Разработка проекта объединения двух локальных вычислительных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

локальный вычислительный роутер сеть

В дипломном проекте рассматривается тема «Разработка проекта объединения двух локальных вычислительных сетей».

Роль локальных сетей в жизни современного человека сложно переоценить. Ими в наше время пользуются более 30% населения Земли, а это немного немало около 1,500,000,000 человек. Еще в 1992 году ими пользовалось всего 100 человек. Число пользователей интернета растет высокими темпами. К 2018 году интернет будет почти в каждой семье. Телевидение уйдет в прошлое. Через интернет будут оплачивать коммунальные услуги, заказывать еду на дом, хотя, в принципе, это уже возможно и сейчас. А главное, в будущем многие будут выполнять свою работу, не выходя из дома, экономя этим свое время, которое можно будет провести с близкими людьми. Эти времена уже не за горами.

Как говорила президент Conde Nast Россия Карина Добротворская: «Еще год назад журналисты печатных медиа говорили об интернете, как cкрытой угрозе, и все конференции по поводу нашествия новых социальных медиа носили какой-то траурный характер. Теперь тон в корне изменился. Говорят не об угрозе, а о новых возможностях. Обсуждают не смерть, а развитие. Раньше «бумажные солдатики» (подразумеваются печатные СМИ и т.д.) пытались отвертеться от онлайновых проектов как от дополнительной нагрузки. Теперь боятся, что им эту нагрузку не дадут. Ведь это автоматически будет означать, что их не возьмут в будущее».

Уже сейчас в интернете основались многие центральные каналы. В ближайшие годы они приостановят трансляцию по кабельному TV и ограничатся вещанием в сети.

В интернете существует множество медиа ресурсов, на которых можно посмотреть любимые фильмы и сериалы в высоком качестве (HD). Такие ресурсы заменили нам VHS кассеты и DVD диски, причем бесплатно. Единственное, что вам нужно платить ежемесячную абонентскую плату за интернет. Цены на тарифы довольно приемлемы, и думаю каждый может позволить себе оплачивать интернет.

Интернет играет огромную роль в жизни современных людей, без него уже и нельзя представить жизни на Земле.

Целью дипломного проекта является оптимизация аппаратных решений и программного обеспечения при объединении сетей жилого дома. Для реализации данной цели требуется решить следующие задачи:

- на основе диалога с Заказчиком составить техническое задание, учитывая его пожелания, финансовые возможности и наличие оборудования в определенном диапазоне цен;

- изучить готовые решения и наработки по аналогичным темам;

- подобрать наилучшую конфигурацию объединенной ЛВС по следующим критериям: быстродействие, надежность, низкая стоимость;

- подобрать оборудование по следующим критериям: совместимость, гибкость сети, наилучшее сочетание «цена-качество»;

- рассчитать стоимость оборудования и монтажа сети по выбранной конфигурации, согласовать конечную цену всего комплекса с Заказчиком;

- перепрограммировать оборудование в соответствии с требованиями поставленной задачи;

- рассмотреть вопросы защиты и возможных угроз сети.

Актуальность и практическая значимость данного проекта состоит в реализации идеи построения и реальном монтаже в жилом доме Заказчика локальной вычислительной сети.

1. Общая часть

1.1 Общие принципы организации локальных сетей

Локальной сетью можно считать соединение двух и более устройств с помощью кабеля, радиоволн или оптических сигналов, при котором становится возможен обмен данными между ними. Устройства, расположенные в одном помещении или здании и связанные между собой, называют локальной компьютерной сетью (LAN - Local Area Network). Количество устройств, подключенных к такой сети, ограничивается возможностями применяемой кабельной системы и сетевого оборудования.

Соединение между устройствами может быть непосредственным или с использованием дополнительных узлов связи.

Сети представляют собой магистральные информационные структуры, состоящие из логического и физического уровней или составляющих, основным назначением которых является обмен информацией.

Физический уровень представлен компонентами сети, обеспечивающими физическое соединение между компьютерами. Такими компонентами, как правило, являются: сетевой интерфейс (сетевая карта или плата сетевого адаптера, стандартный или расширенный коммуникационный или параллельный порт или мультипортовая плата), сетевая среда передачи данных (кабель коаксиальный, двухпроводный т.н. витая пара или оптоволоконный) и узловые элементы (маршрутиризаторы, концентраторы, повторители (репитеры, хабы (hub)), переключатели (switch)) и конечные элементы (терминаторы, коннекторы, разъемы, заглушки).

