Руководство по выполнению курсовой работы на тему «Проектирование локальной вычислительной сети»

Актуальность проектирования локальных вычислительных сетей (ЛВС) в современном мире не вызывает сомнений. От эффективности и надежности сетевой инфраструктуры напрямую зависит работа любого предприятия. Однако для студента технической специальности курсовая работа по этой теме часто становится серьезным испытанием. Основная трудность заключается в необходимости соединить теоретические знания с практическими задачами, учесть строгие требования ГОСТ к оформлению документации и, что самое главное, — суметь обосновать каждое принятое проектное решение.

Эта статья — не просто очередной образец, а пошаговое руководство, которое проведет вас через все этапы выполнения курсовой работы. Чтобы сделать процесс максимально наглядным, мы будем использовать сквозной пример — проектирование ЛВС для административного комплекса рудника «Восточный». Этот вымышленный, но реалистичный проект станет нашим полигоном, на котором мы отработаем все ключевые навыки. Вы получите не шаблон для копирования, а полноценную методологию, которая позволит вам самостоятельно и осознанно выполнить любую подобную работу, от составления технического задания до финального оформления чертежей.

Глава 1. Теоретические основы, которые станут вашим фундаментом

Прежде чем погружаться в проектирование, необходимо заложить прочный теоретический фундамент и договориться о терминах. Без этого невозможно принимать взвешенные инженерные решения.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — это комплекс оборудования и программного обеспечения, обеспечивающий передачу данных между компьютерами и другими устройствами в пределах одного или нескольких зданий. Ключевые задачи, которые решает ЛВС на предприятии, включают:

• Организацию совместного доступа к информации и ресурсам (например, принтерам, серверам, базам данных).
• Повышение эффективности рабочих процессов за счет автоматизации и быстрого обмена информацией.
• Обеспечение доступа к глобальной сети Интернет.

В основе любой сети лежит ее топология — логическая или физическая схема соединения устройств. В современных ЛВС чаще всего применяются две топологии или их комбинации:

1. «Звезда» (Star): Все устройства подключаются к центральному узлу (коммутатору). Это наиболее распространенная, надежная и простая в обслуживании топология. Выход из строя одного компьютера не влияет на работу остальных.
2. «Дерево» (Tree) или «Иерархическая звезда»: Представляет собой комбинацию нескольких «звезд», объединенных в иерархическую структуру. Идеально подходит для многоэтажных зданий и крупных предприятий, так как позволяет логически структурировать и масштабировать сеть.

Физической основой современной ЛВС является Структурированная кабельная система (СКС). Это универсальная телекоммуникационная инфраструктура здания, состоящая из набора медных и/или оптоволоконных кабелей, розеток, коннекторов и коммутационных панелей. Ее главное преимущество — стандартизация и универсальность, позволяющие передавать любые виды информационных сигналов, будь то данные ЛВС, телефонный разговор или видеосигнал.

Понимание модели OSI (Open Systems Interconnection) не является обязательным для запоминания всех семи уровней, но дает проектировщику ключевое преимущество — системное мышление. Она позволяет четко разделить задачу: СКС — это физический уровень (L1), коммутаторы работают на канальном (L2), а маршрутизаторы — на сетевом (L3).

Глава 2. Как составить техническое задание, которое утвердят с первого раза

Техническое задание (ТЗ) — это не формальность, а главный документ, с которого начинается любой реальный проект. В контексте курсовой работы грамотно составленное ТЗ демонстрирует ваше умение анализировать требования и переводить их на технический язык. Именно ТЗ определяет цели, задачи и границы вашего проекта, защищая от неопределенности и ошибок на последующих этапах.

Рассмотрим структуру ТЗ на нашем примере — проектировании ЛВС для административного комплекса рудника «Восточный».

