Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

Введение

Процесс автоматизации промышленных производств развивается все более ускоряющимися темпами: увеличивается количество «интеллектуальных» оконечных устройств, растет число вовлеченных в процессы контроля и управления технологическим процессом вычислительных систем на базе микроконтроллеров. В этих условиях существенно возрастает роль данных, собираемых на всех уровнях АСУ ТП. Требования, предъявляемые со стороны потребителей этой информации, все более ужесточаются в части объема, скорости и надежности получения данных, поэтому вопросы обеспечения коммуникаций становятся высокоприоритетными. В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение оконечных устройств (датчиков и исполнительных механизмов). Такая структура диктовалась высокой ценой электронно-вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование,сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически. В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (ЦПС), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов ЦПС, применяемых в системах автоматизации. Технические и стоимостные различия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непростой задачей. Цель настоящей статьи – помочь конечным пользователям и проектировщикам распределённых АСУ ТП принять мотивированное решение, способное повысить эффективность производства и обеспечить надежную работу технологического оборудования [7].

1. Анализ архитектур сетей

Сетевая архитектура (network architecture) – это комбинация топологий, методов доступа к среде передачи данных и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети. Вычислительная сеть (ВС) – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих аппаратных и программных компонентов. Аппаратными компонентами локальной сети являются компьютеры и различное коммуникационное оборудование (кабельные системы, концентраторы и т. д.). Программными компонентами ВС являются операционные системы (ОС) и сетевые приложения. Компоновкой сети называется процесс составления аппаратных компонентов с целью достижения нужного результата. Сеть может быть построена по одной из трех схем:

  1. Cеть на основе одноранговых узлов – одноранговая сеть;
  2. сеть на основе клиентов и серверов – сеть с выделенными серверами;
  3. сеть, включающая узлы всех типов – гибридная сеть.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, определяющие их области применения [5]. Одноранговые ЛВС являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование. Одноранговые сети имеют следующие преимущества:

  1. они легки в установке и настройке;
  2. отдельные ПК не зависят от выделенного сервера;
  3. пользователи в состоянии контролировать свои ресурсы;
  4. малая стоимость и легкая эксплуатация;
  5. минимум оборудования и программного обеспечения;
  6. нет необходимости в администраторе;
  7. хорошо подходят для сетей с количеством пользователей, не превышающим десяти.

Проблемой одноранговой архитектуры является ситуация, когда компьютеры отключаются от сети. В этих случаях из сети исчезают виды сервиса, которые они предоставляли. Сетевую безопасность одновременно можно применить только к одному ресурсу, и пользователь должен помнить столько паролей, сколько сетевых ресурсов [3]. При получении доступа к разделяемому ресурсу ощущается падение производительности компьютера.

Рисунок 1. Производительность сети Ethernet

Существенным недостатком одноранговых сетей является отсутствие централизованного администрирования. Использование одноранговой архитектуры не исключает применения в той же сети также архитектуры терминал-главный компьютер или архитектуры клиент-сервер [11].

1.1 Архитектура клиент-сервер

Архитектура клиент-сервер (client-server architecture) – это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты.

Сервер – это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис – это процесс обслуживания клиентов. Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. После выполнения каждого задания сервер посылает полученные результаты клиенту, пославшему это задание. Сервисная функция в архитектуре клиент-сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы [1].

Рисунок 2.Архитектура клиент – сервер

Процесс, который вызывает сервисную функцию с помощью определенных операций, называется клиентом. Им может быть программа или пользователь. На рисисунке приведен перечень сервисов в архитектуре клиент-сервер. Клиенты – это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью. В сетях с выделенным файловым сервером на выделенном автономном ПК устанавливается серверная сетевая операционная система. Этот ПК становится сервером. ПО, установленное на рабочей станции, позволяет ей обмениваться данными с сервером. Наиболее распространенные сетевые операционная системы:

  1. NetWare фирмы Novel;
  2. Windows NT фирмы Microsoft;
  3. UNIX фирмы AT&T;
  4. Linux.
Помимо сетевой операционной системы необходимы сетевые прикладные программы, реализующие преимущества, предоставляемые сетью.