В настоящее время наблюдается четкое структурирование сетей на локальные и глобальные, процесс интегрирования первых во вторые, где сети с числом компьютеров в несколько сотен все еще считаются локальными, а глобальные насчитывают десятки тысяч подключенных компьютерных систем. Скорость обмена информацией достигает 200 Мбит/с, а 10Мбит/с - считается базовой начальной и низкостоимостной конфигурацией. Теперь компьютерные сети позволяют не только передать или принять информацию в прямом смысле этого понятия, но и дают множество сервисных возможностей, перечень которых постоянно расширяется. Это и удаленное администрирование, распределенные файловые системы, удаленное выполнение программ, электронная почта, удаленная печать, распределенные базы данных, системы удаленного доступа и распределенные системы управления, поисковые системы, телеконференции и многое другое.

Устройства, использующиеся и в качестве управляющих центров в сети и как накопители информации, называют серверами. Если устройства расположены сравнительно недалеко друг от друга и соединены с помощью высокоскоростных сетевых адаптеров, то такие сети называются локальными. При использовании локальной сети устройства, как правило, расположены в пределах одной комнаты, здания или в нескольких близко расположенных домах. Локальная компьютерная сеть, как правило, объединяет не более сотни компьютерных систем, принадлежащих какой-либо одной структуре, и носит корпоративный характер, как по ее эксплуатации, так и по характеру системного программного обеспечения.

Принципы организации и протоколы программного обеспечения локальных и глобальных компьютерных систем могут быть как различными, так и абсолютно одинаковыми. Поэтому, нельзя относить сеть к локальной или глобальной только по признаку типа сетевого взаимодействия и базового программного обеспечения.

1.2 Топологии локальных сетей

Компьютеры и другие компоненты локальной сети могут соединяться между собой различными способами. Используемая схема физического расположения сетевых компонентов называется топологией (Topology). Топология сети определяется геометрической фигурой, образованной линиями связи между компьютерами, или физическим расположением по отношению друг к другу компьютеров, связанных между собой. Топология сети может служить одной из характеристик для сравнения и классификации различных компьютерных сетей.

Выделяют пять видов топологии сети:

- общая шина;

- звезда;

- кольцо;

- ячеистая;

- смешанная.

В случае использования общей шины все компьютеры подключаются к одному кабелю, который называется шиной данных. При этом пакет будет приниматься всеми компьютерами, которые подключены к данному сегменту сети.

Быстродействие сети во многом определяется числом подключенных к общей шине компьютеров. Чем больше таких компьютеров, тем медленнее работает сеть. Кроме того, подобная топология может стать причиной разнообразных коллизий, которые возникают, когда несколько компьютеров одновременно пытаются передать информацию в сеть. Коллизия - нормальное явление, которое появляется при работе сети. Чтобы проанализировать и устранить коллизию, все компьютеры одновременно изучают возникающие на кабеле сигналы. Если сигналы, которые передаются и реально наблюдаются, не совпадают, то отмечается присутствие коллизии. Те компьютеры, которые заметили коллизию, отправляют в сеть 32-битную последовательность, которая называется jam-последовательностью. Вероятность появления коллизии возрастает с увеличением количества подключенных к шине компьютеров.



Рисунок 1 - Топология с «общей шиной»

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например, к компьютеру или к баррел-коннектору - для увеличения длины кабеля. К любому свободному - неподключенному - концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Подключение терминаторов

Преимуществами использования сетей с топологией «общая шина» являются значительная экономия кабеля, а так же простота создания и управления.

Недостатками - вероятность появления коллизий при увеличении числа компьютеров в сети, обрыв кабеля приведет к отключению множества компьютеров, низкий уровень защиты передаваемой информации. Любой компьютер может получить данные, которые передаются по сети.

При использовании звездообразной топологии каждый кабельный сегмент, идущий от любого компьютера сети, будет подключаться к центральному коммутатору или концентратору. Все пакеты будут транспортироваться от одного компьютера к другому через это устройство. Допускается использование как активных, так и пассивных концентраторов. В случае разрыва соединения между компьютером и концентратором остальная сеть продолжает работать. Если же концентратор выйдет из строя, то сеть работать перестанет. С помощью звездообразной структуры можно подключать друг к другу даже локальные сети.

Рисунок 3 - Топология «Звезда»

Использование данной топологии удобно при поиске поврежденных элементов: кабеля, сетевых адаптеров или разъемов. «Звезда» намного удобнее «общей шины» и в случае добавления новых устройств. Следует учесть и то, что сети со скоростью передачи 100 и 1000 Мбит/с построены по топологии «звезда».

Если в самом центре «звезды» расположить концентратор, то логическая топология изменится на «общую шину».

Преимуществами «звезды» является простота создания и управления, высокий уровень надежности сети, высокая защищенность информации, которая передается внутри сети (если в центре звезды расположен коммутатор).

Основной недостаток - поломка концентратора приводит к прекращению работы всей сети.

В случае использования кольцевой топологии все компьютеры сети подключаются к единому кольцевому кабелю. Пакеты проходят по кольцу в одном направлении через все сетевые платы подключенных к сети компьютеров. Каждый компьютер будет усиливать сигнал, и отправлять его дальше по кольцу. Сеть с такой топологией изображена на следующем рисунке.

