Das Modul Betrieb, Wartung und Installation hat es in sich. Solange ich als Verwalter unserer Serverdienste agiere, kann ich es ja mal von Ferne in Betracht ziehen. Bin ich jedoch in den technischen Dienst involviert, so geht die ganze Sache nicht mehr so einfach an mir vorbei.
Ich möchte an dieser Stelle unseren "Führern" im Labyrinth der Netzwerktechnologie Urs Sonderegger und Andreas Thurnheer einen herzlichen Dank aussprechen. Sie haben mit grosser Flexibilität und mit viel "Goodwill" eine bunte Schar von "Verwaltern", "Verwaltern und bescheidenen Technikern" an ein ansehnliches Ziel geführt. Da ich an unserer Schule auch für bescheidene technische Bereiche verantwortlich bin, möchte ich mir dieses Modul nochmals gut durch den Kopf gehen lassen. Ich werde also den Blog nicht heute "abfertigen", sondern werde das Gehörte, Gesehene und "Begriffene" nochmals Punkt für Punkt durchgehen, festhalten und mich zu neuen Fragen inspirieren lassen.
1. Teil:
Als erstes erarbeite ich eine "egozentrische" Zusammenfassung zum Thema Netzwerktechnologie. Anschliessend gehe ich nochmals auf die gemachten Netzwerkaufgaben ein. Schliessen möchte ich mit Betrachtungen zum vorgeschlagenen "Schulhausnetz".
1. Zusammenfassung Netzwerktechnologie:
Warum betreiben wir überhaupt ein Netz? Die "Motivation" liegt auf der Hand:
- Datenverbund: Über das Netz haben wir Zugriff auf geographisch verteilte, innerbetriebliche und externe Daten
- Funktionsverbund/Leistungsverbund: Wir betreiben eine Client-Server-Architektur. Das heisst, es findet eine Kooperation zwischen den PC's und leistungsfähigeren Servern (Fileserver als Datenspeicher, Exchangeserver für Mailverkehr, etc.) statt.^
- Verfügbarkeitsverbund: Rechnerleistung ist auch im Falle von Rechnerausfällen gesichert.
- Kommunikationsverbund: - Es können Informationen ausgetauscht werden (Email, etc.)
- - Audio- und Videokonferenzen sind möglich.
- Gemeinsames Erarbeiten von Dokumenten ist möglich.
Wie sehen die Entwicklungstendenzen aus
Die folgende Abbildung zeigt, dass die Aera des Informationszeitalters angebrochen ist.
Man spricht von Ubiquität (Allgegenwärtigkeit) von Informationen. Dabei trägt jeder seinen Zugang zu den IT-Diensten auf sich herum.
Der Zugang zu den Netzen ist entscheidend. Es gibt grundsätzlich öffentliche und auch private Netzbetreiber. Die öffentlichen Netzwerkbetreiber werden immer wichtiger. Sie verkaufen ihre Übertragungsdienste sowie zusätzliche Netzleistungen wie Übertragungsleistungen, höhere Sicherheitsstufen und zusätzliche Informationsservices. Private Betreiber betreiben ihre eigenen lokalen Netze.
Wenn wir die Netzwerkausdehnung genauer anschauen, können wir
- WAN (wide area network) mit einer Ausdehnung bis zu mehreren 10'000 km und einer Leistungen von mehreren GBit/s
- MAN (metropolitan area network) mit einer Ausdehnung in Stadtgrösse
- PAN (personal area network) Ausdehung bis wenige Zentimeter bis Meter (Bluetooth etc.) und
- LAN (local area network) Ausdehung bis zu einigen Kilometern (Gebäude oder Betriebsgelände
unterscheiden.
Haupteigenschaften eines LAN's
Es befindet sich rechtlich unter der Kontrolle des Benutzers und ist auf den Bereich innerhalb der Grundstückgrenzen beschränkt
- Hohe Geschwindigkeit (10 -10000 MBit/s
- Physikalische Übertragungsmedien (Kabel, Funk)
- Netzsteuerungs- und Vermittlungseinrichtungen (Router, Switches, ...
