510_SHerstneva_O._G._Proektirovanie_korporativnykh_mul'tiservisnykh_setej_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

О.Г. Шерстнева

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПОРАТИВНЫХ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ

Учебное пособие

Новосибирск 2013

УДК625.395.7:51

Шерстнева О.Г.

Проектирование корпоративных мультисервисных сетей: Учебное пособие. О.Г. Шерстнева. – Новосибирск: ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2012. – 112 с.

Учебное пособие предназначено для изучения дисциплин «Сети связи», «Мультисервисные сети связи», «Системы коммутации», «Управление сетями связи», «Протоколы управления сетями связи» для студентов направлений: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (квалификация (степень) «бакалавр»), 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (квалификация (степень) «магистр»), 210400.62 «Телекоммуникации» (квалификация (степень) «бакалавр техники и технологии»), специальностей: 210406.65 «Сети связи и системы коммутации», 210404.65 «Многоканальные телекоммуникационные системы», 210401.65 «Физика и техника оптической связи», 210402.65 «Средства связи с подвижными объектами», 210405.65 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

В учебном пособии излагаются основы построения и развития корпоративных мультисервисных сетей. Дан пошаговый алгоритм расчета локальной мультисервисной сети на базе технологии Ethernet с заданным перечнем предоставляемых услуг и гарантированной полосой пропускания, предоставляемой терминальному оборудованию. Приведено описание используемого оборудования и материалов.

Рекомендовано ГОУ ВПО «СибГУТИ» в качестве учебного пособия для студентов вышеперечисленных направлений и специальностей.

УДК 621.395 ББК 32.88

Кафедра автоматической электросвязи

©ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2013

©Шерстнева О.Г.

2

Введение

Использование данных самого разного формата стало неотъемлемой составляющей деятельности любого предприятия. Телефонная связь, видеообщение, электронная почта, передача данных через Интернет применяются при взаимодействии организации с внешними контрагентами, в процессе функционирования бизнес-процессов, в рамках выработки управленческих решений руководством предприятия. Все это ведет к разрастанию разнородной сетевой инфраструктуры и увеличению затрат на ее содержание. Выходом из сложившейся ситуации является создание мультисервисной сети.

Мультисервисная сеть - это универсальная многоцелевая среда, предназначенная для передачи речи, изображения и данных с использованием технологии коммутации пакетов (IP). В результате единая инфраструктура служит для передачи информации самого разного формата. С технической точки зрения мультисервисная сеть представляет собой совокупность сетевого оборудования, позволяющего наиболее эффективно организовать взаимодействие оконечных устройств корпоративной сети между собой. Подобный подход позволяет значительно сократить количество каналов связи и, как следствие, снизить расходы на создание и поддержку сетевой инфраструктуры.

Тот факт, что вместо нескольких различных инфраструктур нужно управлять одной, обуславливает существенное снижение затрат на обслуживание и уменьшение штата обслуживающего персонала. Корпоративная мультисервисная сеть охватывает от нескольких десятков пользователей в сети малого предприятия или удаленного офиса компании до нескольких сотен тысяч абонентов в сети крупной корпорации.

Выбор оптимального варианта построения корпоративной мультисервисной сети во многом определяется территориальной спецификой, связанной с необходимостью объединить удаленные филиалы. Использование проверенных на практике архитектурных решений обеспечивает высокую надежность и масштабируемость информационной системы. Кроме того, технологии управления качеством обслуживания, генетически присущие мультисервисным сетям, необходимы не только для передачи голосового и видеотрафика, но и для обеспечения бесперебойной работы чувствительных к временным задержкам бизнес-приложений.

Инвестиции в сетевую инфраструктуру позволяют оптимизировать процесс управления предприятием и снизить риски, связанные с работой критически важных для бизнеса информационных систем.

Телефонная связь была и остается критически важной частью инфраструктуры любого предприятия. Развитие корпоративных систем телефонной связи в настоящее время происходит на основе технологий IP-телефонии.

Такие возможности как организация конференций, видеотелефония, унифицированный обмен сообщениями, интерактивные голосовые меню, информационные сервисы на телефонах и многие другие превращают сеть связи в мощный инструмент повышения производительности труда на предприятии.

4

Аудиоконференции между филиалами и региональными центрами могут проводиться при минимальных затратах. Это является существенным преимуществом: одновременным привлечением нескольких специалистов можно решить сложную проблему в рекордные сроки. Кроме того, каждому сотруднику организации предоставляется служебный номер, который может быть использован на любом телефонном аппарате, подключенном к корпоративной сети. Это означает, что персонал может работать за любым столом в филиале без опасения пропустить важный вызов. Другие сотрудники, например головного офиса, посетившие данный филиал, могут "подключиться" к телефонной системе точно так же, как если бы они сидели за своими рабочими столами. Использование IP-телефонов идеально подходит для доведения неотложной или важной информации до сотрудников, и поэтому является прекрасным средством для внутрикорпоративных коммуникаций.

