, совмещение операций передачи данных через трансивер со считыванием данных из ОЗУ компьютера в буфер адаптера и т.п. [9].

Из всех перечисленных отличий два последних требуют некоторого объяснения.

2.2.2 Способы организации взаимодействия сетевых адаптеров с компьютером

Способ организации взаимодействия между компьютером и сетевым адаптером - основное отличие последних друг от друга, влияющее на производительность сетевого обмена [9].

Адаптеры с функцией управления шиной (bus master adapter) - наиболее распространенный класс производительных сетевых контроллеров.

К ним относятся адаптеры, которые могут выполнять функции устройства управления передачей данных по шине на материнской плате системы и обрабатывать требуемые транзакции.

В общем случае такие адаптеры непосредственно разрешают конфликты на шине, быстро инициируют транзакцию после предоставления шины и быстро освобождают шину после ее выполнения.

Преимущества этого класса сетевых контроллеров заключается в том, что при их применении использование центрального процессора для формирования непрерывных пакетов из фрагментарных порций информации (протокольных заголовков, отдельных данных и т. д.) для передачи по сети время передачи данных сведено к минимуму. В этом случае повышение рабочих характеристик становится более заметным при использовании серверов с высокопроизводительными дисковыми системами.

Недостатком этого типа сетевых адаптеров является разве что их цена. Они значительно дороже по сравнению с адаптерами без управления шиной.

Вторым по популярности типом сетевых адаптеров являются адаптеры с прямым доступом к памяти (DMA adapter). Передача с прямым доступом к памяти инициируется после того, как главная система «подтверждает» запрос прямого доступа к памяти.

Преимуществами этого типа контроллеров являются их меньшая стоимость, а также хорошая производительность.

Недостатком этого типа адаптеров приходится считать то, что при их применении несколько увеличивается коэффициент использования центрального процессора для формирования пакета данных во время передачи.

Сетевой адаптер имеет четыре настраиваемых компоненты, от которых зависит корректность его работы в составе сетевого комплекса. К ним относятся:

прерывание;

базовый адрес порта ввода/вывода;

базовый адрес памяти;

используемый трансивер [9].

2.2.3 Операции, производимые сетевыми адаптерами

Все виды сетевых адаптеров производят следующие операции при приеме или передаче данных:

передача данных. Данные передаются из ОЗУ компьютера в адаптер (или в ОЗУ при приеме) через программируемый канал ввода/вывода, канал DMA или разделяемую память;

буферизация данных. Во время обработки в сетевом адаптере данные хранятся в буфере. Буфер позволяет осуществить доступ ко всему пакету. Использование буферов необходимо для согласования между собой скоростей обработки информации различными компонентами ЛВС и компьютера;

формирование пакета данных. Сетевой адаптер должен разделить данные на порции или блоки (при приеме собрать). В сетях Ethernet размер этих блоков составляет 1500 байт. Адаптер добавляет к пакету данных заголовок и окончание. После завершения этой операции в буфере адаптера лежит готовый к передаче пакет;

доступ к кабелю (эту операцию адаптер выполняет только в режиме передачи). В адаптерах типа Ethernet перед началом передачи адаптер убеждается, что линия не занята;

преобразование данных (при передаче - из параллельного кода в последовательный, а при приеме - из последовательного в параллельный). Этот этап необходим потому, что данные передаются по кабелю в последовательной побитной форме;

кодирование/декодирование данных. На этом этапе формируются электрические сигналы, используемые для представления данных;

передача/прием импульсов. На этом этапе закодированные электрические импульсы, несущие в себе представление данных, передаются в кабель.

2.3 Выбор кабельных систем локальной вычислительной сети

Физическая среда обеспечивает перенос информации между абонентами вычислительной сети. Физическая передающая среда ЛВС представлена тремя типами кабелей: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой, это видно на рисунке 8. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант - телефонный кабель, Витые пары имеют различные характеристики, определяемые размерами, изоляцией и шагом скручивания. Дешевизна этого вида передающей среды делает ее достаточно популярной для ЛВС.

Рисунок 8 - Витая пара проводов

Основной недостаток витой пары - плохая помехозащищенность и низкая скорость передачи информации - 0,25 - 1 Мбит/с. Технологические усовершенствования позволяют повысить скорость передачи и помехозащищенность (экранированная витая пара), но при этом возрастает стоимость этого типа передающей среды [12].

Коаксиальный кабель, представленный на рисунке 9, по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищенностью и обеспечивает скорость передачи информации до 10 50 Мбит/с.