- Protokoll- und Andwendungssoftware (z.B. Transportprotokoll, Mail-Software etc.
Verschiedene Subnetze können mit Router oder Switches miteinander verbunden sein.
Topologien:
Bus:
Bei einer Bus-Topologie (Linien- oder Strangtopologie) sind alle Geräte direkt mit demselben Übertragungsmedium, dem Bus verbunden. Es gibt keine aktiven Komponenten zwischen den Geräten und dem Medium. Das Übertragungsmedium ist dabei bei Systemen mit einer kleineren physikalischen Ausdehnung oft direkt auf einer Leiterplatte realisiert, und sonst als Kabel oder Kabelbündel. Ein Beispiel für ein Netzwerk mit Bus-Topologie ist 10 Mbit/s Ethernet. In der Variante Thin Ethernet gibt es ein einziges Kabel, welches in Segmente unterteilt ist. Der Anschluss zwischen den Geräten (also Netzkarten) und den Segmenten des Kabels erfolgt über T-Stücke. Abschlusswiderstände an den Enden des Kabels dienen der Verhinderung von Reflexionen.
Bei der Bus-Topologie muss sichergestellt werden, dass immer nur ein Gerät zum selben Zeitpunkt Signale auf das Übertragungsmedium treibt. Dies kann durch eine zentrale Einheit, den sogenannten Bus-Arbiter geregelt werden. Bevor ein Gerät treiben darf, muss es über eine separate Leitung eine entsprechende Anfrage an den Bus-Arbiter stellen. Auch Zeitscheiben-Verfahren können eingesetzt werden. Eine zentrale Regelung ist aber gerade bei dynamischen Netzwerken wie Computernetzwerken oft unpraktikabel. Daher werden bei diesen Netzwerken gleichzeitige Zugriffe erkannt und die entstehenden Probleme aufgelöst. Ein oft benutztes Verfahren ist beispielsweise CMSA/CD.
Sterntopologie:
Bei Netzen in Stern-Topologie sind an einen zentralen Teilnehmer alle anderen Teilnehmer mit einer Zweipunktverbindung angeschlossen. Der zentrale Teilnehmer muss nicht notwendigerweise über eine besondere Steuerungsintelligenz verfügen. In Transportnetzen ist das generell nicht der Fall. In Computernetzen kann es eine spezialisierte Einrichtung sein, zum Beispiel ein Hub oder Switch. Auch eine Nebenstellenanlage ist gewöhnlich als Sternnetz aufgebaut: Die Vermittlungsanlage ist der zentrale Knoten, an den die Teilnehmerapparate sternförmig angeschlossen sind. In jedem Fall bewirkt eine zentrale Komponente in einem Netz eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit für die einzelnen Verbindungen: ein Ausfall des zentralen Teilnehmers bewirkt unweigerlich den Ausfall aller Verbindungsmöglichkeiten zur gleichen Zeit. Eine geläufige Schutzmaßnahme bei Sternnetzen besteht darin, die zentrale Komponente zu doppeln (Redundanz).
Ringtopologie:
Bei der Vernetzung in Ring-Topologie werden jeweils 2 Teilnehmer über Zweipunktverbindungen miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Die zu übertragende Information wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergeleitet, bis sie ihren Bestimmungsort erreicht. Um Überschneidungen zu verhindern, sind bei dieser Art der Vernetzung besondere Adressierungsverfahren nötig. Da jeder Teilnehmer gleichzeitig als Repeater wirken kann (wenn keine Splitter eingesetzt werden) können auf diese Art große Entfernungen überbrückt werden (bei Verwendung von Lichtwellenleitern (LWL) im Kilometerbereich).
In unserem Netz haben wir praktisch keine Busverbindungen mehr. Auf dem Schulgelände sind wir durch mehrfache Sterntopologie verbunden und unterhalb der Standort Kriessern, Montlingen, Eichenwies, Oberriet haben wir einen Glasfaserring.