В представленной топологии передача пакетов по кольцу организована маркерным методом. Маркер представляет собой определенную последовательность двоичных разрядов, содержащих управляющие данные. Если сетевое устройство имеет маркер, то у него появляется право на отправку информации в сеть. Внутри кольца может передаваться всего один маркер.

Компьютер, который собирается транспортировать данные, забирает маркер из сети и отправляет запрошенную информацию по кольцу. Каждый следующий компьютер будет передавать данные дальше, пока этот пакет не дойдет до адресата. После получения адресат вернет подтверждение о получении компьютеру-отправителю, а последний создаст новый маркер и вернет его в сеть.

Преимущества кольцевой топологии состоят в том, что большие объемы данных обслуживаются эффективнее, чем в случае с общей шиной, каждый компьютер является повторителем: он усиливает сигнал перед отправкой следующей машине, что позволяет значительно увеличить размер сети, возможность задать различные приоритеты доступа к сети; при этом компьютер, имеющий больший приоритет, сможет дольше задерживать маркер и передавать больше информации.

К недостаткам можно отнести тот факт что обрыв сетевого кабеля приводит к неработоспособности всей сети, произвольный компьютер может получить данные, которые передаются по сети.



Рисунок 4 - Топология «Кольцо»

Данная топология подразумевает подключение каждого компьютера через отдельный кабель ко всем остальным компьютерам, находящимся в сети. Применение этого метода позволяет использовать дополнительные пути транспортировки данных. В случае обрыва какого-либо кабеля поток данных пойдет по другому пути, а сеть сможет нормально функционировать далее. Такая топология характерна для глобальных сетей и объединения нескольких удаленных сетей с применением оптоволоконных, выделенных или спутниковых каналов связи. Для локальных сетей данная топология не используется, так как требует присутствия одновременно нескольких сетевых интерфейсов на одной машине и больших объемов кабеля.

К преимуществам ячеистой топологии относят эффективную работу с большими потоками данных, высокий уровень стабильности сети из-за использования дополнительных каналов связи, высокий уровень безопасности; поток информации идет от компьютера-отправителя к получателю напрямую, что теоретически исключает перехват данных.

К недостаткам - потребность в наличии нескольких сетевых интерфейсов на компьютерах, входящих в сеть, большая стоимость организации сети.



Рисунок 5 - «Ячеистая» топология

Смешанная топология соединяет в себе две или более топологии, образуя тем самым завершенную сетевую структуру. На данный момент такая сеть является самой распространенной; наиболее часто объединяют звездообразную и шинную топологии.

При использовании топологии «звезда-шина» несколько сетей, имеющих звездообразную топологию, подключены к одной шине.

Рисунок 6 - Сеть с топологией «звезда-шина»

В данной топологии сбой на одном из компьютеров совершенно не отразится на работе сети в целом. Если же произойдет ошибка центрального компонента (концентратора), к которому подключаются компьютеры «звезды», то все они не смогут больше поддерживать связь.

В топологии «звезда-кольцо» компьютеры подключаются к центральному компоненту, как в звездообразной сети. При этом сами компоненты объединены сетью с кольцевой топологией.

Точно так же, как и в предыдущем случае, сбой одного из компьютеров сети не отразится на ее работе.

Рисунок 7 - Сеть с топологией «звезда-кольцо»

1.3 Технологии построения локальных сетей

Сетевая технология - это минимальный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Сетевые технологии называют базовыми технологиями. Для обеспечения согласованной работы в сетях передачи данных используются различные коммуникационные протоколы передачи данных - наборы правил, которых должны придерживаться передающая и принимающая стороны для согласованного обмена данными. Протоколы - это наборы правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи. Протоколы - это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким устройствам при объединении в сеть общаться друг с другом.

Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.

Протоколы работают на разных уровнях модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO. Функции протоколов определяются уровнем, на котором он работает. Несколько протоколов могут работать совместно. Это так называемый стек, или набор, протоколов.

Как сетевые функции распределены по всем уровням модели OSI, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека протоколов. Уровни в стеке протоколов соответствуют уровням модели OSI. В совокупности протоколы дают полную характеристику функций и возможностей стека.

Передача данных по сети, с технической точки зрения, должна состоять из последовательных шагов, каждому из которых соответствуют свои процедуры или протокол. Таким образом, сохраняется строгая очередность в выполнении определенных действий.

Кроме того, все эти действия должны быть выполнены в одной и той же последовательности на каждом сетевом компьютере. На компьютере-отправителе действия выполняются в направлении сверху вниз, а на компьютере-получателе снизу вверх.

Компьютер-отправитель в соответствии с протоколом выполняет следующие действия: разбивает данные на небольшие блоки, называемыми пакетами, с которыми может работать протокол, добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему, подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее - по сетевому кабелю.

Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет те же действия, но только в обратном порядке: принимает пакеты данных из сетевого кабеля; через плату сетевого адаптера передает данные в компьютер; удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером-отправителем, копирует данные из пакета в буфер - для их объединения в исходный блок, передает приложению этот блок данных в формате, который оно использует.

И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо выполнить каждое действие одинаковым способом, с тем чтобы пришедшие по сети данные совпадали с отправленными.

Если, например, два протокола будут по-разному разбивать данные на пакеты и добавлять информацию (о последовательности пакетов, синхронизации и для проверки ошибок), тогда компьютер, использующий один из этих протоколов, не сможет успешно связаться с компьютером, на котором работает другой протокол.

До середины 80-ых большинство локальных сетей были изолированными. Они обслуживали отдельные компании и редко объединялись в крупные системы. Однако, когда локальные сети достигли высокого уровня развития и объем передаваемой ими информации возрос, они стали компонентами больших сетей. Данные, передаваемые из одной локальной сети в другую по одному из возможных маршрутов, называются маршрутизированными. Протоколы, которые поддерживают передачу данных между сетями по нескольким маршрутам, называются маршрутизируемыми протоколами.

Среди множества протоколов наиболее распространены следующие:

- NetBEUI;

- XNS;

- IPX/SPX и NWLmk;

- Набор протоколов OSI.

Wi-Fi - технология беспроводной связи. Название это расшифровывается как Wireless Fidelity (с англ. - беспроводная точность). Предназначена для доступа на коротких дистанциях и, в то же время, на достаточно больших скоростях. Существует три модификации этого стандарта - IEEE 802.11a, b и g, их отличие друг от друга в скорости передачи данных и расстоянии на которое они могут передавать данные. Максимальная скорость работы 11/ 54/ 320 Мбит/c соответственно, а расстояние передачи порядка 100 метров. Технология удобна тем, что не требует больших усилий объединения компьютеров в сеть, позволяет избежать неудобств возникающих при прокладке кабеля. В настоящее время услугами можно воспользоваться в кафе, аэропортах, парках и др.

USB сеть. Предназначена в основном для пользователей ноутбуков, т.к. при отсутствии сетевой карты в ноутбуке она может обойтись довольно дорого. Удобство в том, что сеть может быть создана без использования сетевых карт и концентраторов, универсальность, возможность подключать любое устройство. Скорость передачи данных 5-7 Мбит/с.

Локальная сеть через электрические провода. 220В. Электрические сети не идут ни в какое сравнение с локальными и глобальными сетями. Электрическая розетка есть в каждой квартире, в каждой комнате. По дому можно протянуть десятки метров кабелей, соединив между собой все компьютеры, принтеры и прочие сетевые устройства. Но тогда каждый компьютер станет «рабочим местом», стационарно расположенным в помещении. Перенести его - значит переложить сетевой кабель. Можно установить дома беспроводную сеть IEEE 802.11b, но могут возникнуть проблемы с проникновением сигнала через стены и перекрытия, к тому же это лишнее излучение, которого в современной жизни итак хватает. А есть и иной способ - использовать уже существующие электрические провода и розетки, установленные в стенах. Единственное, что для этого потребуется - соответствующие адаптеры. Скорость сетевого подключения через электрические провода составляет 14 Мбит/с. Дальность действия - примерно 500 метров. Но стоит учитывать, что распределительная сеть - трёхфазная, а к домам подводится по одной фазе и нулю, равномерно нагружая каждую из фаз. Так что, если один пользователь подключен к одной фазе, а второй - к другой, то воспользоваться подобной системой не удастся.

2. Специальная часть

2.1 Разработка проекта объединения двух ЛВС

Дано: два жилых дома, удаленных друг от друга на 136 м, с частично проложенными ЛВС топологии «звезда», реализованных с использованием кабеля витая пара.

Необходимо:

- на основе диалога с Заказчиком составить техническое задание, учитывая его пожелания, финансовые возможности и наличие оборудования в определенном диапазоне цен;

- изучить готовые решения и наработки по аналогичным темам;

- подобрать наилучшую конфигурацию объединенной ЛВС по следующим критериям: быстродействие, надежность, низкая стоимость;

- подобрать оборудование по следующим критериям: совместимость, гибкость сети, наилучшее сочетание «цена-качество»;

- рассчитать стоимость оборудования и монтажа сети по выбранной конфигурации, согласовать конечную цену всего комплекса с Заказчиком;

- перепрограммировать оборудование в соответствии с требованиями поставленной задачи;

- рассмотреть вопросы защиты и возможных угроз сети.

Основными целями изменения инфраструктуры локальной сети, являются:

1. Объединение двух ЛВС;

2. Обеспечение обмена данными между ЛВС.

2.2 Сравнение конфигураций вычислительной сети

Оценка вариантов архитектуры ЛВС производится с системных позиций по основным критериям:

1) быстродействие;

2) надёжность;

3) стоимость.

