Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Зміст

Введення

Процес автоматизації промислових виробництв розвивається все більше прискорюють темпи: збільшується кількість «інтелектуальних» кінцевих пристроїв, зростає число залучених в процеси контролю і управління технологічним процесом обчислювальних систем на базі мікроконтролерів. У цих умовах істотно зростає роль даних, зібраних на всіх рівнях АСУ ТП. Вимоги, що пред'являються з боку споживачів цієї інформації, все більше посилюються в частині обсягу, швидкості і надійності отримання даних, тому питання забезпечення комунікацій стають високопріоритетними. Протягом багатьох років системи обміну даними будувалися за традиційною централізованою схемою, в якій було одне потужне обчислювальний пристрій і величезна кількість кабелів, за допомогою яких здійснювалося підключення кінцевих пристроїв (датчиків і виконавчих механізмів). Така структура диктувалася високою ціною електронно-обчислювальної техніки і відносно низьким рівнем автоматизації виробництва. На сьогоднішній день у цього підходу практично не залишилося прихильників. Такі недоліки централізованих АСУ ТП, як великі витрати на кабельну мережу і допоміжне обладнання, складний монтаж, низька надійність і складна реконфігурація, зробили їх у багатьох випадках абсолютно неприйнятними як економічно, так і технологічно. В умовах бурхливо зростаючого виробництва мікропроцесорних пристроїв альтернативним рішенням стали цифрові промислові мережі (ЦПС), що складаються з багатьох складових, які обмін між якими проводиться цифровим способом. На сьогоднішній день на ринку представлено близько сотні різних типів ЦПС, що застосовуються в системах автоматизації. Технічні і вартісні відмінності цих систем настільки великі, що вибір рішення, оптимально підходить для потреб конкретного виробництва, є непростим завданням. Мета цієї статті - допомогти кінцевим користувачам і проектувальникам розподілених АСУ ТП прийняти вмотивоване рішення, здатне підвищити ефективність виробництва і забезпечити надійну роботу технологічного обладнання [7].

1. Аналіз архітектур мереж

Мережева архітектура (network architecture) - це комбінація топологій, методів доступу до середовища передачі даних і протоколів, необхідних для створення працездатної мережі.

Обчислювальна мережа (ВС) - це складний комплекс взаємопов'язаних і узгоджено функціонуючих апаратних і програмних компонентів. Апаратними компонентами локальної мережі є комп'ютери і різне комунікаційне обладнання (кабельні системи, концентратори і т. Д.). Програмними компонентами ВС є операційні системи (ОС) і мережеві додатки. Компонуванням мережі називається процес складання апаратних компонентів з метою досягнення потрібного результату. Мережа може бути побудована за однією з трьох схем:

  1. Мережа на основі тимчасових вузлів - однорангова мережа; Li> мережу на основі клієнтів і серверів - мережа з виділеними серверами;
  2. мережу, що включає вузли всіх типів - гібридна мережа.

Кожна з цих схем має свої переваги і недоліки, що визначають їх області застосування [5]. Однорангові ЛВС є найбільш легким і дешевим типом мереж для установки. При з'єднанні комп'ютерів, користувачі можуть надавати ресурси і інформацію в спільне користування. Однорангові мережі мають такі переваги:

  1. вони легкі в установці і настройці;
  2. окремі ПК не залежить від виділеного сервера;
  3. користувачі в змозі контролювати свої ресурси;
  4. низька ціна і легка експлуатація;
  5. мінімум обладнання і програмного забезпечення;
  6. немає необхідності в адміністраторові;
  7. добре підходять для мереж з кількістю користувачів, що не перевищує десяти.

Проблемою тимчасової архітектури є ситуація, коли комп'ютери відключаються від мережі. У цих випадках з мережі зникають види сервісу, які вони надавали. Мережеву безпеку одночасно можна застосувати тільки до одного ресурсу, і користувач повинен пам'ятати стільки паролів, скільки мережевих ресурсів [3]. При отриманні доступу до ресурсу відчувається падіння продуктивності комп'ютера.

Рисунок 1. Продуктивність мережі Ethernet

Істотним недоліком однорангових мереж є відсутність централізованого адміністрування. Використання тимчасової архітектури не виключає застосування в тій же мережі також архітектури термінал-головний комп'ютер або архітектури клієнт-сервер [11].

