1. Anwendungsprogramme im Netzwerk

1. Anwendungsprogramme im Netzwerk
1.1
Local Area Network (LAN)
Rechner, die mittels Kabel oder Funk verbunden sind
und nach außen als Einheit erscheinen, bilden ein
LAN.
Peer to Peer:
Auf unserem Rechner finden wir das Icon
„Netzwerkumgebung“. Mit einem Doppelklick
auf dieses Icon werden uns die angeschlossenen Rechner und Arbeitsgruppen angezeigt.
Lasse dir die Rechner (und Arbeitsgruppen)
anzeigen, die mit deinem Rechner verbunden
sind.
Rechner werden hier nur angezeigt, wenn der Besitzer die
Datei- bzw. Druckerfreigabe erteilt hat. Klicke hierzu mit
der rechten Maustaste auf das Icon „Netzwerkumgebung“
und wähle die Option „Eigenschaften“.
Wenn die Freigabe erteilt ist, können Laufwerke oder Ordner freigegeben werden. Wir erkennen die Freigabe an der
„Hand am Icon“. Für die Freigabe klickst du mit der rechten
Maustaste auf das gewünschte Objekt und wählst im nun
erscheinenden Menü die Option „Freigabe“.
Im Peer to Peer – Netz ist der Besitzer des Computers für die Sicherheit seines Rechners
selbst verantwortlich.
Mittels Peer to Peer –Netz sind viele kleine Heimnetzwerke miteinander verbunden. Durch
Aktivierung der „Internetverbindungsfreigabe“ können sogar mehrere Rechner über eine
Telefonverbindung im Internet surfen.
1.2
Surfen mit Hilfe eines Servers
Das Prinzip des Datenaustauschs zwischen 2 Rechnern in Form von Kommandos und
Dateien.
1. Starte den Web-Browser an deinem Rechner
2. Tippe folgenden Text in die Adresszeile des Browers:
http://susi/
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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Was passiert?
Das Kommando http://susi/ fordert vom Rechner susi die
Datei index.html an. Daraufhin sendet susi diese Datei an
den anfordernden Rechner. (Auf dem Rechner „Susi“ ist ein
Apache Web-Server installiert.)
Diese Datei wird im Cache deines Rechners gespeichert und bleibt daher auch ohne Online-Verbindung im Browser aufrufbar.
1.3
Rechnername, Client, Server
Aufgabe:
1. Finde heraus, welchen Namen andere PCs im Raum haben.
2. Ersetzte in der Adresszeile deines Browsers den Namen susi durch einen anderen
Rechnernamen im Raum.
Name des Rechners:
Wie bereits weiter oben beschrieben wird der Rechnername des eigenen PCs sowie der
im Netz verbundenen Rechner in der Netzwerkumgebung angezeigt.
Adresszeile des Browsers ändern:
Das Kommando der Dateianforderung wird von anderen Rechnern im LAN nicht befolgt,
weil auf ihnen kein Programm (HTTP-Server) läuft, das auf eine Datei-Anforderung von
anderen Rechnern „lauscht“.
Der Browser heißt „HTTP-Client“
Client
Server
Sende mir die Homepage von
Client
in-
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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Ergebnis:
In einem Netzwerk können viele verschiedene Computer mit verschiedenen Betriebssystemen miteinander verbunden sein. Ein Computer, der das Netzwerk steuert und Programme und Daten (auch Websites) beherbergt, die die anderen Computer im Netz brauchen wird „Host“ genannt. (Host = Gastgeber)
Programme, die Daten im Netzwerk anfordern, nennt man „Client“. (client = Kunde)
Programme, die auf Anforderungen warten, nennt man „Server“. Häufig wird auch der
Computer, auf dem das Serverprogramm läuft, als Server bezeichnet und der Rechner,
der Daten anfordert, als Client.
In unseren Übungen nennen wir den Server „susi“. Alle anderen PCs sind Clients. Auf „susi“ läuft u. a. ein Web-Server, auf den anderen Rechnern läuft u. a. ein Web-Client. (Browser)
2.
Netzwerkdienste
2.1
Dienste und Protokolle
Außer Web-Servern gibt es eine Reihe weiterer Programme auf Servern,
die den Clients andere „Dienste“ zur
Verfügung stellen. Dienste sind demnach Server-Computerprogramme,
die ununterbrochen auf Anfragen aus
dem Netzwerk „lauschen“
Es gibt eine Menge wichtiger Dienste
im Netzwerk, z. B.:
HTTP
FTP
Mail
Telnet
...