Основные разделы Технического задания:

• 1. Общие сведения: Здесь указывается наименование объекта (Административный комплекс рудника «Восточный»), заказчик и исполнитель.
• 2. Назначение и цели создания системы: Основная цель — создание современной ЛВС для обеспечения эффективной работы сотрудников комплекса, предоставления доступа к корпоративным ресурсам и сети Интернет.
• 3. Характеристика объекта: Описывается само здание — количество этажей, общая площадь, количество и назначение помещений. Указывается предполагаемое количество рабочих мест, например, 150 автоматизированных рабочих мест (АРМ), и их распределение по отделам (бухгалтерия, инженерный отдел, отдел кадров, руководство).
• 4. Требования к системе: Это самый важный раздел. Здесь пожелания «чтобы все работало быстро» превращаются в конкретные цифры и параметры.
  • Требования к производительности: Пропускная способность на портах доступа к АРМ — не менее 1 Гбит/с. Пропускная способность магистральных каналов (между этажами и до серверной) — не менее 10 Гбит/с.
  • Требования к надежности: Обеспечение отказоустойчивости на уровне ядра сети.
  • Требования к безопасности: Логическая изоляция трафика различных подразделений. Контроль доступа к сетевым ресурсам. Защита периметра сети.
• 5. Состав и содержание работ по созданию системы: Перечисляются этапы: предпроектное обследование, разработка проектной документации, поставка оборудования, монтажные и пусконаладочные работы, тестирование.
• 6. Порядок контроля и приемки: Описываются критерии, по которым будет оцениваться выполненная работа.

Тщательно проработанное ТЗ — это 50% успеха вашей курсовой работы. Оно показывает экзаменационной комиссии, что вы подходите к задаче не как теоретик, а как будущий инженер.

Глава 3. Проектируем логическую структуру сети, или создаем «мозг» системы

Имея на руках утвержденное ТЗ, мы можем приступать к разработке логической структуры сети. Этот этап определяет, как будут организованы потоки данных, как устройства будут «видеть» друг друга и как будет управляться доступ.

Для нашего административного комплекса рудника «Восточный», представляющего собой многоэтажное здание с различными отделами, оптимальным выбором является топология «иерархическая звезда» (или «дерево»). Такой выбор обосновывается высокой надежностью, простотой в обслуживании и отличной масштабируемостью. Сеть будет иметь трехуровневую структуру:

1. Уровень доступа: Коммутаторы на каждом этаже, к которым непосредственно подключаются компьютеры пользователей, принтеры и другие конечные устройства.
2. Уровень распределения/агрегации: Более производительные коммутаторы, объединяющие трафик с коммутаторов уровня доступа.
3. Уровень ядра: Центральный высокопроизводительный коммутатор (или пара коммутаторов для отказоустойчивости), который является «сердцем» сети и связывает все ее части, а также обеспечивает выход в Интернет.

Следующий шаг — разработка плана IP-адресации. Это критически важная часть проекта, обеспечивающая управляемость и безопасность сети. Вместо того чтобы помещать все 150 компьютеров в одну большую сеть, мы сегментируем ее с помощью подсетей. Каждому отделу выделяется свой диапазон IP-адресов. Например:

• Бухгалтерия: подсеть 192.168.10.0/24
• Инженерный отдел: подсеть 192.168.20.0/24
• Руководство: подсеть 192.168.30.0/24
• Серверы: подсеть 192.168.1.0/24

Такое разделение не только упорядочивает адресное пространство, но и является первым шагом к повышению безопасности. Для логической изоляции трафика между этими подсетями, даже если они подключены к одному физическому коммутатору, используется технология VLAN (Virtual Local Area Network). Создав отдельные VLAN для бухгалтерии, инженеров и руководства, мы гарантируем, что трафик одного отдела не будет доступен другому. Это резко снижает риски несанкционированного доступа и распространения вредоносных программ.

Глава 4. Проектирование СКС по стандартам ГОСТ, где каждая деталь имеет значение

Логическая схема готова. Теперь пора «опустить» ее на реальный план здания и спроектировать физическую инфраструктуру — структурированную кабельную систему (СКС). Этот этап требует особой аккуратности, так как выполняется в строгом соответствии с государственными стандартами.