1.1 Архітектура клієнт-сервер

Архітектура клієнт-сервер (client-server architecture) - це концепція інформаційної мережі, в якій основна частина її ресурсів зосереджена в серверах, обслуговуючих своїх клієнтів. Вже згадана архітектура визначає два типи компонентів: сервери і клієнти.

Сервер - це об'єкт, що надає сервіс іншим об'єктам мережі за їхніми запитами. Сервіс - це процес обслуговування клієнтів. Сервер працює за завданнями клієнтів і управляє виконанням їх завдань. Після виконання кожного завдання сервер посилає отримані результати клієнту, який послав це завдання. Сервісна функція в архітектурі клієнт-сервер описується комплексом прикладних програм, відповідно до якого виконуються різноманітні прикладні процеси [1].

Рисунок 2.Архітектура клієнт - сервер

Процес, який викликає сервісну функцію за допомогою певних операцій, називається клієнтом. Їм може бути програма або користувач. На малюнку наведено перелік сервісів в архітектурі клієнт-сервер. Клієнти - це робочі станції, які використовують ресурси сервера і надають зручні інтерфейси користувача. Інтерфейси користувача це процедури взаємодії користувача з системою або мережею. У мережах з виділеним файловим сервером на виділеному автономному ПК встановлюється серверна мережева операційна система. Цей ПК стає сервером. ПЗ, встановлене на робочій станції, дозволяє їй обмінюватися даними з сервером. Найбільш поширені мережеві операційна системи:

  1. NetWare фірми Novel;
  2. Windows NT фірми Microsoft;
  3. UNIX фірми AT & T;
  4. Linux.
Крім мережевої операційної системи необхідні мережеві прикладні програми, що реалізують переваги, надані мережею.

Рисунок 3.Модель клієнт-сервер

Коло завдань, які виконують сервери в ієрархічних мережах, різноманітний і складний. Щоб пристосуватися до зростаючих потреб користувачів, сервери в ЛВС стали спеціалізованими. Так, наприклад, в операційній системі Windows NT Server існують різні типи серверів: Клієнт є ініціатором і використовує електронну пошту або інші сервіси сервера. У цьому процесі клієнт запрошує вид обслуговування, встановлює сеанс, отримує потрібні йому результати і повідомляє про закінчення роботи. Мережі на базі серверів мають кращі характеристики і підвищену надійність [2]. Сервер володіє головними ресурсами мережі, до яких звертаються інші робочі станції. У сучасній клієнт-серверній архітектурі виділяється чотири групи об'єктів: клієнти, сервери, дані і мережеві служби. Клієнти розташовуються в системах на робочих місцях користувачів. Дані в основному зберігаються в серверах. Мережеві служби є спільно використовуваними серверами і даними. Крім того служби керують процедурами обробки даних. Мережі клієнт-серверної архітектури мають такі переваги:

  1. дозволяють організовувати мережі з великою кількістю робочих станцій;
  2. забезпечують централізоване управління обліковими записами користувачів, безпекою і доступом, що спрощує мережне адміністрування;
  3. ефективний доступ до мережевих ресурсів;
  4. користувачеві потрібен один пароль для входу в мережу і для отримання доступу до всіх ресурсів, на які поширюються права користувача.
Поряд з перевагами мережі клієнт-серверної архітектури мають і ряд недоліків:
  1. несправність сервера може зробити мережу непрацездатною;
  2. вимагають кваліфікованого персоналу для адміністрування;
  3. мають більш високу вартість мереж і мережевого устаткування.

1.2 Вибір архітектури мережі

Вибір архітектури мережі залежить від призначення мережі, кількості робочих станцій і від виконуваних на ній дій. Слід вибрати тимчасову мережу, якщо:

  1. кількість користувачів не перевищує десяти;
  2. всі машини знаходяться близько один від одного;
  3. мають місце невеликі фінансові можливості;
  4. немає необхідності в спеціалізованому сервері, такому як сервер БД, факс-сервер або який-небудь інший;
  5. немає можливості або необхідності в централізованому адмініструванні.
Слід вибрати клієнт-серверну мережу, якщо:
  1. кількість користувачів перевищує десять;
  2. потрібно централізоване управління, безпека, управління ресурсами або резервне копіювання;
  3. необхідний спеціалізований сервер;
  4. потрібен доступ до глобальної мережі;
  5. потрібно розділяти ресурси на рівні користувачів.

2. Аналіз необхідного обладнання

Серія Cisco 3600 розроблена для підтримки зростаючого числа віддалених офісів і підрозділів яким необхідний доступ до корпоративної мережі або мережу Інтернет. Ця серія серверів доступу пропонує безпрецедентний рівень підтримки різних технологій віддаленого доступу, включаючи передачу голосу і факсів через мережі TCP / IP.