Netzwerke
sendet HTML-Dateien, die vom Web-Browser des Clients direkt auf dem Bildschirm angezeigt werden.
stellt die Verzeichnisstruktur des Server-Hosts dar und ermöglicht das Kopieren von Dateien von Server-Host zu Client-Host und umgekehrt.
ermöglicht der auf dem Client-Host angemeldeten Personen, das Versenden
und Empfangen vom Textmitteilungen und Dateien.
ermöglicht es einer Person, die auf dem Server-Host bekannt ist, Programme
und Befehle auf einen Server-Host auszuführen.
...
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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Damit Server und Client sich verstehen können, gibt es präzise Spezifikationen, welche
Funktionalität die Server- und Client-Computerprogramme erfüllen müssen und wie der
Datenaustausch zwischen den Computern abläuft. Man nennt diese Spezifikationen „Protokoll“.
Zum Beispiel sieht das FTP-Protokoll vor, dass es ein Kommando GET (Holen einer Datei vom Server) und ein Kommando PUT (Übertragen einer Datei zum Server) geben
muss. Im FTP-Protokoll ist auch ein Kommando DIR vorgesehen, das es beispielsweise
im HTTP-Protokoll nicht gibt. Protokolle sind immer die Basis der geordneten Datenübertragung von Host zu Host.
2.2
E-Mail
Damit der Mail-Dienst funktioniert, werden Dienste benötigt. Das Verschicken der Nachricht besorgt ein sogenannter SMTP-Server. Das Aufbewahren der Nachrichten in besonderen Dateien und das Versenden der Nachrichten an den Mail-Client wird vom
sogenannten POP-Server (oder
IMAP-Server) abgewickelt.
Da Mail personenbezogen ist,
müssen der SMTP-Server und
der POP-Server die Personen
kennen, d. h., die Personen
müssen auf den Servern als
Benutzer eingetragen sein.
Im rechten Bild ist ein Muster für
die Einstellungen in Outlook zu
sehen. (Client)
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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2.3
Telnet-Dienst
Übung:
Starte das Programm „putty.exe“
172.16.200.10
Gib die IP (wie im Bild oben) ein
Gib folgendes ein:
172.16..200.10
login
test1
password
test1
Anmeldung am Server als
User “test1“
Tippe das Kommando:
su root
als Passwort: 1234
Anmeldung als SuperUser
„root“ am Server
Gib folgenden Befehl ein:
halt
Linux-Befehl
Was passiert?
Telnet erlaubt kommandozeilenorientiertes Arbeiten am Server-Host. Dazu muss der Anwender am Server-Host entsprechende Benutzerrechte haben. In unserem Beispiel arbeitet ein Benutzer als (root) und fährt den Server-Host herunter.
3.
Adressierung
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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3.1
Der Begriff „Port“
Ein Dienst erkennt an der Portnummer, ob die
aus dem netzwerk kommenden Daten für ihn
„bestimmt“ sind. Mit anderen Worten, Dienste
werden von Client-Hosts über sogenannte
„Portnummern“ angesprochen. Im Bild rechts
siehst du die Einstellungen von Outlook, die
Ports POP3 und SMTP betreffend.
Netzwerke
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Das Betriebssystem des Servers verwaltet eine Datei, in der die Portnummern mit den
dazugehörigen Diensten und Protokollen aufgeführt sind. Bei Rechnern mit UnixBetriebssystem heißt diese Datei „/etc/services“.
Starte hierzu das Programm „putty“ noch mal, melde dich als „test1“ an, dann als Superuser (su) und wechsle mit dem Befehl „cd“ ins Verzeichnis „etc“. Öffne dann mit dem Texteditor „joe“ die Datei „services“ (joe services).
Die erste Spalte enthält den Namen des Protokolls, das der Dienst zur Kommunikation mit
dem korrespondierenden Client-Computerprogramms verwendet. Die zweite Spalte enthält die Portnummer, auf die der Dienst „lauscht“. Nach dem Schrägstrich ist der Name
des Protokolls aufgeführt, das zur Datenübertragung verwendet wird. Alle Dienste, die bisher vorgestellt wurden, verwenden zur Datenübertragung TCP.
Die Zeichenkette hostname:portnummer, also hier z. B.: „susi:20“ nennt man Socket.
Bei der Eingabe von „http://susi“ in den Navigationsbalken des Browsers, wurde das vorangestellte „http“ als Bezeichnung des Protokolls vom Browser in die entsprechende Portnummer (80) übersetzt. Für den Anwender ist diese Übersetzung unsichtbar.