Ключевыми документами для нас будут:

• ГОСТ Р 53246-2008: Основной стандарт, определяющий правила проектирования СКС.
• ГОСТ 21.1101-2013: Стандарт из системы проектной документации для строительства (СПДС), который регламентирует оформление чертежей и текстовых документов.

Проектирование СКС на примере одного из этажей нашего административного здания включает следующие шаги:

1. Размещение рабочих мест и информационных розеток. На плане этажа отмечаются все рабочие столы. Возле каждого рабочего места предусматривается как минимум две информационные розетки (одна для компьютера, вторая — резервная или для IP-телефона).
2. Проектирование горизонтальной подсистемы. Это кабельные трассы, которые соединяют информационные розетки на этаже с коммутационным узлом этого же этажа. Кабели (обычно медная витая пара) прокладываются в коробах, лотках за подвесным потолком или в трубах. Важно: длина одного кабельного сегмента от розетки до коммутационного узла не должна превышать 90 метров.
3. Размещение этажного коммутационного узла. В специальном техническом помещении (кроссовой) на этаже размещается телекоммуникационный шкаф. В нем будут установлены патч-панели, на которые расшиваются кабели от розеток, и коммутаторы уровня доступа.
4. Проектирование вертикальной подсистемы (магистрали). Это высокоскоростные каналы (чаще всего оптоволоконные), которые соединяют этажные коммутационные узлы с центральной серверной комнатой, где находится ядро сети.
5. Проектирование серверной комнаты. Это мозг и сердце всей IT-инфраструктуры. Здесь размещается шкаф с ядром сети, маршрутизатором, серверами и другим центральным оборудованием. К этому помещению предъявляются особые требования по климат-контролю, электропитанию и физической безопасности.

Вся документация, включая планы расположения оборудования, схемы прокладки кабельных трасс и схемы коммутации в шкафах, должна быть оформлена с использованием рамок и штампов согласно ГОСТ 21.1101-2013. Это показывает высокий уровень вашей инженерной культуры.

Глава 5. Выбор активного оборудования. Подбираем коммутаторы и маршрутизаторы с умом

Физическая инфраструктура спроектирована. Время наполнить ее «жизнью» — выбрать активное сетевое оборудование. Этот выбор должен быть не случайным, а строго обоснованным на основе требований из ТЗ и спроектированной структуры сети.

Ключевые критерии выбора коммутаторов:

• Плотность портов: Количество портов на устройстве должно соответствовать числу подключаемых рабочих мест с учетом запаса на рост (обычно 20-30%).
• Пропускная способность: Скорость портов доступа (для подключения пользователей) должна быть не ниже 1 Гбит/с, а портов для соединения с ядром (uplink-порты) — не ниже 10 Гбит/с.
• Функциональность: Для нашей сети обязательна поддержка VLAN, так как мы заложили сегментацию в логическую структуру. Также желательны функции управления (управляемые коммутаторы) для мониторинга и настройки.
• Бюджет: В рамках курсовой работы можно сравнить оборудование разных ценовых категорий.

На примере нашего проекта, где на этаже, допустим, 38 рабочих мест (каждое требует 2 порта), нам нужен коммутатор доступа с как минимум 48 портами (38*2 = 76, значит нужно два 48-портовых коммутатора). Это будут управляемые коммутаторы L2 с гигабитными портами для пользователей и несколькими 10-гигабитными SFP+ портами для подключения к ядру сети.

Для ядра сети требуется высокопроизводительный коммутатор L3, который сможет осуществлять быструю маршрутизацию между нашими VLAN (отделами) и будет иметь достаточное количество 10-гигабитных портов для подключения коммутаторов со всех этажей.

В работе следует провести сравнительный анализ нескольких моделей от разных производителей (например, Cisco, D-Link, Mikrotik), сопоставив их технические характеристики и примерную стоимость. Финальный выбор должен быть четко аргументирован: «Для уровня доступа выбрана модель X, так как она обладает необходимой плотностью портов, поддерживает VLAN и имеет оптимальное соотношение цена/качество. Для ядра сети выбрана модель Y, поскольку ее производительность достаточна для маршрутизации трафика между всеми подсетями без задержек».