Protokolle und Protokollebenen
Um Sicherzustellen, dass auch überall alle verlangten Daten ankommen, sind verschiedene Protokolle mit ihren Protokollebenen zuständig. Es werden über die Protokolle
- der Ablauf der Kommunikation geregelt
- Fehlersituationen behoben
- der Aufbau der Datenpakete geregelt.
Um eine hohe Zuverlässigkeit der Übertragung zu erreichen, wurde TCP/IP als ein sogenanntes paketvermitteltes Netz (packet-switched network) gestaltet. Dabei werden zwei Partner während der Kommunikation nur virtuell miteinander verbunden. Die zu übertragenden Daten werden vom Absender in Stücker variabler oder fester Länge zerlegt und über die virtuelle Verbindung übertragen; vom Empfänger werden diese Stücke nach dem Eintreffen wieder zusammengesetzt. Im Gegensatz dazu werden bei der Leitungsvermittlung (circuit switching) für die Dauer der Datenübertragung die Kommunikationspartner fest miteinander verbunden.
Die Grundlage für das TCP/IP ist das Schichtenmodell für die Datenkommunikation, das OSI-Referenzmodell (Open System Interconnection). Es beschreibt die Grundfunktionen von Netzwerkprotokollen und deren Arbeitsweise. Es besteht aus 7 Schichten.
Anwendungsschicht (Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Sitzungsschicht (Session Layer)
Transportschicht (Transport Layer)
Netzwerkschicht (Network Layer)
Verbindungsschicht (Data Link Layer)
Physikalische Schicht (Physical Layer)
TCP/IP wurde viel früher entwickelt als das OSI-Referenzmodell (1983). Aus diesem Grund passen die Internets
chichten nicht ganz in das OSI-Modell. Generell gibt es im Aufbau einige Gemeinsamkeiten, aber auch viele Unterschiede. So wird die TCP/IP-Netzwerkschicht (Network-Layer) im OSI-Modell zu einer Bitübertragungs- und Sicherungsschicht. Zwischen Transport- und Anwendungsschicht sind noch die beiden Schichten Kommunikation und Darstellung angesiedelt, die in der TCP/IP-Protokollfamilie in der Regel in den Protokollen der Anwendungsschichten integriert sind. Beim direkten Vergleich des OSI-Schichtmodells mit dem TCP/IP-Modell fällt auf, dass bei TCP/IP lediglich vier verschiedene Schichten im Gegensatz zu den 7 Schichten im OSI-Modell existieren. Somit gestaltet sich der generelle Aufbau bzw. die Zusammensetzung der TCP/IP-Architekur grundsätzlich wie folgt:Netzwerkschicht
Internetschicht
Transportschicht
Anwendungsschicht (FTP, Telnet, SMTP)
Im Gegensatz zum OSI-Referenmodell werden bei TCP/IP-Referenmodell die Schichten 5 bis 7 des OSI-Modells in einer einzigen Schicht, der Anwendungsschicht, zusammengefasst. In Schicht 4 befindet sich ausser TCP, das für den gesicherten Datentransport sorgt, auch das UDP-Protokoll (User Datagram Protocol), in dem verbindungsloser und ungesicherter Transport festgelegt ist. In Schicht 3 ist das verbindungslose Internet-Protokoll (IP) angesiedelt. Generell werden Datenpakete auf den Weg geschickt, ohne dass auf eine Empfangsbestätigung gewartet werden muss. IP-Pakete dürfen unter bestimmten Bedingungen sogar vernichtet werden.
In dem Zusammenhang ist zu beachten, dass in der Schicht 3 auch die IP-Adressen festgelegt werden, und hier findet die Wegewahl der Datenpakete von einem Netz in ein anderes Netz (Routing) statt. Ebenfalls in dieser Ebene (Schicht 3) integriert sind die sogenannten ARP-Protokolle (ARP - Address Resolution Protocol), die zur Auflösung einer logischen IP-Adresse in physikalische Adresse (Knotenadresse) dienen und dazu so genannte Broadcasts (Datenpakete, durch die alle angeschlossenen Stationen angesprochen werden) verwenden. ICMP (Internet Control Message Protocol) ist ein Protokoll, das ebenfalls auf der Schicht 3 den Austausch von Kontroll- und Fehlerpaketen im Netz ermöglicht.