3.2
Datenpakete – die Struktur von TCP
Im Netzwerk sollen alle Clients möglichst gleichzeitig bedient werden. Daher werden die
Daten in kurzen Paketen und nicht an einem Stück zwischen den Hosts transportiert. Man
spricht von Datenpaketen. Jedes Datenpaket enthält neben den eigentlichen Daten zusätzliche Informationen. Welche Informationen an welcher Stelle im Datenpaket steht, ist
von internationalen Standardisierungsgremien in der Spezifikation des jeweiligen Protokolls vorgegeben. Jedes Datenpaket hat also eine definierte Struktur.
Netzwerke
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TCP (Transmission Control Protocol)
Das TCP hat die Aufgabe alle empfangene Datenpakete dem Sender zu bestätigen.
Gleichzeitig muss jedes gesendete Datenpaket solange wiederholt gesendet werden, bis
der Empfang bestätigt wurde.
Die Programme und Protokolle oberhalb der Transportschicht können sich also fest auf die
Übertragungsgarantie von TCP verlassen. Der Verwaltungsoverhead, der dabei entsteht
bremst die Performance der Datenübertragung allerdings in erheblichen Maße aus.
Jedes Datenpaket, das TCP verschickt, wird ein Header vorrangestellt, der die folgenden
Daten enthält:
-
Sender-Port
Empfänger-Port
Paket-Reihenfolge (Nummer)
Prüfsummen
Quittierungsnummer
3.3
Die IP-Adresse
Übung
-
Starte deinen Web-Browser
Gib folgenden Befehl ein:
http://172.16.200.10
Was passiert?
Die Web-Seite, die auch unter dem Namen „susi“ angezeigt wurde, wird wieder angezeigt.
Das bedeutet, dass unser Sever die IP-Adresse „172.16.200.10“ hat und diese Adresse
gleichbedeutend „susi“ ist.
Übung
-
Finde heraus, welche IP-Adresse dein Rechner hat
Finde die anderen IP-Adressen heraus, die in deinem Netzwerk gültig sind.
Die IP-Adresse des Rechners erfahren wird, indem wir den Befehl „ipconfig“ oder „winipcfg“ in das DOS-Eingabefenster eintippen.
Netzwerke
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Die Netzwerkkartenadresse ist die sogenannte MAC-Adresse, diese wurde bereits beim
Thema Netzwerkkomponenten erwähnt.
Andere Rechner im Raum sehen wir in der Netzwerkumgebung, wenn die Dateifreigabe in
der Netzwerkumgebung aktiviert wurde.
In einem Netzwerk können Hosts durch ihren eindeutigen Namen oder durch eine Nummerkombination (IP-Adresse) angesprochen werden. IP heißt „Internet Protocol“ und sorgt
dafür, dass Datenpakete unverfälscht vom gewünschten Host im Netzwerk empfangen
werden. IP-Adressen bestehen im Ipv4-System aus einer 32-Bit Folge von Daten. Sie
werden traditionell in vier Bytes zusammengefasst, die wiederum in Dezimalschreibweise
mit Trennpunkten notiert werden. (194.95.213.193)
Beispiel einer Internetadresse:
32 bit binär
11000010
01011111
11011011
11000001
4 Byte dezimal
194
.95
.213
.193
Netznummer
Netzpräfix
Hostnummer
Computernummer
Standardmäßig stellt der linke Teil der 32-Bit-Adresse das sog. Netzpräfix und der rechte
Teil die Hostadresse dar. Rechner mit dem gleichen Netzpräfix bilden ein Rechnernetz.
Solange keine weiteren Maßnahmen (wie z. B. Router) eingesetzt werden, können Daten
nur innerhalb dieses Rechnernetzes ausgetauscht werden.
Übung
-
-
Öffne die MS-DOS Kommandobox (command)
Führe den Ping-Befehl aus:
ping susi
ping 172.16.200.10
Was passiert?
Der Ping-Befehl überprüft, ob ein Kontakt zwischen zwei Rechnern auf IP-Ebene besteht.
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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Übung
-
Führe den Ping-Befehl mit der IP 172.16.200.11 erneut aus.
Was beobachtest du?
„pinge“ einen beliebigen Rechner im Raum an.
Wie kann ich meine IP-Adresse einstellen?
Klicke dazu mit der rechten Maustaste auf das Icon „Netzwerkumgebung“.
Wähl aus dem nächsten Menü die Option „Eigenschaften“. Nun klick
auf TCP/IP ->“Netzwerkkarte“ (hier im Bild „Realtek RTL ....) und bestätige deine Auswahl mit dem Button „Eigenschaften“.
Im Fenster „Eigenschaften von TCP/IP kannst du nun
die „IP-Adresse“ festlegen.