Рисунок 3.Модель клиент-сервер

Круг задач, которые выполняют серверы в иерархических сетях, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в ЛВС стали специализированными. Так, например, в операционной системе Windows NT Server существуют различные типы серверов: Клиент является инициатором и использует электронную почту или другие сервисы сервера. В этом процессе клиент запрашивает вид обслуживания, устанавливает сеанс, получает нужные ему результаты и сообщает об окончании работы. Сети на базе серверов имеют лучшие характеристики и повышенную надежность [2]. Сервер владеет главными ресурсами сети, к которым обращаются остальные рабочие станции. В современной клиент-серверной архитектуре выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах на рабочих местах пользователей. Данные в основном хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми серверами и данными. Кроме того службы управляют процедурами обработки данных. Сети клиент-серверной архитектуры имеют следующие преимущества:

  1. позволяют организовывать сети с большим количеством рабочих станций;
  2. обеспечивают централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом, что упрощает сетевое администрирование;
  3. эффективный доступ к сетевым ресурсам;
  4. пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа ко всем ресурсам, на которые распространяются права пользователя.
Наряду с преимуществами сети клиент-серверной архитектуры имеют и ряд недостатков:
  1. неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной;
  2. требуют квалифицированного персонала для администрирования;
  3. имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.

1.2 Выбор архитектуры сети

Выбор архитектуры сети зависит от назначения сети, количества рабочих станций и от выполняемых на ней действий. Следует выбрать одноранговую сеть, если:

  1. количество пользователей не превышает десяти;
  2. все машины находятся близко друг от друга;
  3. имеют место небольшие финансовые возможности;
  4. нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс-сервер или какой-либо другой;
  5. нет возможности или необходимости в централизованном администрировании.
Следует выбрать клиент-серверную сеть, если:
  1. количество пользователей превышает десять;
  2. требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование;
  3. необходим специализированный сервер;
  4. нужен доступ к глобальной сети;
  5. требуется разделять ресурсы на уровне пользователей.

2. Анализ необходимого оборудования

Серия Cisco 3600 разработана для поддержки растущего числа удаленных офисов и подразделений которым необходим доступ в корпоративную сети или сеть Интернет. Эта серия серверов доступа предлагает беспрецедентный уровень поддержки различных технологий удаленного доступа, включая передачу голоса и факсов через сети TCP/IP.

Наиболее распространенным является именно продукция Cisco, по результатам на 2018 год мы можем видеть следующее распределение [10]:

Рисунок 4.Распределение оборудования относительно фирм-производителей

Рисунок 5.Данные маршрутизаторов Cisco

    Основные возможности
  1. Поддержка всех функции ПО Cisco IOSTM
  2. Модульная архитектура
  3. Поддерживается как передача голоса поверх протокола IP, так и передача голоса поверх протокола Frame Relay (стандарты FRF.11 и FRF.12)
  4. Широчайший спектр функций в рамках одного устройства
  5. Простой и гибкий метод замены программного обеспечения с использованием флеш-памяти
  6. Дополнительный отказоустойчивый источник питания
  7. ПО ConfigMaker для Win95 и NT 4.0 для дизайна сети и упрощения конфигурации
Модули для машрутизаторов серии Cisco 3600:

Таким образом, мы можем построить сравнительную характеристику относительно других аналогов:

Рисунок 6. Сравнительная характеристика относительно фирм-производителей и оброрудования Cisco Catalyst

3. Протоколы, используемые маршрутизаторами в сети

Протокол маршрутизации — сетевой протокол , используемый маршрутизаторами для определения возможных маршрутов следования данных в составной компьютерной сети. Применение протокола маршрутизации позволяет избежать ручного ввода всех допустимых маршрутов, что, в свою очередь, снижает количество ошибок, обеспечивает согласованность действий всех маршрутизаторов в сети и облегчает труд администраторов [8]. Классификация