Das Prinzip der Schichten im TCP/IP-Referenmodell basiert darauf, dass eine Schicht die angebotenen Dienste der darunter liegenden Schicht in Anspruch nehmen kann. Dabei braucht die Schicht, die die Dienstleistung in Anspruch nimmt, keinerlei Kenntniss darüber zu haben, wie die geforderten Dienste erbracht werden. Auf diese Art und Weise wird eine Arbeitsteilung der Schichten erreicht. Daten, die von einem Programm über ein Netzwerk versendet werden, durchlaufen den TCP/IP-Protokollstapel von der Anwendungs- bis zur Netzwerkschicht. Von jeder Schicht werden dabei Kontrollinformationen in Form eines Protokollkopfes angefügt. Diese Kontrollinformationen dienen der korrekten Zustellung der Daten.
Einige wichtige Protokolle und Dienste
Internet Protocol:
IP ist ein unzuverlässiges Protokoll, da es lediglich für jedes Datagram den Weg zum Ziel bestimmt und es absendet. Es wird jedoch keine Überprüfung des Empfangs vorgenommen, so dass Datagrame durchaus verloren gehen können. Die Aufgabe der Transportüberwachung wird in der Transportschicht von TCP übernommen. Wird hingegen in der Transportschicht UDP verwendet, ist die Empfangsbestätigung vom Anwendungsprotokoll zu leisten. Eines der wesentlichen Merkmale des IP-Protokolls ist , dass jeder Netzwerkknoten (Endgerät im Netzwerk) direkt angesprochen werden kann. Und genau zu diesem Zweck verfügt jedes Endgerät (Knoten) über eine spezifische Adresse, die so genannte Internet-Protokoll-Adresse, oder kürzer: IP-Adresse. Die IP-Adresse setzt sich aus der Adresse des Netzwerks und der des betreffenden Netzwerkknotens zusammen. Dadurch soll sichergestellt werden, dass keine zwei Netzwerkknoten auf der Welt (im Internet) dieselbe Adresse besitzen.
Dienste: Adressfunktion; Routing zwischen Netzwerken; Fragmentierung und Reassemblierung von Paketen; Vorrangsteuerung; Paketübermittlungsdienst
Transmission Control Protocol:
Es sorgt für die verlässliche Kommunikation zwischen den einzelnen Übertragungsprozessen. Dabei wird garantiert, dass die Daten fehlerfrei, ohne Verlust oder Duplizierung in der ursprünglichen Reihenfolge transport werden. Da das IP-Protokoll selber unzuverlässig arbeitet, kommt TCP zum Einsatz, um die Sicherheit der Übertragung zu gewährleisten.
User Datagram Protocol:
Im Gegensatz zu TCP ist UDP ein unzuverlässiges Protokoll. UDP wird vorwiegend für Abfragen und Anwendungen in Client/Server-Umgebungen verwendet, in denen es in erster Linie nicht um eine sehr genaue, sondern um schnelle Datenübermittlung geht (z.B. Übertragung von Sprache oder Bildsignalen). So setzen viele Anwendungen, bei denen nur geringe Datenmengen übertragen werden, auf UDP als Transportprotokoll auf, da der Aufwand zur Herstellung einer Verbindung und einer zuverlässigen Datenübermittlung unter Umständen grösser ist als die wiederholte Übertragung der Daten.
Adress Resolution Protocol (ARP):
Als Protokoll der Transportschicht ermittelt ARP zu einer vorgegebenen IP-Adresse die zugehörige Knotenadresse (physikalische Adresse des Endgerätes).