Die IP-Adressen werden vom INTERNIC (Internet Network Information Center,
http://rs.internic.net) weltweit verwaltet. Firmen können über INTERNIC auch ganze Gruppen von IP-Adressen mieten. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen drei IPAdressklassen:
Class
A
B
C
Netzwerke
Netzanteil
8 Bit
16 Bit
24 Bit
Host-Anteil
24 Bit
16 Bit
8 Bit
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Subnet-Mask
255.0.0.0
255.255.0.0
255.255.255.0
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3.4
Subnetzbildung
Durch das IP Adressierungsschema ist es möglich, innerhalb eines Netzwerkes Hosts in
Gruppen zusammenzufassen. Man nennt solche Gruppen „Subnetze“.
Zu einem Subnetz gehörende Hosts können untereinander Daten austauschen, aber nicht
ohne zusätzliche Maßnahmen Daten von anderen Subnetzen empfangen (in der Schule:
Klassenraumnetz, Verwaltungsnetz). Dazu wird eine Subnetzmaske eingesetzt.
IP-Adresse
Subnetz Maske
binär
134
.60
.10
.7
255
.255
.255
.0
10000110 00111100 00001010 00000111
11111111 11111111 11111111 00000000
Netzadresse
Hostadresse
Subnetzadresse
3.5
Routing
Wo immer 2 oder mehr logische
Netze miteinander kommunizieren kommt IP-Routing ins Spiel.
Ein Router ist ein Gerät mit mindestens zwei Netzwerkkarten.
Um entscheiden zu können an
welche Netzwerkkarte der eingehende Datenverkehr weitergeleitet werden soll verwaltet jeder
Router eine Routingtabelle, in der
verschiedene Routen bereitgehalten werden. Anhand der
Zieladresse in den IP-Headern der Datenpakete werden diese an das entsprechende Interface geleitet.
Mit einer zweiten Netzwerkkarte, einem Modem oder einer ISDN-Karte kann jeder PC als
Router eingesetzt werden, man spricht hier meistens von Software-Routern, da die Hardware nicht speziell für die Routertätigkeit entwickelt wurde. Hardware-Router sind in ihren
kleinsten Ausführungen kaum größer als ihre zugehörigen Handbücher und sind nur für
ein eng begrenztes Aufgabengebiet geeignet, z. B. als ISDN-Router.
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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3.6
Network Adress Translation
Ein NAT-Proxy ist mit mindestens zwei IP-Adressen konfiguriert. Eine, die zum internen
Netz gehört und einer zweiten, die im Internet gültig ist. Alle Clients schicken ihre Internetanfragen an den Proxy-Server, der sie entsprechend verändert und ins Internet weiterleitet.
Dabei ersetzt er im ankommenden IP-Paket des Clients zwei
Informationen. Die Quell-IPAdresse des Clients wird durch
seine öffentliche Adresse ersetzt
und der Quell-Port des Clients
wird mit einem nicht benutzten
Port des Proxys ersetzt. Er führt
dabei eine Tabelle, in der gespeichert wird, welche Kombination aus Client-IP und Client-Port
auf welchen Proxy-Port gemappt
wird.
Öffentliche
IP-Adresse
Private
IP-Adresse
Der Ziel-Rechner im Internet sieht nun als Absender die IP-Adresse des Proxys und wird
seine Antwort an die vom Proxy eingetragenen Port-Nummer schicken. Anhand dieser
Port-Nummer in der Antwort kann der Proxy-Server in seiner internen Tabelle nachprüfen,
an welche IP-Adresse und unter welcher Port-Nummer die Antwort zurück ins lokale Netz
geschickt werden soll.
Auf diese Art wird es möglich, mehrere Adressen (intern) auf eine Adresse (extern) abzubilden, was auch zur Anonymisierung des Internetverkehrs eingesetzt werden kann.
Private Netze
(diese IP sollen nicht geroutet werden)
10.0.0.0
- 10.255.255.254
172.16.0.0 - 172.31.255.254
192.168.0.0 - 192.168.255.254
Loopback
(Anfragen an diese IP werden nicht ans Netzwerkkabel geschickt)
127.0.0.1
127.255.255.255
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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4.
Die physikalische Ebene
4.1
Ethernet
Die Nachfrage nach Standards für lokale Netzwerke (LAN - Local Area Network) ließ die
Organisation IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) eine Arbeitsgruppe
einrichten. Seit dem steht der Name Ethernet als Synonym für alle unter der Arbeitsgruppe vorgeschlagenen und
standardisierten Spezifikationen.