Конфигурация ЛВС с использованием кабеля «витая пара»

Витая пара - вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой, покрытых пластиковой оболочкой.

Рисунок 8 - Витая пара

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара - один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения проводных локальных сетей.

В зависимости от наличия защиты - электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

- неэкранированная витая пара (англ. UTP - Unshielded twisted pair) - без защитного экрана;

- фольгированная витая пара (англ. FTP - Foiled twisted pair), также известна как F/UTP) - присутствует один общий внешний экран в виде фольги;

- экранированная витая пара (англ. STP - Shielded twisted pair) - присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;

- фольгированная экранированная витая пара (англ. S/FTP - Screened Foiled twisted pair) - внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;

- незащищенная экранированая витая пара (SF/UTP - или с англ. Screened Foiled Unshielded twisted pair).Отличие от других типов витых пар заключается в наличии двойного внешнего экрана, сделанного из медной оплётки, а также фольги.

Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних и т.д. Экран по всей длине соединен с неизолированным дренажным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.

В зависимости от структуры проводников - кабель применяется одно- и многожильный. В первом случае каждый провод состоит из одной медной жилы и называется жила-монолит, а во втором - из нескольких и называется жила-пучок.

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от CAT1 до CAT7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон. Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 (Американский стандарт проводки в коммерческих зданиях) и в международном стандарте ISO 11801, а также приняты ГОСТ Р 53246-2008 (перевод американского ANSI/TIA/EIA-568B) и ГОСТ Р 53245-2008 (перевод одного из руководств производителя).

- CAT1 (полоса частот 0,1 МГц) - телефонный кабель, всего одна пара (в России применяется кабель и вообще без скруток - «лапша» - у нее характеристики не хуже, но больше влияние помех). В США использовался ранее, только в «скрученном» виде. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема.

- CAT2 (полоса частот 1 МГц) - старый тип кабеля, 2 пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token ring и Arcnet. Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.

- CAT3 (полоса частот 16 МГц) - 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3.

- CAT4 (полоса частот 20 МГц) - кабель состоит из 4 скрученных пар, использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре, сейчас не используется.

- CAT5 (полоса частот 100 МГц) - 4-парный кабель, использовался при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.

- CAT5e (полоса частот 125 МГц) - 4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двухпарный кабель категории 5e. Кабель обеспечивает скорость передач данных до 100 Мбит/с. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине.

- CAT6 (полоса частот 250 МГц) - применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с и до 10 гигабит на расстояние до 50 м. Добавлен в стандарт в июне 2002 года.

- CAT6a (полоса частот 500 МГц) - применяется в сетях Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с и планируется использовать его для приложений, работающих на скорости до 40 Гбит/с. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года.

- CAT7 (полоса частот 600-700 МГц) - спецификация на данный тип кабеля утверждена только международным стандартом ISO 11801, скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Седьмая категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP (Screened Fully Shielded Twisted Pair).

- CAT7a (полоса частот 1000 МГц) - разработана для передачи данных на скоростях до 40 Гбит/с.

Наиболее подходящими являются STP CAT 5e и 6.

Для того чтобы разобраться подходит ли нам данный способ объединения двух ЛВС обратимся к разновидностям технологии передачи данных Ethernet. В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Поскольку у имеющихся роутеров, описанных в подразделе 2.3 Описание роутеров, скорость портов Ethernet 10/100/1000 Мбит/с, то они поддерживают стандарты:

- 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

- 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.

- 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров.

Так как в техническом задании, составленном на основе диалога с Заказчиком, указано, что жилые дома удалены друг от друга на расстояние 136 метров, а по регламенту витая пара передает информацию без потерь только на расстояние 100 метров, то предоставленный способ передачи данных для объединения двух ЛВС использоваться не может.

Коаксиальный кабель (от лат. co - совместно и axis - ось, то есть «соосный»), также известный как коаксиал (от англ. coaxial), - электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана и служащий для передачи высокочастотных сигналов.



Рисунок 9 - Устройство коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель (Рисунок 9) состоит из:

4 (A) - оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из светостабилизированного (то есть устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца) полиэтилена, поливинилхлорида, повива фторопластовой ленты или иного изоляционного материала;

3 (B) - внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги, покрытой слоем алюминия пленки и их комбинаций, а также гофрированной трубки, повива металлических лент и др. из меди, медного или алюминиевого сплава;

2 (C) - изоляции, выполненной в виде сплошного (полиэтилен, вспененный полиэтилен, сплошной фторопласт, фторопластовая лента и т.п.) или полувоздушного (кордельно-трубчатый повив, шайбы и др.) диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

1 (D) - внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода, трубки, выполняемых из меди, медного сплава, алюминиевого сплава, омеднённой стали, омеднённого алюминия, посеребрённой меди и т.п.