Reverse Adress Resolution Protocol (RARP:
Es ist das Gegenstück zu ARP. Es wandelt physikalische Adresen (Knotenadressen) in Internetadressen um. Um sich die Adresse von einem Server mitteilen zu lassen, muss die betreffende Station an einen RARP-Server ein RARP-Request (Broadcast) mit seiner physikalischen Adresse senden. Grundsätzlich können alle Endgeräte die RARP-Pakete erhalten, aber nur Systeme mit einem speziellen RARP-Server können diese weiterverarbeiten. Ein RARP-Server besitzt eine Tabelle mit Paaren aus physikalischer und Internetadressen. Enthält die Tabelle die empfangene physikalische Adresse, wird die Internetadresse an die Quelle des Broadcasts zurückgesendet (RARP-Replay).
Domain Name System (DNS):
DNS dient als fester Bestandteil der TCP/IP-Produktefamilie dazu, symbolische Namen von Endgeräten in die zugehörige IP-Adresse umzuwandeln. DNS ist ein hierarchisch aufgebautes System, das auf Domänen basiert und ein verteiltes Datenbanksystem zur Namensauflösung zur Verfügung stellt.
Telnet:
TELNET (Terminal Emulation over Network) ist ein Zugriffsprotokoll der Anwendungsschicht, mit dem ein lokales Terminal in die Lage versetzt wird, wie ein Terminal an einem entfernten Rechner eingesetzt zu werden. So kann ein Rechner mit TELNET in ein Terminal verwandelt werden. (Verwaltung von aktiven Netzwerkkomponenten wie Switch, Router, usw.)
File Transfer Protokol
Man benutzt FTP, um Dateien über ein Netzwerk von einem Endgerät zu einem anderen zu transportieren. Durch den Einsatz von FTP lassen sich beispielsweise Dateien externer Rechner übertragen, löschen, ändern oder umbenennen.
Simple Mail Transfer Protocol
SMTP kommt bei TCP/IP für die Übermittlung elektronischer Post (E-Mail) zum Einsatz. SMTP ist auf der Anwendungsschicht des TCP/IP-Referenzmodells angesiedelt.
Post Office Protocol 3
Durch Einsatz von POP3 kann ein einfaches Mailsystem zur Abholung von E-Mails generiert werden. Mit POP3 besteht auf der Anwendungsschicht die Möglichkeit, sich bei einem Mail-Server zu authentifizieren, um damit dann die auf dem Server gespeicherten E-Mails herunterzuladen. Sobald die Übertragung beendet ist, werden die E-Mails auf dem Server gelöscht.
NFS
Mit dem Network File System lassen sich in einem IP-Netzwerk mehrere Rechner auf tranparente Weise miteinander verbinden. Der NFS-Dienst stellt eine virtuelle Verbindung von Laufwerken und Festplatten her, so dass sich für den Anwender entfernte Dateisysteme als Erweiterung des eigenen lokalen Dateisystems darstellen.
Dynamic Host Configuration Protocol
Sehr oft entstehen in IP-basierten Netzwerken bei der Adressierung der einzelnen Endgeräte die meisten Schwierigkeiten beim Hinzufügen, Löschen oder Ändern von Endgeräten. Um das Problem der Rekonfiguration zu minimieren, wurde (für die Anwendungsschicht) das Protokoll DHCP entworfen. Das Besondere an DHCP ist, dass es einem Endgerät dynamisch eine IP-Adresse zuordnet; es braucht somit keine feste Zuordnung einer IP-Adresse zu erfolgen.
Hauptaufgabe von DHCP ist es, einem Endgerät in einem IP-Netzwerk eine IP-Adresse zuzuordnen.
Hypertext Transfer Protocol
HTTP ist in Zeiten des Internets ein sehr wichtiges Protokoll. HTTP dient im Internet bzw. genauer im WWW für den Transport der einzelnen Webseiten, die wiederum mit HTML (Hypertext Markup Language) erstellt wurden. HTTP transportiert als Protokoll der TCP/IP-Anwendungsschicht die Seiten zwischen einem Web-Server und einem Web-Client.