Angefangen hat es in den Achtzigerjahren
beim 10-MBit-Ethernet über Koaxialkabel,
dann Fast Ethernet mit 100 MBit/s und Gigabit Ethernet mit 1000 MBit/s und 10
GBit/s. Alle Ethernet-Varianten haben eines gemeinsam. Sie basieren auf denselben Prinzipien.
4.2
MAC Adresse
Ethernet ist ein paketvermittelndes Netzwerk. Die Daten werden in mehrere kleine Pakete
aufgeteilt. Diese Pakete werden Frames genannt. In einem Frame werden neben den Daten auch die Zieladresse, die Quelladresse und Steuerinformationen verpackt. Als Adressen dienen die MAC-Adressen. Das ist die einmalig hardwareseitig vom Hersteller konfigurierte Adresse in der Netzwerkkarte.
Diese Netzwerkkarte ist der Beginn
der physikalischen Ebene. Die MACAdresse (Media Access Control) ist
eine 48 Bit (6 Byte) lange Zahl. Die
Bits 2 bis 24 bestimmen den Hersteller, die restlichen Bits identifizieren
die einzelnen Karten.
Beispiele von Netzwerkkarten-Herstellern:
Netzwerke
00 AA 00
Intel
08 00 02
3Com
08 00 09
HP
08 00 5A
IBM
00 00 E5
Accton
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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4.3
ARP-Anfrage
ARP ist eine Abkürzung für Address Resolution Protocol. (Adressenanpassung) Dieses
Protokoll ist eine Komponente des Ethernetstandards.
Um ein IP-Datenpaket durch das Kabel an die Netzwerkkarte des Ziel-Hosts schicken zu
können, muss der Sende-Host die MAC-Adresse des Ziel-Hosts kennen. Er sendet daher
ein spezielles Signal (=Datenpaket) an alle Hosts des Netzwerkes. Dem Signal gibt er seine eigene MAC-Adresse als Senderadresse und die IP-Adresse des Ziel-Hosts mit. Der
Ziel-Host mit dieser IP antwortet, indem er ein Signal, das nun zusätzlich seine eigene
MAC-Adresse enthält, an den Sender-Host schickt. Der Sender-Host
speichert diese Information eine Weile (ca. 20min) in einer internen Tabelle. Außerdem kann er mit der Information der MAC-Adresse des ZielHost das IP-Datenpaket um diese
Information ergänzen und in das Kabel schicken.
Alle PC-Systeme mit TCP/IP (Windows, OS/2 und Unix) stellen das
Kommando arp zur Verfügung, um
die Adreßabbildung zu beeinflussen
oder einzusehen.
So gibt der Befehl arp -a die komplette ARP-Tabelle aus. Für jedes Netzwerk-Interface (es
können schließlich in einem Rechner mehrere Netzwerkkarten konfiguriert sein) zeigt das
Kommando die IP-Adressen, zugehörige MAC-Adressen an.
4.4
Mehrfachzugriff unter CSMA/SD mit Datenkollision
Das Fast Ethernet ist ein sogenanntes Kollisionsnetzwerk. Es gibt keine Regeln, die dafür
sorgen, dass der Reihe nach oder in irgendeiner anderen Ordnung die Hosts im Netzwerk
senden. Es gibt auch Netzwerke (z. B. Token
Ring) in denen durch bestimmte Mechanismen
Kollisionen vermieden werden.
Im Fast Ethernet dürfen prinzipiell alle Hosts
gleichzeitig senden. Die Konsequenz sind „Verzerrungen“ der Signale (=elektromagnetische
Wellen), wenn sie aufeinanderprallen. Um solche
Kollisionen zu vermindern „lauschen“ alle Hosts
auf das Netzkabel und senden das Datenpaket
erst dann, wenn kein Signal aus dem Netz empfangen werden kann – wenn also die „Leitung frei
ist“‘.
Netzwerke
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Es kann aber sein, dass ein anderer Host gleichzeitig oder kurz vorher festgestellt hat,
dass er senden kann, und schickt ebenso ein Datenpaket ins Netzkabel. Es kommt nun zu
einer Kollision. Derjenige Host, der sich noch im Sende-Status befindet, stellt die Kollision
fest und schickt ein besonderes Warnsignal ins Netz. Dieses Signal wird von allen sendenden Host erkannt, die daraufhin den Sendevorgang abbrechen. Nun werden alle Hosts
ein paar Sekunden warten und der Vorgang beginnt danach von vorne. Um die Wahrscheinlichkeit einer neuen Kollision zu verhindern, generiert jeder Host per Zufallsgenerator seine Wartezeit.
Netzwerke
RLFB-Niederbayern_Netzwerk/Funktion
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