В учебном пособии приводится методика расчета локальной мультисервисной сети на базе технологии Ethernet с заданным перечнем предоставляемых услуг и гарантированной полосой пропускания, предоставляемой терминальному оборудованию. Приведенная методика позволяет рассчитать пропускную способность на участках и сегментах сети, определить объем оборудования и материалов. Кроме того в работе приведены подробные описания технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, а так же протоколов, входящих в стек протоко-

лов TCP/IP.

5

1 СТРУКТУРА КОРПОРАТИВНОЙ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ

1.1Распределенные и локальные мультисервисные сети

1.1.1Распределенные мультисервисные сети

Распределенными мультисервисными сетями (МСС) называют корпоративные сети, имеющие территориально удаленные подразделения, связь с которыми осуществляется с использованием инфраструктуры операторов связи. Корпоративные сети включают в себя локальные сети подразделений организации.

Распределенная мультисервисная сеть обеспечивает надежную передачу разнообразной информации между территориально распределенными узлами сети с использованием единой информационной инфраструктуры. В значительной мере это актуально:

для государственных организаций, имеющих подразделения на территории каждого из субъектов РФ; для крупных финансовых структур;

для предприятий нефтегазодобывающей отрасли; для операторов связи;

для объединений предприятий разных отраслей промышленности.

Для большинства существующих распределенных корпоративных сетей в России характерны следующие особенности:

территориально распределенная структура: зачастую расстояния между крайними точками сети превышают 1000 км;

использование в качестве транспортной подсистемы каналов связи низкой или средней пропускной способности, арендованных у региональных операторов связи;

использование интернета в качестве транспортной сети для подключения удаленных подразделений;

централизованная структура, как правило, с головным офисом организации, расположенным в Москве или в одном из областных центров РФ; большое количество региональных узлов сети; недосток квалифицированного ИТ-персонала в удаленных подразделениях.

1.1.2 Локальные мультисервисные сети Локальные мультисервисные сети расположены в одном или нескольких

зданиях и объединены между собой с использованием собственных выделенных каналов большой пропускной способности (от 100 Мб/с).

Основная задача, которая ставится при построении локальных мультисервисных сетей - это создание телекоммуникационной инфраструктуры компании, обеспечивающей решение поставленных бизнес-задач с наибольшей эффективностью.

Для достижения наилучших показателей функционирования локальных мультисервисных сетей необходимо учитывать такие характеристики, как про-

6

изводительность, надежность, доступность, отказоустойчивость, масштабируемость, гибкость, эффективность.

1.2 Многоуровневый подход при построении мультисервисных сетей

При построении локальных мультисервисных сетей огромную роль играет правильный выбор архитектуры и топологии сети, который должен предусматривать многоуровневый подход. Он заключается в представлении архитектуры создаваемой сети в виде иерархических уровней, каждый из которых решает определенные для этого уровня задачи. Это позволяет:

-безболезненно для сети добавлять различные уровни, расширяющие функциональные возможности и решаемые сетью задачи;

-минимизировать ресурсные затраты для поиска и устранения неисправностей в сети.

1.2.1 Уровни иерархии локальных мультисервисных сетей Многоуровневая архитектура локальных мультисервисных сетей преду-

сматривает организацию четырех уровней иерархии (рисунок 1.1):

1. Уровень доступа (Access Layer)

Уровень доступа образуется коммутаторами, работающими на втором уровне согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI). Коммутаторы этого уровня предоставляют пользователям порты 10/100Base-TX, образуют виртуальные сети (VLAN) в пределах этих коммутаторов, и могут быть представлены как модульными устройствами, так и устройствами, объединяемыми в стек. Подключение коммутаторов уровня доступа к уровню распределения может быть выполнено как каналами Gigabit Ethernet или каналами FastEthernet, объединенными между собой по технологии Fast EtherChannel.

2. Уровень распределения (Distribution Layer).

Уровень распределения образуется коммутаторами, работающими на третьем и четвертом уровнях согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI). Коммутаторы уровня распределения связывают коммутаторы уровня доступа с центральными коммутаторами сети, а именно с коммутаторами уровня ядра. Подключение коммутаторов уровня распределения к уровню ядра может быть выполнено как каналами Gigabit Ethernet, так и каналами Fast Ethernet, объединенными между собой по технологии Gigabit Ether Channel.

3. Уровень ядра (Core Layer).

Уровень ядра образуется коммутаторами, работающими на втором и третьем уровнях согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI). Коммутаторы уровня ядра агрегируют трафик с коммутаторов уровня распределения.