Для предварительной проверки и моделирования работы сети перед написанием финальной части работы очень полезно использовать симуляторы, такие как Cisco Packet Tracer. В нем можно собрать виртуальную копию вашей сети, настроить коммутаторы и маршрутизаторы, проверить IP-адресацию и настройки VLAN, убедившись, что логическая схема работает корректно.

Глава 6. Пассивное оборудование, или незаметные герои надежной сети

Активное оборудование — это «мозг», но стабильность его работы напрямую зависит от качества «нервной системы» — пассивных компонентов СКС. Их правильный подбор и спецификация — важная часть проекта.

Центральный элемент — это кабель «витая пара». Для современных сетей со скоростями 1 Гбит/с и выше стандартом де-факто является:

• Категория 5e: Минимально достаточный вариант для гигабитных скоростей на дистанциях до 100 метров.
• Категория 6: Обеспечивает лучшие характеристики и больший запас по производительности, рекомендуется для новых инсталляций. Поддерживает 10 Гбит/с на коротких дистанциях.
• Категория 6a: Гарантированно поддерживает скорость 10 Гбит/с на всей длине до 100 метров. Используется для самых требовательных подключений.

Для нашего проекта оптимальным выбором будет кабель Категории 6, так как он обеспечивает хороший задел на будущее без значительного удорожания по сравнению с 5e.

После выбора кабеля необходимо составить полную спецификацию пассивного оборудования. Она включает:

1. Телекоммуникационный шкаф: Его размер (измеряется в юнитах, U) должен быть достаточным для размещения всего активного и пассивного оборудования с запасом для охлаждения и будущего расширения.
2. Патч-панели: Устройства с портами, на которые с одной стороны расшивается кабель от розеток, а с другой подключается активное оборудование с помощью коротких патч-кордов.
3. Кабельные организаторы: Горизонтальные и вертикальные панели для аккуратной укладки патч-кордов, что критически важно для порядка в шкафу и простоты обслуживания.
4. Информационные розетки и коннекторы (RJ-45): Должны соответствовать категории выбранного кабеля.
5. Кабельные лотки и короба: Для организации трасс прокладки кабеля.

Завершающим шагом является расчет общей длины кабеля. Для этого измеряется расстояние от самой дальней розетки до шкафа на каждом этаже, добавляется технологический запас (на изгибы, спуски и разделку) и умножается на количество портов. Результатом этого раздела является полная спецификация, готовая для заказа оборудования.

Глава 7. Интеграция основ сетевой безопасности в ваш проект

Проектирование ЛВС без учета требований безопасности — это профессиональная ошибка. Безопасность не является отдельной опцией, которую можно «докрутить» потом; она должна закладываться на этапе проектирования.

Для нашего административного комплекса можно определить следующие основные угрозы: внешние атаки из Интернета, внутренние угрозы (несанкционированный доступ сотрудника одного отдела к данным другого) и распространение вредоносного ПО внутри сети.

В проект необходимо заложить следующие базовые механизмы защиты:

• Межсетевой экран (Firewall): Это устройство (или программный комплекс), которое устанавливается на границе сети (между вашей ЛВС и каналом провайдера Интернет). Его главная задача — фильтровать входящий и исходящий трафик, пропуская только разрешенные соединения и блокируя потенциально опасные. Это первая и самая важная линия обороны от внешних угроз.
• Списки контроля доступа (ACL — Access Control Lists): Это правила, которые настраиваются на коммутаторах и маршрутизаторах для разграничения доступа между отделами. Например, с помощью ACL можно запретить компьютерам из отдела кадров доступ к серверам инженерного отдела, даже несмотря на то, что физически они находятся в одной сети. Мы уже сделали первый шаг к этому, разделив сеть на VLAN; ACL являются следующим логическим шагом.
• Физическая безопасность: Не стоит забывать и о физической защите. Серверная комната и коммутационные шкафы должны быть заперты. Доступ к ним должен иметь только уполномоченный персонал. Это предотвращает случайное или намеренное отключение оборудования.