Рисунок 9 - Коаксиальный кабель

Оптоволоконный кабель, рассмотренный на рисунке 10, является идеальной передающей средой. Он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения. Последнее свойство позволяет использовать его в сетях, требующих повышенной секретности информации. Скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю более 50 Мбит/с, по сравнению с предыдущими типами передающей среды, он более дорог, менее технологичен в эксплуатации.

Рисунок 10 - Оптоволоконный кабель

ЛВС, выпускаемые различными фирмами, либо рассчитаны на один из типов передающей среды, либо могут быть реализованы в различных вариантах, на базе различных передающих сред [8].

Первая коммерчески успешная технология для ЛВС, появившаяся в 1971 году, использовала в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель.

Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника, одножильного или многожильного, и внешней экранирующей оплетки, являющейся вторым проводником. Он имеет круглое сечение с медным сердечником в центре, который представляет собой первый проводник и переносит настоящий сигнал. Слой диэлектрика вокруг сердечника отделяет его от второго проводника из металлической сетки, который играет роль «земли». Как и в любом электрическом кабеле, проводник, переносящий сигнал, должен быть изолирован от заземления, иначе возникнет короткое замыкание, в данном случае приводящее к шумам в кабеле. Наличие изолирующего слоя между проводниками уточняет определение коаксиального кабеля.

В сетевых технологиях применяются несколько типов коаксиального кабеля, которые, несмотря на почти одинаковый внешний вид, отличаются друг от друга своими свойствами.

Толщина кабеля также оказывает большое влияние на процесс прокладки. Слои меди и изоляции внутри кабеля представляют собой сплошную массу, в отличие от витой пары, состоящей из отдельных проводов и воздушной прослойки между ними. Поэтому коаксиальный кабель сравнительно тяжелый и жесткий, и, естественно, чем толще кабель, тем он тяжелее и жестче. Эти свойства затрудняют укладку кабеля.

Сети на основе коаксиального кабеля используют шинную топологию, образуемую компьютерами, которые присоединяются к сегменту кабеля по всей его длине. Каждый сигнал, переданный рабочей станцией по кабелю, распространяется в обоих направлениях до концов кабеля и достигает всех рабочих станций. На концах шины должны быть размещены резисторы (называемые терминаторами), которые поглощают принимаемый ими сигнал, снижая напряжение до нуля. Без терминаторов сигнал отражался бы от концов кабеля и возвращался обратно, вызывая повреждение даннях [8].

По сравнению с другими типами кабеля коаксиальный кабель сравнительно мало эффективен для передачи данных по сети. Со случаями его применения можно столкнуться в сетях, развернутых несколько лет назад. В новых сетях Ethernet он фактически не применяется.

«Толстый Ethernet»

Кабель RG-8/U обычно называется магистральным кабелем, «толстым Ethernet». Он обеспечивает наименьшее затухание среди всех видов коаксиального кабеля - толще всех остальных видов. Сеть «толстый Ethernet» может иметь сегменты длиной до 500 м, в то время как в «тонком Ethernet» они ограничены дистанцией 185 м.

Основные параметры:

используемая топология - общая шина.

используемый провод - коаксиальный кабель толстый (желтый), волновое сопротивление 50 Ом.

максимальная длина сегмента (отрезок сети без повторителя, ограниченный терминаторами) - 500 метров.

минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 метра

максимальное количество точек подключения к сегменту100.

максимальное количество сегментов сети - 5.

устройства подключаются к сети посредством устанавливаемого на кабель трансивера. Трансивер позволяет станции передавать и получать из общей сетевой среды передачи. Дополнительно, трансиверы Ethernet определяют коллизии в среде и обеспечивают электрическую изоляцию между станциями. Максимальная длина трансиверного кабеля (длина кабеля между трансивером и устройством) - 25 метров.

Из-за присущих недостатков, таких как высокая стоимость и жесткость и, несмотря на лучшую, чем у «тонкого Ethernet» производительность, «толстый Ethernet» никогда не употребляется для прокладки новых сетей Ethernet и очень редко встречается в уже существующих. В настоящее время затруднительно найти в продаже даже новое оборудование для построения сети на этом стандарте [8].