Найбільш поширеним є саме продукція Cisco, за результатами на 2018 рік ми можемо бачити наступний розподіл [10]:

Рисунок 4.Распределеніе обладнання щодо фірм-виробників

Рисунок 5.Данние маршрутизаторів Cisco

    Основні можливості  
  1. Підтримка всіх функції ПО Cisco IOSTM  
  2. Модульна архітектура  
  3. Підтримується як передача голосу поверх протоколу IP, так і передача голосу поверх протоколу Frame Relay (стандарти FRF.11 і FRF.12)  
  4. Найширший спектр функцій в рамках одного пристрою  
  5. Простий і гнучкий метод заміни програмного забезпечення з використанням флеш-пам'яті  
  6. Додатковий відмовостійкий джерело живлення  
  7. ПО ConfigMaker для Win95 і NT 4.0 для дизайну мережі і спрощення конфігурації
Модулі для машрутізаторів серії Cisco 3600:

Таким чином, ми можемо побудувати порівняльну характеристику щодо інших аналогів:

Рисунок 6. Порівняльна характеристика щодо фірм-виробників і оброрудованія Cisco Catalyst

3. Протоколи, які використовуються маршрутизаторами в мережі

Протокол маршрутизації - мережевий протокол, який використовується маршрутизаторами для визначення можливих маршрутів слідування даних в складовою комп'ютерної мережі. Застосування протоколу маршрутизації дозволяє уникнути ручного введення всіх допустимих маршрутів, що, в свою чергу, знижує кількість помилок, забезпечує узгодженість дій усіх маршрутизаторів в мережі і полегшує працю адміністраторів. Класифікація

Залежно від алгоритму маршрутизації протоколи діляться на два види:
  1. дистанційно-векторні протоколи (засновані на алгоритмі DVA - англ. Distance vector algorithm);
  2. протоколи стану каналів зв'язку (засновані на алгоритмі LSA - англ. Link state algorithm).
По області застосування виділяють протоколи:
  1. для междоменной маршрутизації;
  2. для внутрідоменной маршрутизації.
Дистанційно-векторні протоколи
  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.
Протоколи стану каналів зв'язку
  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.
Протоколи междоменной маршрутизації
  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.
Протоколи внутрідоменной маршрутизації
  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.
Типи алгоритмів Алгоритми маршрутизації можуть бути класифіковані за типами. Наприклад, алгоритми можуть бути:
  1. Статичними або динамічними
  2. одномаршрутні або багатомаршрутному
  3. однорівневий або ієрархічними
  4. З інтелектом у головній обчислювальній машині або в роутері
  5. Внутрідоменнимі і междоменной
  6. Алгоритмами стану каналу або вектора відстаней

Статичні або динамічні алгоритми Динамічні алгоритми маршрутизації підлаштовуються до обставин, що змінюються мережі в масштабі реального часу. Вони виконують це шляхом аналізу вхідних повідомлень про оновлення маршрутизації. Якщо в повідомленні вказується, що мала місце зміна мережі, програми маршрутизації перераховують маршрути і розсилають нові повідомлення про коректування маршрутизації. Такі повідомлення пронизують мережа, стимулюючи роутери заново проганяти свої алгоритми і відповідним чином змінювати таблиці маршрутизації. Динамічні алгоритми маршрутизації можуть доповнювати статичні маршрути там, де це доречно. Наприклад, можна розробити "роутер останнього звернення" (тобто роутер, в який відсилаються всі невідправлені за певним маршрутом пакети). Такий роутер виконує роль сховища невідправлених пакетів, гарантуючи, що всі повідомлення будуть хоча б певним чином оброблені. Складні алгоритми маршрутизації [9] при виборі маршруту можуть базуватися на безлічі показників, комбінуючи їх таким чином, що в результаті виходить один окремий (гібридний) показник. Нижче перераховані показники, які використовуються в алгоритмах маршрутизації:

  1. Довжина маршруту
  2. Надійність
  3. Затримка
  4. Ширина смуги пропускання
  5. Навантаження
  6. Вартість зв'язку

Також слід згадати одну з найважливіших характеристик - швидкість. Номінальна швидкість - бітова швидкість передачі даних, підтримувана на інтервалі передачі одного пакета незалежно від службових і призначених для користувача заголовків. Очевидно, що чим менше пакет, тим швидше він передасться.