В курсовой работе важно показать, что вы понимаете комплексный характер безопасности. Достаточно описать эти базовые меры и указать на схеме сети место установки межсетевого экрана, чтобы продемонстрировать зрелый инженерный подход.

Глава 8. Оформление пояснительной записки и графической части по ГОСТ

Проект технически завершен и защищен. Финальный рывок — правильно собрать и оформить всю проделанную работу в виде готовой курсовой. Качество оформления не менее важно, чем техническое содержание, так как оно демонстрирует вашу аккуратность и знание стандартов.

Стандартная структура пояснительной записки (ее объем обычно составляет 30-60 страниц) выглядит так:

1. Титульный лист: Оформляется по шаблону вашего учебного заведения.
2. Задание на курсовую работу.
3. Содержание: Автоматически генерируемый список глав и разделов с указанием страниц.
4. Введение: Описывается актуальность темы, ставятся цели и задачи работы.
5. Основная часть: Включает все наши разработанные главы.
   • Теоретическая глава (основы ЛВС, СКС, топологии).
   • Практическая или расчетно-проектная глава (анализ объекта, ТЗ, выбор топологии, разработка IP-плана, проектирование СКС, выбор оборудования, раздел по безопасности).
6. Заключение: Подводятся итоги, формулируются выводы о проделанной работе и достижении поставленных целей.
7. Список использованных источников: Перечисляются все книги, статьи и стандарты (ГОСТы), на которые вы ссылались.
8. Приложения: Сюда выносится графическая часть проекта.

Графическая часть — это лицо вашего проекта. Она должна быть выполнена в любой CAD-системе (или даже в Visio, если это разрешено) и оформлена в соответствии с ГОСТ 21.1101-2013, что подразумевает использование стандартных рамок и штампов.

Обязательный состав графической части:

• Структурная схема ЛВС: Общая логическая схема сети, показывающая уровни (ядро, доступ), основные коммутаторы, серверы и связи между ними.
• План расположения оборудования и кабельных трасс: Чертеж этажа здания с нанесенными на него рабочими местами, розетками, лотками и расположением коммутационного узла.
• Схема коммутации в телекоммуникационном шкафу: Показывает, как оборудование (патч-панели, организаторы, коммутаторы) размещается в шкафу и соединяется между собой.

Заключение и дальнейшие шаги

В этой статье мы прошли полный путь проектирования локальной вычислительной сети — от анализа требований и формирования технического задания до создания полностью документированного и защищенного проекта на примере административного комплекса рудника «Восточный». Мы заложили теоретический фундамент, разработали логическую и физическую структуру, подобрали активное и пассивное оборудование, интегрировали базовые меры безопасности и, наконец, собрали все материалы в пояснительную записку, оформленную по стандартам.

Главный вывод по нашему проекту: предложенная трехуровневая архитектура на базе топологии «иерархическая звезда» с сегментацией на VLAN полностью удовлетворяет требованиям ТЗ по производительности, надежности и безопасности, а также обладает запасом для дальнейшего масштабирования.

Советы по подготовке к защите:

• Будьте готовы ответить на вопрос «Почему вы выбрали именно это решение?». У вас должно быть готово обоснование для каждого шага: выбора топологии, категории кабеля, конкретной модели коммутатора.
• Хорошо ориентируйтесь в своих чертежах. Покажите на плане, где находится серверная и как проложен магистральный кабель.
• Подумайте о возможных направлениях развития проекта. Например, в будущем спроектированную ЛВС можно легко интегрировать с IP-телефонией или системой видеонаблюдения, так как универсальная инфраструктура СКС это позволяет.

Надеемся, это руководство послужит вам надежной картой в мире сетевого проектирования и поможет не только успешно сдать курсовую работу, но и приобрести реальные практические навыки.

Список использованной литературы

1. Андерсон К. Локальные сети. Полное руководство [Текст] / К. Андерсон, Минаси М — СПб.: КОРОНА принт, 1999. — 624 с.
2. Олифер В.Г. , Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Издание 4-ое. Издательство: «Питер». Год: 2010.