«Тонкий Ethernet»

Главное преимущество кабеля RG-58, применяемого для «тонкого Ethernet», это его гибкость. Благодаря указанному достоинству упрощается процесс прокладки сети, и появляется возможность подвести кабель прямо к компьютеру, не используя для этого AUI-кабель. Однако, по сравнению с витой парой, кабель «тонкий Ethernet» неудобен и трудно скрываем по причине того, что вместо аккуратных настенных розеток с разъемами для коммутационных кабелей, в кабельной системе «тонкого Ethernet» для каждого компьютера из стены торчат два толстых, достаточно жестких отвода. Шина разделяется на отрезки кабеля произвольной длины, которые соединяют каждый компьютер со следующим, что является противоположностью шине «толстого Ethernet», в идеале состоящей из одного длинного сегмента кабеля, проколотого «зубами» по всей его длине. Это качество вносит отличие в функционирование сети, если одно из двух соединений, подведенных к компьютеру, будет нарушено, то шина будет разорвана. Когда такое происходит, нарушается сетевое взаимодействие между системами, расположенными по разные стороны от разрыва, а отсутствие терминаторов на концах кабеля приводит к повреждению всего сетевого трафика.

Кабель RG-58 дешевле, чем RG-8, и имеет много разновидностей, но, несмотря на все эти факторы, «тонкий Ethernet» - «мертвая» технология. Относительная сложность реализации топологии «шина» и ограниченная скорость передачи данных по коаксиальному кабелю делают непрактичным применение рассмотренной технологии в современных ЛВС [8].

Технология ARCNET

ARCNET (Attached Resources Computing Network, вычислительная сеть с присоединенными ресурсами) - единственная отличная от Ethernet технология, использующая коаксиальный кабель. Несмотря на все сходство с «толстым Ethernet», в сетях ARCNET применяется кабель RG-62А/U с волновым сопротивлением 93 Ом, и кабели для двух этих сетей не взаимозаменяемы. ARCNET представляет собой сеть с передачей маркера, которая работает только на скорости 2,5 Мбит/с и может образовывать смесь из топологий «шина» и «звезда». В настоящее время сетевое оборудование для ARCNET не производится, но в свое время она являлась достаточно работоспособным и недорогим сетевым решением.

Кабельное телевидение

Существующее положение, при котором коаксиальный кабель достаточно редко задействуется в ЛВС, еще не означает, что он полностью исчерпал свою полезность. Антенны, радио и, в особенности, кабельное телевидение до сих пор активно его применяют. Кабель, доставляющий телевизионный сигнал в дом, - коаксиальный RG-59 с волновым сопротивлением 75 Ом. Чаще всего он используется для широкополосной передачи (по одному кабелю передаются несколько частотно разделенных сигналов одновременно). Этот кабель похож на «толстый Ethernet», но имеет другие свойства и требует других коннекторов. F-коннекторы для кабельного телевидения выполнены в виде штекеров. Многие поставщики кабельного телевидения применяют один и тот же коаксиальный кабель для обеспечения доступа абонентов в Интернет, а также для передачи телевизионных сигналов [8].

Обычно при выборе типа кабеля учитывают следующие показатели:

стоимость монтажа и обслуживания;

скорость передачи информации;

ограничения на величину расстояния передачи информации без дополнительных усилителей-повторителей (репитеров);

безопасность передачи данных.

Главная проблема заключается в одновременном обеспечении этих показателей, например, наивысшая скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием передачи данных, при котором еще обеспечивается требуемый уровень защиты данных. Легкая наращиваемость и простота расширения кабельной системы влияют на ее стоимость.

В качестве средства коммуникации будет использоваться витая пара (ТР, twisted pair).

Кабель из витой (скрученной пары) пары является на сегодняшний день стандартом для ЛВС. По сравнению с коаксиальным кабелем он проще в прокладке, подходит для большого количества различных предметных областей и обеспечивает намного лучшую производительность. Однако, вероятно, самым большим преимуществом витой пары является то, что она уже используется бесчисленным количеством телефонных систем по всему миру. Это означает, что огромное число подрядчиков хорошо знакомы с процедурой монтажа такой проводки, и в новых зданиях разводка кабеля для ЛВС может осуществляться одновременно с прокладкой телефонного кабеля.

В отличие от коаксиального кабеля, который имеет только один проводник, переносящий сигнал, и «землю», кабели на основе витой пары, применяемые в структурированных кабельных сетях, имеют до четырех пар изолированных медных проводов в одной металлической оплетке или без нее (различают неэкранированный и экранированный кабели). Каждая пара проводов для защиты от переходного затухания, вызванного электромагнитными помехами от соседних пар и внешних источников, скручивается с различным шагом - количеством витков на дюйм [12].