Lightweight Directory Access Protocol
Speziell im Zusammenhang mit dem Einsatz von Verzeichnisdiensten wird heutzutage sehr oft das LDAP als Lösungsmöglichkeit gesehen.
Ein Verzeichnisdienst ist eine (verteilte) Ansammlung von Daten über bestimmte Objekte. Bei den Objekten handelt es sich in der Regel um Benutzer oder Netzwerkressourcen. Die bekanntesten Verzeichnisdienste im Netzwerkbereich sind NDS eDirectory von Novell und Microsoft Active Directory Services (ADS).
Mit LDAP als einem Protokoll der TCP/IP-Anwendungsschichten deutet sich eine Perspektive an, die herstellerspezifischen Verzeichniswelten zu öffnen. So lassen sich mit LDAP Informationen aus anderen Verzeichnissystemen auslesen, um darüber Benutzer und Ressourcen in die Prozesse der eigenen Betriebssystem-Welt einzubinden (z.B. in E-Mails, etc.).
Weitere Protokole: Internet Message Access Protocol4, Network News Transfer Protocol.
Ports
Bei jeder Verbindung sorgt das TCP, als verbindungsorientiertes Protokoll, dafür, das die Daten korrekt und in richtiger Reihenfolge den Empfänger erreichen. Dabei erreicht TCP die Zuverlässigkeit dadurch, dass die Daten so lange gesendet werden, bis die Gegenstellen den korrekten Empfang quittiert.
Vor der Übertragung der eigentlichen Nutzdaten werden zwischen dem Sender und dem Empfänger zunächst Kontrollinformationen ausgetauscht, um überhaupt eine Verbindung aufbauen zu können. Im Vergleich mit dem Telefon wird also zunächst eine Telefonnummer angewählt. Sobald die Verbindung aufgebaut ist, können die Daten übertragen werden. Um bei einer solchen Verbindung die richtige Reihenfolge der Daten zu garantieren, werden in jedem Segment bestimmte Sequenznummern mitgeschickt, um so auch bei Übertragungswiederholungen (im Fehlerfall) die richtige Reihenfolge der Segmente wiederhestellen zu können. TCP muss darüber hinaus ebenfalls dafür sorgen, dass die vom IP empfangenen Daten zu der richtigen Anwendung gelangen. Aus dem Grund wird jeder Anwendung eine 16-Bit lange Portnummer zugewiesen. Ein Port bezeichnet in diesem Zusammenhang die Verbindung zwischen dem jeweiligen Prozess und TCP/IP. Damit ein Endgerät mehrer Verbindungen gleichzeitig bearbeiten kann (Multiplexing), müssen diese natürlich unterschieden werden, wozu sich TCP ebenfalls der Ports bedient.
Durch den Einsatz von Ports kann ein Endgerät (Host) in einem IP-Netzwerk mehrere Datenströme gleichzeitig zu einem anderen Endgerät senden. Auf der Empfängerseite findet anhand der Portnummern eine Zuordnung der Daten zu den verschiedenen Anwendungen statt.
Die Port-Zuordnung ermöglicht eine sichere Zuordnung von Daten zu Anwendungen. Gleichzeitig ermöglicht dieses Prinzip den Einsatz unterschiedlicher, paralleler Verbindungen (Multiplexing). Denn damit ein Endgerät (z.B. Rechner) gleichzeitig mehrere Verbindungen bearbeiten kann, müssen diese unterschieden werden, was bei TCP/IP anhand der Ports erfolgt.
Häufige Portnummern:
21 File Transfer Protocol
23 Telnet
25 Simple Mail Transfer
37 Time
43 WHOIS
53 DNS
79 Finger
80 World Wide Web HTTP
110 POP3
117 UUCP Path Service
....
Eine Gesamtaufstellung der aktuell vergebenen Portnummern kann unter http://www.iana.org/assignements/port-numbers
abgerufen werden.
Fortsetzung folgt