Благодаря совпадению центров обоих проводников, а также определенному соотношению между диаметром центральной жилы и экрана, внутри кабеля в радиальном направлении образуется режим стоячей волны, позволяющий снизить потери электромагнитной энергии на излучение почти до нуля. В то же время экран обеспечивает защиту от внешних электромагнитных помех.

Основное назначение коаксиального кабеля - передача сигнала в различных областях техники:

- системы связи;

- вещательные сети;

- компьютерные сети;

- антенно-фидерные системы;

- АСУ и другие производственные и научно-исследовательские технические системы;

- системы сигнализации и автоматики;

- системы объективного контроля и видеонаблюдения;

- каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.);

- военная техника и другие области специального применения.

Главный недостаток коаксиального кабеля - ограниченная пропускная способность - в локальных сетях «потолок» 10 Мбит/с достигнут в технологии Ethernet 10Base2 и 10Base5:

- 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.

- 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

Учитывая пожелания Заказчика, скорость передачи данных должна быть не менее 10 Мб/с, а пропускная способность коаксиального кабеля максимум составляет 10 Мб/с. Поэтому этот способ объединения двух ЛВС нам не подходит.

Конфигурация ЛВС с использованием оптоволоконного кабеля

Оптическое волокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Рисунок 10 - Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель имеет существенные преимущества над другими.

Малое затухание светового сигнала в волокне.

Низкий уровень шумов в волоконнооптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи.

Защищенность от электромагнитных помех.

Малый вес и объем.

Высокая безопасность от несанкционированного доступа.

Гальваническая развязка элементов сети.

Пожаробезопасность.

Уменьшение требований к линейнокабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы.

Экономичность волоконнооптического кабеля.

Длительный срок эксплуатации.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них - высокая сложность монтажа. Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.

Оптоволоконные кабели чувствительны также к механическим воздействиям (удары, ультразвук) - так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.

В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Для объединения двух ЛВС подходит большинство разновидностей технологии передачи данных Ethernet, использующих оптоволоконные кабели, кроме тех, которые передают информацию на короткие расстояния (до 25 метров).

Как говорилось выше, Заказчик пожелал, чтобы скорость передачи данных была не менее 10 Мб/с. Поэтому наиболее подходящими являются стандарты:

- 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

- 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.

- 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10 километров.

- 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

- 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя зависит только от типа используемых приемопередатчиков и, как правило, составляет от 5 [3] до 50 километров.

- 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

Линию связи с использованием оптоволокна допустимо применить для реализации данного проекта.

Выбор оптоволоконного кабеля

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (англ. SMF - Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF - Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения - каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе - показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру.

Таблица 3 - Выбор оптоволоконного кабеля

	Кабель волоконно-оптический, одномодульной конструкции, PE	Кабель волоконно-оптический, многомодульной конструкции, HFFR	Кабель волоконно-оптический, с плотным буфером, HFFR
Спецификация	Соответствует стандартам ISO-9001, EIA/TIA455, IEC-60794, 60754, IEC 60794-1-F5 и EIA/TIA FOTP 82В. Оптические характеристики соответствуют стандарту ISO/IEC 11801. Соответствует стандарту пожарной безопасности IEC 60332-1.	Соответствует стандартам ISO-9001, EIA/TIA455, IEC-60794. Оптические характеристики соответствуют стандарту ISO/IEC 11801. Соответствует стандарту пожарной безопасности IEC 60332-1.	Соответствует стандартам EIA-TIA 455 и IEC-60332, 60754, 60794. Оптические характеристики соответствуют стандарту ISO/IEC 11801. Соответствует стандарту пожарной безопасности IEC 60332-1.
Описание	Волоконно-оптический кабель одномодульной конструкции (single loose tube), 2-24 волокна, бронированный стальной лентой, влагостойкий. Используется для локальных сетей, общего применения, внешней прокладки. Применяется в рамках подсистемы внешних магистралей.	Волоконно-оптический кабель многомодульной конструкции (multi loose tube), 2-96 волокон. Полностью диэлектрический кабель для локальных сетей, общего применения, для внутренней / внешней прокладки. Применение в рамках подсистемы внешних и внутренних магистралей, включая прокладку в стояках.	Волоконно-оптический кабель с плотным буфером (tight buffer), 2-72 волокна. Может использоваться как в закрытых помещениях, так и на улице. Может прокладываться в кабельные каналы. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния. Подходит для непосредственной оконцовки.
	Подходит для прокладки в грунт.	Организация разводки внутри и между зданиями.
УФ - устойчивость
Диаметр волокна	125±1µм)	125±1µм	125±1µм
Диаметр волокна по защитному покрытию	242±7µм	242±7µм	242±7µм
Внешний диаметр кабеля	11,9 мм	8,8/10,9/13,9 мм	4,9 мм
Усилие стягивания покрытия волокна	1.3-8.9 Н	1.3-8.9 Н	1.3-8.9 Н
Некруглость покрытия волокна	не более 1%	не более 1%	не более 1%
Минимальный радиус изгиба	238 мм (эксплуатация - 238 мм)	145 мм (эксплуатация - 97 мм)	98 мм (эксплуатация - 49 мм)
Растягивающее усилие (монтаж)	2 700 Н	1500 Н	900 Н
Растягивающее усилие (эксплуатация)	1 600 Н	900 H	540 Н
Раздавливающее усилие	800 Н/см	440 Н/см	220 Н/см
Изгибоустойчивость	25 циклов	300 циклов	300 циклов
Температура прокладки	- 20°C до +70°C	- 20°C до +70°C	от - 20°C до +70°C
Рабочая температура	-40°С до +75°С	-40°С до +75°С	от - 40°C до +70°C
Вес 1 км кабеля	150 кг	73/115/175 кг	25 кг
Цена, руб./м	24.3	37.8	48.3