4. Уровень серверов (Server Farm)

Уровень серверов также образуется коммутаторами, работающими на третьем и четвертом уровнях согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI). Коммутаторы уровня серверов обеспечивают непосредственное подключение серверов рабочих групп к сети. Подключение серверов к коммутаторам уровня серверов может быть выполнено как каналами FastEthernet, так и

7

каналами Gigabit Ethernet. Подключение же коммутаторов уровня серверов к уровню ядра может быть выполнено как каналами Gigabit Ethernet, так и каналами Fast Ethernet, объединенными между собой по технологии Gigabit

EtherChannel.

Рисунок 1.1. - Многоуровневая архитектура мультисервисной сети

Объединение различных уровней иерархии на одном физическом устройстве, например уровня доступа с уровнем распределения и уровня распределения с уровнем ядра, вполне допустимо. В случае построения небольших локальных сетей оно является экономически выгодным. Но в процессе развития сети переход к классическому многоуровневому дизайну неизбежен, поскольку лишь при таком подходе возможно более рациональное использование функциональных возможностей оборудования в узлах сети, что позволит минимизировать стоимость владения.

1.3 Обеспечение надежности и отказоустойчивости локальных мультисервисных сетей

Для обеспечения надежности и отказоустойчивости локальных мультисервисных сетей используются различные методы, как в самой топологии сети, так и при выборе телекоммуникационного оборудования. Как правило, при построении мультисервисной сети для связи между различными уровнями в топологии сети предусматривают резервные подключения между телекоммуникационным оборудованием (рисунок 1.1), причем для передачи трафика используются оба канала – основной и резервный. Кроме того, в топологии сети предусматривают установку дублирующих центральных коммутаторов уровня ядра, которые обеспечивают работу сети в случае отказа одного из коммутаторов. Для повышения надежности работы телекоммуникационного оборудования, а

8

значит и надежности сети в целом, используют модульные устройства, позволяющие устанавливать дублирующие блоки питания или модули управления.

Большинство приложений, которые используются для решения поставленных бизнес-задач компании, в основном ориентированы на клиент-серверную модель, обеспечивающую наибольшую эффективность выполнения бизнеспроцессов. Поэтому высокая доступность (High Availability) серверов, обеспечивающих работу этих приложений, является абсолютно необходимой для нормального функционирования бизнеса и в свою очередь полностью зависит от высокой доступности локальной сети в целом.

1.3.1 Технологии повышения надежности Для реализации высокой доступности сетевых сервисов в локальных муль-

тисервисных сетях, как правило, используются специальные технологии, позволяющие построить отказоустойчивую локальную вычислительную сеть, в которой основные и резервные устройства и соединения задействованы одновременно и осуществляют балансировку нагрузки на устройствах в сети. Например, при построении сети на оборудовании компании Cisco Systems используются следующие технологии:

-Cisco Hot Standby Router Protocol (HSRP), HSRP Track, Cisco IOS predestination load balancing over equal cost OSPF paths – функции автоматиче-

ского переключения с основного маршрутизатора на резервный в случае отказа

ифункции балансировки нагрузки для прокола OSPF;

-Cisco IOS Fast convergence for OSPF – функции программного обеспече-

ния Cisco IOS для уменьшения времени сходимости динамического протокола маршрутизации OSPF;

-Per-VLAN Spanning Tree, 802.1Q VLAN Trunking – возможность работы отдельного алгоритма Spanning Tree в каждой виртуальной сети для управления путями передачи трафика с точностью до отдельной подсети и обеспечения простого механизма отказоустойчивости на канальном уровне.

Возможность формирования одного логического канала из нескольких физических для организации высокоскоростных каналов связи между коммутаторами различных уровней и подключения серверов;

-дополнительные функции для протокола Spanning Tree, разработанные компанией Cisco (BackboneFast, UplinkFast, PortFast) - оптимизация работы ал-

горитма Spanning Tree для уменьшения времени переключения с основного на резервные каналы связи менее 5 секунд, а также сокращение времени включения пользовательского порта на коммутаторах до 30 секунд;

-поддержка новых стандартов, оптимизирующих работу протокола

Spanning Tree: 802.1s – Multiple Spanning Tree (MST) и 802.1w – Rapid Spanning Tree (RSTP);

-поддержка стандарта 802.3ab – Link Aggregate Control Protocol (LACP),

позволяющего объединять в единый логический канал несколько физических каналов между коммутаторами сети.

9

2 ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET

2.1 Общие сведения

Ethernet - пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространѐнной технологией в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet и Token ring.

Локальная мультисервисная сеть, как правило, строится с использованием технологии Ethernet.

2.1.1 История создания Ethernet

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретѐн 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием

«Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушѐл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель. В дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Причинами перехода на витую пару были:

–возможность работы в дуплексном режиме;

–низкая стоимость кабеля "витой пары";

–более высокая надѐжность сетей при неисправности в кабеле;

–возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-

телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

–отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как

правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным "выгоранием" системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

2.1.2 Метод управления доступом Метод управления доступом к среде - множественный доступ с контролем

несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от

10