В зависимости от алгоритма маршрутизации протоколы делятся на два вида:
  1. дистанционно-векторные протоколы (основаны на алгоритме DVA — англ. distance vector algorithm);
  2. протоколы состояния каналов связи (основаны на алгоритме LSA — англ. link state algorithm).
По области применения выделяют протоколы:
  1. для междоменной маршрутизации;
  2. для внутридоменной маршрутизации.
Дистанционно-векторные протоколы
  1. RIP — англ. routing information protocol;
  2. IGRP — англ. interior gateway routing protocol (лицензированный протокол фирмы «Cisco Systems»);
  3. BGP — англ. border gateway protocol;[4]
  4. EIGRP — англ. enhanced interior gateway routing protocol (на самом деле этот протокол гибридный — объединяет свойства дистанционно-векторных протоколов и протоколов по состоянию канала); лицензированный протокол фирмы «Cisco Systems»);
  5. AODV — англ. ad hoc on-demand distance vector.
Протоколы состояния каналов связи
  1. IS-IS — англ. intermediate system to intermediate system (стек OSI);
  2. OSPF — англ. open shortest path first;
  3. NLSP — англ. NetWare link-services protocol (стек Novell);
  4. HSRP — англ. hot standby router/redundancy protocol (протокол резервирования шлюза в сетях Ethernet);
  5. CARP — англ. common address redundancy protocol (протокол резервирования шлюза в сетях Ethernet);
  6. OLSR — англ. optimized link-state routing;
  7. TBRPF — англ. topology dissemination based on reverse-path forwarding.
Протоколы междоменной маршрутизации
  1. EGP — англ. exterior gateway protocol;
  2. BGP — англ. border gateway protocol;
  3. IDRP — англ. inter-domain routing protocol;
  4. IS-IS level 3 — англ. intermediate system to intermediate system level 3.
Протоколы внутридоменной маршрутизации
  1. RIP — англ. routing information protocol;
  2. IS-IS level 1-2 — англ. intermediate system to intermediate system level 1 2;
  3. OSPF — англ. open shortest path first;
  4. IGRP — англ. interior gateway routing protocol;
  5. EIGRP — англ. enhanced interior gateway routing protocol.
Типы алгоритмов Алгоритмы маршрутизации могут быть классифицированы по типам. Например, алгоритмы могут быть:
  1. Статическими или динамическими
  2. Одномаршрутными или многомаршрутными
  3. Одноуровневыми или иерархическими
  4. С интеллектом в главной вычислительной машине или в роутере
  5. Внутридоменными и междоменными
  6. Алгоритмами состояния канала или вектора расстояний

Статические или динамические алгоритмы Динамические алгоритмы маршрутизации подстраиваются к изменяющимся обстоятельствам сети в масштабе реального времени. Они выполняют это путем анализа поступающих сообщений об обновлении маршрутизации. Если в сообщении указывается, что имело место изменение сети, программы маршрутизации пересчитывают маршруты и рассылают новые сообщения о корректировке маршрутизации. Такие сообщения пронизывают сеть, стимулируя роутеры заново прогонять свои алгоритмы и соответствующим образом изменять таблицы маршрутизации. Динамические алгоритмы маршрутизации могут дополнять статические маршруты там, где это уместно. Например, можно разработать "роутер последнего обращения" (т.е. роутер, в который отсылаются все неотправленные по определенному маршруту пакеты). Такой роутер выполняет роль хранилища неотправленных пакетов, гарантируя, что все сообщения будут хотя бы определенным образом обработаны. Сложные алгоритмы маршрутизации [9] при выборе маршрута могут базироваться на множестве показателей, комбинируя их таким образом, что в результате получается один отдельный (гибридный) показатель. Ниже перечислены показатели, которые используются в алгоритмах маршрутизации:

  1. Длина маршрута
  2. Надежность
  3. Задержка
  4. Ширина полосы пропускания
  5. Нагрузка
  6. Стоимость связи

Также следует упомянуть одну из важнейших характеристик – скорость. Номинальная скорость — битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале передачи одного пакета без различия служебных и пользовательских заголовков. Очевидно, что чем меньше пакет, тем быстрее он передастся.

Эффективная скорость — это средняя скорость передачи пользовательских данных (нагрузки) в потоке. Этот параметр зависит от соотношения длин служебных заголовков к нагрузке. Во многих случаях некоторый объём информации эффективнее передавать большими пакетами из-за меньших накладных расходов. Корректно сравнивать скорости потоков можно только для одного и того же объёма данных, который требуется передать единовременно. Таким образом, проверив данные, мы можем вывести зависимость максимальной эффективности передачи полезных данных при использовании некоторых из перечисленных протоколов: [6]

Рисунок 7. Зависимость эффективной скорости от длин заголовков и MTU в Ethernet-сети

4. Анализ результатов работы

Проектирование сети я решил выполнить в программе GNS3. Построение сети я выполнил на роутерах Cisco 3640. Топология созданной сети выглядит так как на рисунке 8.

Рисунок 8.Топология сети

Далее необходимо включить их и настроить. Для этого мы воспользуемся топологией и настройкой шлюза и IP адресов.

Рисунок 9.Показание связей в топологической схеме

Рисунок 10.IP-адреса соединений

Для настройки роутеров мы используем команду conf t для входа в режим настройки, для перехода на необходимый интерфейс вводим его командой interface fa .Далее вписываем IP-адрес и маску подсети.Для включения порта необходимо ввести команду no shutdown.