Ефективна швидкість - це середня швидкість передачі призначених для користувача даних (навантаження) в потоці. Цей параметр залежить від співвідношення довжин службових заголовків до навантаження. У багатьох випадках певний обсяг інформації ефективніше передавати великими пакетами через менших накладних витрат. Коректно порівнювати швидкості потоків можна тільки для одного і того ж обсягу даних, який потрібно передати одноразово. Таким чином, перевіривши дані, ми можемо вивести залежність максимальної ефективності передачі корисних даних при використанні деяких з перерахованих протоколів: [6]

Рисунок 7. Залежність ефективної швидкості від довжин заголовків і MTU в Ethernet-мережі

4. Аналіз результатів роботи

Проектування мережі я вирішив виконати в програмі GNS3. Побудова мережі я виконав на роутерах Cisco 3640. Топологія створеної мережі виглядає так як на малюнку 8.

Рисунок 8.Топологія мережі

Далі необхідно включити їх і налаштувати. Для цього ми скористаємося топологією і налаштуванням шлюзу і IP адрес.

Рисунок 9.Показаніе зв'язків в топологічної схемою

Рисунок 10.IP-адреси з'єднань

Для налаштування роутерів ми використовуємо команду conf t для входу в режим настройки, для переходу на необхідний інтерфейс вводимо його командою interface fa .Далі вписуємо IP-адреса і маску подсеті.Для включення порту необхідно ввести команду no shutdown.

Рисунок 11.Прімер введення команд для налаштування одного з портів

Далі командою ping перевіряємо чи правильно виконана настройка портів.

Рисунок 12.Проверка роботи портів

Приклад настройки динамічної маршрутизації шляхом введення послідовності команд.

Рисунок 13.Актівація RIP-протоколу на роутері R5

Підтвердженням правильно виконаної роботи служить команда ping на ту ділянку мережі, що не належить до статичної маршрутизації даного роутера. Для прикладу візьмемо роутер R3 і його IP 192.168.2.2

Рисунок 14.Перевірка динамічної маршрутизації з роутера R5 на роутер R3

Наступною командою ми можемо ввести статичний маршрут. R5 (config) #ip route 192.168.0.0 255.255.255.0 fa 2/0 це команда для введення статичного маршруту. ip route - це команда, яка говорить роутера, що зараз буде введений статичний маршрут; 192.168.0.0 - це віддалена і невідома роутера мережу; 255.255.255.0 - це маска віддаленої мережі; fa 2/0 - це на який інтерфейс слати пакети, які призначаються для тієї, віддаленої мережі.

Рисунок 15.Проверка динамічної маршрутизації з роутера R5 на роутер R3

Таким чином, ми виконали створення топології мережі, статичної адресації без переходу в сусідні мережі, з статичної адресацією і динамічної адресацією шляхом використання протоколу RIP v2.

Оскільки однією з найважливіших характеристик промислової мережі є Пропускна здатність, була виведена залежність передачі інформації. Максимальну швидкість передачі даних черех протокол TCP можна обчислити за такою формулою:

(BS x 8) / (RTT x 1024) = максимальна швидкість Мбіт / сек, де BS - розмір приймального буфера в кілобайти, а RTT - час відповіді в секундах

Якщо час відповіді (RTT - Round Trip Time) становитиме 5 мс або 0.005 секунди, по мережі можна буде передати максимум:

(64 * 8) / (0,005 * 1024) = 100 Мбіт / 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.

Нижче наведено графік на якому зображена залежність максимальної швидкості по TCP від часу відповіді RTT.

Рисунок 16.Графік залежності максимальної швидкості по TCP від часу відповіді RTT

Висновки

Була вивчена мережа, її структура, мережева операційна система, кабельна система, кабельне та комутаційне обладнання, програмне забезпечення мережі. Були отримані необхідні знання в області протоколів комутації і маршрутизації. Вивчення і практичне застосування знань по налаштуванню комутаторів і маршрутизаторів, практичне побудова топології кільце. Створення широковещательного шторму і його вплив на пристрої. Магістерська робота присвячена актуальній науковій задачі - розробці моделі промислової мережі. В рамках проведених досліджень виконано:

  1. Аналіз існуючих рішень промислових мереж.
  2. Розробка структури мережі.
  3. Реалізація промислової мережі.

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

  1. Пошук методів оптимізації роботи промислової мережі.
  2. Дослідження методів оптимізації обміну даними в межах мережі.

Перелік посилань

  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/