Для прокладки под землей выбран кабель Hyperline HF0AB12B5

(FO-ST-OUT-XX-YY-PE). Для прокладки кабеля по воздуху - Hyperline HF0DF18B5 (FO-D-IN/OUT-9-12-HFFR), с плотным буфером.

Способы прокладки оптоволоконного кабеля

Прокладка оптических кабелей в грунт.

Перед прокладкой ОК проводятся изыскания трассы с целью выбора оптимальной конструкции прокладываемого ОК и технологии прокладки. Учитывается также наличие имеющихся подземных сооружений и наземных препятствий (шоссейные и железные дороги, реки, пересечения с линиями электропередачи и др.), определяются места размещения необслуживаемых регенерационных пунктов, пунктов доступа к ОК, оптических муфт и т.д.

Основным, наиболее экономичным методом прокладки ОК непосредственно в грунт, обеспечивающим наиболее высокую степень механизации и скорость прокладки, является прокладка кабелеукладчиком. Для ОК с металлическими бронепокровами необходимо соблюдение мер по защите ОК от грозовых повреждений и от влияний электрифицированных железных дорог и линий электропередачи на участках сближений с этими объектами. На особо опасных с точки зрения электромагнитных воздействий участках трассы предусматривается прокладка диэлектрических ОК (Рисунок 8).



Рисунок 8 - Кабелеукладчик

Прокладка оптических кабелей в траншею.

Прокладка ОК в траншею (Рисунок 9) выполняется при множественных пересечениях с подземными коммуникациями или другими препятствиями, а также при возможных повреждениях кабелеукладчиком дренажных устройств. Траншеи разрабатываются траншеекопателями, цепными или одноковшовыми экскаваторами, а при небольших объемах работ и в стесненных условиях - вручную. Глубина траншеи должна обеспечивать подсыпку песка или рыхлого грунта слоем 5… 10 см для выравнивания дна траншеи и выполнения плавных переходов через неизвлекаемые включения. По окончании укладки ОК в траншею предварительно засыпают слой песка или рыхлого грунта толщиной около 10…15 см (без включений камней), укладывают сигнальную ленту и окончательно засыпают траншею вынутым грунтом, который затем уплотняют.

Рис. 9 Прокладка ОК в траншею

Способ прокладки кабеля в грунт может использоваться в данном проекте, так как между жилыми домами не существует каких либо препятствий - водных преград или дорог общего пользования.

Подвеска волоконно-оптических кабелей связи.

Основными преимуществами волоконно-оптических кабелей являются их большая пропускная способность, возможность получения высоких скоростей передачи информации, нечувствительность к электромагнитным помехам, отсутствие электромагнитного излучения.

Два последних свойства идеальны для подвеска волоконно-оптического кабеля на линиях электропередач. В свою очередь, развитая сеть ЛЭП позволяет достаточно быстро и относительно недорого спроектировать и построить волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) даже в труднодоступных, горных, пустынных районах и районах с вечной мерзлотой, где другими методами построить линии связи практически невозможно.

Когда осуществляется подвеска на опорах воздушных линий связи, подвеска на опорах ЛЭП и подвеска на опорах контактной сети и автоблокировки железных дорог, преимущественно используются диэлектрические самонесущие волоконно-оптические кабели. Причина того что выбран волоконно-оптический кабель является их стойкость к электромагнитным воздействиям (гроза, стационарные и аварийные режимы работы ЛЭП и электрифицированных железных дорог и т.д.). Основным конструктивным элементом волоконно-оптического кабеля, обеспечивающим его стойкость к растягивающим нагрузкам при подвеске на опорах, являются кевларовые нити, в связи с чем, для крепления волоконно-оптического кабеля на опорах используется преимущественно спиральная натяжная и поддерживающая арматура, обеспечивающая предотвращение воздействия на волоконно-оптический кабель чрезмерных усилий сдавливания при одновременно высоких значениях обеспечиваемой прочности крепления в части стойкости к растягивающим нагрузкам.