Рисунок 11.Приклад ввода команд для настройки одного з портoв

Далее командой ping проверяем правильно ли выполнена настройка портов.

Рисунок 12.Проверка работы портов

Пример настройки динамической маршрутизации путем ввода последовательности команд.

Рисунок 13.Активация RIP-протокола на роутере R5

Подтверждением правильно выполненной работы служит команда ping на тот участок сети, который не принадлежит к статической маршрутизации данного роутера . Для примера возьмем роутер R3 и его IP 192.168.2.2

Рисунок 14.Проверка динамической маршрутизации с роутера R5 на роутер R3

Следующей командой мы можем ввести статический маршрут. R5(config)#ip route 192.168.0.0 255.255.255.0 fa 2/0 это команда для ввода статического маршрута. ip route - это команда, говорящая роутеру, что сейчас будет введен статический маршрут; 192.168.0.0 - это удаленная и неизвестная роутеру сеть; 255.255.255.0 - это маска удаленной сети; fa 2/0 - это на какой интерфейс слать пакеты, предназначающиеся для той, удаленной сети.

Рисунок 15.Проверка динамической маршрутизации с роутера R5 на роутер R3

Таким образом, мы выполнили создание топологии сети, статической адресации без перехода в соседние сети, с статической адресацией и динамической адресацией путем использования протокола RIP v2.

Поскольку одной из важнейших характеристик промышленной сети является Пропускная способность, была выведена зависимость передачи информации. Максимальную скорость передачи данных черех протокол TCP можно вычислить по следующей формуле:

(BS x 8) / (RTT x 1024) = максимальная скорость Мбит/сек, где BS — размер приемного буфера в Килобайтах, а RTT — время ответа в секундах

Если время ответа (RTT — Round Trip Time) будет составлять 5 мс или 0.005 секунды, по сети можно будет передать максимум:

(64 * 8 ) / ( 0,005 * 1024 ) = 100 Мбит/с

Но увы RTT даже до шлюза не всегда ниже 5 мс. В лучшем случае RTT до сервера будет составлять 20-50 мс. При этом максимальная скорость будет 10-25 Мбит/с.

Ниже приведен график на котором изображена зависимость максимальной скорости по TCP от времени ответа RTT.

Рисунок 16.График зависимости максимальной скорости по TCP от времени ответа RTT

Выводы

Была изучена сеть, ее структура, сетевая операционная система, кабельная система, кабельное и коммутационное оборудование, программное обеспечение сети. Были получены необходимые знания в области протоколов коммутации и маршрутизации. Изучение и практическое применение знаний по настройке коммутаторов и маршрутизаторов, практическое построение топологии кольцо. Создание широковещательного шторма и его влияние на устройства. Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче - разработке модели промышленной сети. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Анализ существующих решений промышленных сетей.
  2. Разработка структуры сети.
  3. Реализация промышленной сети.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

  1. Поиск методов оптимизации работы промышленной сети.
  2. Исследование методов оптимизации обмена данными в пределах сети.

Список источников

  1. Cisco Systems. Руководство Cisco по междоменной многоадресатной маршрутизации - Издательский дом "Вильямс" - 2004г. - 320 с.
  2. Аллан Леинванд, Брюс Пински. Конфигурирование маршрутизаторов Cisco - Издательский дом "Вильямс" - 2001г. - 47 с.
  3. Сэм Хелеби, Денни Мак-Ферсон. Принципы маршрутизации в Internet, 2-е издание - Издательский дом "Вильямс" - 2001г. - 448 с.
  4. Уильям Р. Паркхерст. Протокол Cisco BGP-4: справочник по командам и настройке - Издательский дом "Вильямс" - 2002г - 384 с.
  5. Ткаченко В.А. Основы локальных сетей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lessons-tva.info/edu/telecom-loc/m1t4_3loc.html/
  6. Научная библиотека Семиуровневая модель OSI [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sernam.ru/book_icn.php?id=6
  7. Научная библиотека Преимущества использования сетей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sernam.ru/book_icn.php?id=4
  8. Wiki Протокол маршрутизации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB_%D0%BC%D0%B0%D1%80%D1%88%D1%80%D1%83%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8/
  9. Сергей Кузнецов Типы алгоритмов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://citforum.ck.ua/nets/ito/2.shtml/
  10. Cisco Серия модульных маршрутизаторов Cisco 3600 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cisco.com/russian_win/warp/public/3/ru/products/access_cisco3600.html
  11. Фред Бейкер Как работают маршрутизаторы? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docstore.mik.ua/routing/18/