Когда осуществляется подвеска волоконно-оптического кабеля на опорах воздушных линий связи, как вариант подвески может использоваться волоконно-оптический кабель с креплением к внешним несущим элементам (например, отдельному несущему тросу). Альтернативой диэлектрическому волоконно-оптическому кабелю при подвеске на ЛЭП высокого напряжения (110 кВ и выше) является волоконно-оптический кабель, встроенный в грозотрос (ОКГТ), выполняющий одновременно функции и волоконно-оптического кабеля для передачи информации, и грозозащитного троса линии электропередачи. Подвеска волоконно-оптического кабеля осуществляется в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документацией, при этом при применении волоконно-оптического кабеля встроенного в грозотрос ОКГТ осуществляются меры по обеспечению выполнения им функций грозозащиты, стык же его с оборудованием системы передачи, как правило, реализуется путем применения вставки из диэлектрического волоконно-оптического кабеля.

Когда прокладка ВОЛС осуществляется вдоль электрифицированных железных дорог, широкое применение получил способ - подвеска волоконно-оптического кабеля на опорах контактной сети. При этом кабель испытывает большие растягивающие усилия, поэтому в его конструкцию входят дополнительные силовые элементы или используется самонесущий волоконно-оптический кабель с кевларовой нитью.

В данном проекте может использоваться подвеска волоконно-оптического кабеля на ЛЭП.

Так как оба способа прокладки оптоволоконного кабеля допустимы для реализации данного проекта, дальнейшее их сравнение будет произведено в экономической части.

Конфигурация ЛВС с использованием радиорелейных линий связи

Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.

До недавнего времени РРЛ использовали диапазоны частот от 2 до 8 ГГц и представляли собой монументальные дорогостоящие структуры. Применялись сложные и дорогие антенные опоры: мачты или башни. Громоздкая аппаратура располагалась на станциях в специальных зданиях с собственной электростанцией и жилыми помещениями для обслуживающего персонала. Такие структуры существуют и строятся в настоящее время при организации магистральных систем связи.

Однако, в последние годы, новейшие технологии и освоение диапазонов частот выше 10 ГГц, коренным образом изменили структуры и оборудование радиорелейных линий связи. Габариты и вес оборудования уменьшились в десятки и сотни раз. В типовом исполнении современная радиорелейная аппаратура состоит из наружного и внутреннего модулей, соединенных кабелем. Наружный модуль выполняется в виде моноблока весом в несколько килограмм, состоящего из приемопередатчиков и антенны.

Рисунок 12 - Радиорелейное оборудование

Наружный блок устанавливается на простой антенной опоре или на здании, дымовой трубе и прочих возвышенных местах. Внутренний модуль располагается в помещении, удаленном от наружного модуля на расстояние до 300 - 400 м и представляет собой настольную или настенную компактную конструкцию. Подобные устройства получают массовое распространение в мире и позволяют организовывать радиорелейные линии и сети связи, передавая информацию:

- между населенными пунктами;

- внутри населенных пунктов, между отдельными предприятиями или зданиями;

- между базовыми станциями сотовой связи;

- между компьютерными центрами.

Кроме того, подобные устройства могут применяться для:

- обеспечения телекоммуникационными каналами индивидуальных пользователей;

- оперативной организации связи при различных стихийных бедствиях и катастрофах;

- организации вставок в действующие и строящиеся телекоммуникации.

Условия распространения сигнала на интервалах РРЛ значительно отличаются от условий свободного пространства. Во-первых, электромагнитные волны могут отражаться от поверхности Земли и приходить вместе с прямой волной на вход приемника. Во-вторых, на вход приемника может приходить волна, отраженная от неоднородностей атмосферы. Взаимодействие прямой и отраженных волн приводит к изменениям уровня сигнала в приемной антенне, другими словами - к замираниям. Это обстоятельство усугубляется тем, что радиоволны распространяются по кривым траекториям, зависящим от состояния атмосферы (времени года, времени суток, погоды и пр.). Следовательно, замирания на трассе РРЛ являются случайной величиной. Помимо этих явлений, на распространение сигнала в диапазонах волн выше 8-10 ГГц, сильное влияние оказывают дождь, снег, туман, смог. Несмотря на эти дестабилизирующие факторы, современные технологические решения позволяют обеспечивать надежную и эффективную связь по интервалам РРЛ.

В труднодоступных местах и для специальных целей находят применение тропосферные радиорелейные линии (ТРЛ), которые работают на расстояниях значительно превышающих прямую видимость. Передача сигнала идет за счет рассеяния электромагнитной энергии в тропосфере. Вследствие того, что уровни рассеянных сигналов очень малы, мощности передающих устройств в ТРЛ составляют до 10 киловатт, применяются громоздкие антенны с размерами до 30х30 м и сложные малошумящие приемники. Протяженность одного интервала может быть 200 - 400 км.