Vorkurs Schulnetze - Zum Lehrerfortbildungsserver

Regionale Fortbildung
Vorkurs Schulnetze
Pädagogisch/didaktische und technische
Struktur von Schulnetzen
(Vorbereitung auf den Basiskurs)
Autor: Uwe Labs
Einführung
• Konzept der paedML® (Musterlösung)
• Musterlösung in drei Versionen:
– paedML® -Novell
– paedML® -Linux
– paedML® -Windows
• Basiskurse zu allen drei Versionen
• Wahl des Basiskurses = Festlegung auf eine Version
• Nötiges Vorwissen zum Basiskurs:
– Päd./didakt. Anforderungen an ein Schulnetz
– technisch/physikalischer Netzaufbau
Vorkurs Schulnetze
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Schulnetzbeispiel und Begriffe
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Pädagogisch/didaktische Anforderungen (1)
• Unkomplizierter Unterricht
– Alle Arbeitsplätze haben einheitliche Strukturen
– Alle Arbeitsplätze sind schnell restaurierbar (SHeilA)
• Alle Computer in allen Räumen sind im Netz
eingebunden
• Alle Schüler und Lehrer können das Netz nutzen
• Internetzugriff im gesamten Netzwerk
• Netzwerkanschluss im Klassenzimmer
• Selbständige Schülerarbeit in Projekten,
Einzelarbeiten und AGs
• Zugriff auf verschiedene (multimediale) Geräte und
Inhalte, z.B.:
• Laserdrucker, Farbdrucker, Scanner, AV-Medien…
• ...
• Sicherheit bei Klassenarbeiten im Netz
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Pädagogisch/didaktische Anforderungen (2)
• Jeder Benutzer (Lehrer/Schüler) hat einen eigenen
Netzaccount. Damit verbunden ist:
–
–
–
–
Homeverzeichnis
Email-Adresse
Möglichkeit einer eigenen Homepage
Möglichkeit des Zugriff von außen auf das
Homeverzeichnis
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Pädagogisch/didaktische Anforderungen (3)
• Zur Verfügung stehen:
– Tauschverzeichnisse für
• Schüler, Lehrer, Lehrer/Schüler
– Klassenarbeitsverzeichnisse
– Projektverzeichnisse
• Andere Verzeichnisse (nicht änderbar für normale Benutzer,
z.B. für Programme)
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Pädagogisch/didaktische Anforderungen (4)
• Lehrer „sehen“ Schülerverzeichnisse
Lehrersicht:
Schülersicht:
• Lehrer können Schülerpassworte ändern
• Beschränkung von Plattenplatz individuell für
Benutzer oder Verzeichnisse
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Pädagogisch/didaktische Anforderungen (5)
Computerraumgestaltung
• Beamer (am Lehrer-Rechner oder im Netz)
• 1 Netzwerkdrucker pro Raum, eventuell weitere Geräte:
– z.B. Farbdrucker, Plotter, Scanner, etc...
• Anordnung von Datendosen, Stromsteckern, ...
• Eventuell Bildschirmstromschaltung Ein/Aus
• Raumgestaltung:
So ?
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So ?
Oder so ?
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Technische Anforderungen (Arbeitsstationen)
• Möglichst homogene Ausstattung aller
Arbeitsstationen:
– Kostensenkung (Total Cost of Ownership (TCO !))
– Benutzer finden immer gleiche Verhältnisse vor
• Selbstheilende Arbeitsstationen (SHeilA)
– Imageverfahren, bei dem der Inhalt der Festplatte
erzeugt bzw. restauriert wird
• Speichert Daten auf dem Server und nicht lokal
(außer temporären Daten)
• Lokales Betriebssystem (i.d.R. Windows oder Linux)
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Technische Anforderungen (Server)
• Dienstleistungen nur für das Netz
• Zentrale Speicherung von Programmen und Daten
• Ausreichend Plattenplatz und schnelle
Platten/Controller
• Schneller Datentransfer zum und vom Netz
• Zentrale Datensicherung
• Management-Portal
• Kommunikation mit Internet
– Proxy, Webserver, Groupware, Mediaserver, Firewall...
• Restaurieren von Arbeitsstationen
• Automatische Softwareinstallationen auf
Arbeitsstationen
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Technische Anforderungen (Benutzerverwaltung)
• Einfache Benutzerverwaltung
– Benutzerdatenübernahme aus der Schulverwaltung
– Leichte Benutzereinrichtung (z.B. mit Schablonen)
– Automatische Vergabe von Rechten (z.B. mit
Vererbung oder mit Schablonen)
– Automatisches Anlegen von Home-Verzeichnissen
– Automatisches Zuteilen von Email-Accounts
– Massenhafter Import von Benutzern
• mit Übernahme der Schablonenattribute
• nachträgliches Ändern von Benutzereigenschaften
(Attribute)
– Passwortmanagement
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Technische Anforderungen (Handling)
• Drucker im Raum sperren/freigeben
• Internet sperren/freigeben
(raumweise, klassenweise, individuell)
• Bildschirm und Tastatur sperren/freigeben
• Schülerbildschirm holen
• Dateien verteilen und einsammeln
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Technische Anforderungen (Infrastruktur)
• Zukunftssichere Verkabelung
• Skalierbar mit steigenden Anforderungen
• Ein(!) physikalisches Netz:
eventuell logisch aufgeteilt in z.B.:
– Unterrichtsnetz
– Lehrernetz
• Hohe Verfügbarkeit
• Datensicherung der Server
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Unterstützungssystem zur Musterlösung
• Regionale Arbeitskreise
• Fortbildungen
– Akademieveranstaltungen
– Regionale Standorte
– Lehrerfortbildungsserver
(www.lehrerfortbildung-bw.de/netz)
• Hilfen zur Softwareinstallation: Software im Netz (SoN)
(www.lmz-bw.de/technischeunterstuetzung/kundenportal/lernsoftware-msi-pakete.html)
• Support beim Landesmedienzentrum
–
–
–
–
Online Support (www.support-netz.de)
Hotline für registrierte Schulen
Fernüberwachung des Servers
Medienentwicklungsplan (Schulnetzberatung)
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Technik
(Netzwerk-Kommunikation)
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TCP/IP
• Kommunikation zwischen Arbeitsstationen und
Servern wird durch Protokolle geregelt
• TCP/IP = Transmission Control Protocol/Internet
Protocol
• Jedes Gerät wird durch eine IP-Adresse identifiziert.
• IP-Versionen
– IPv4 (noch) weitverbreitet
232 Adressen  für ca. 4 Milliarden Geräte/Knoten
– IPv6
2128 Adressen  für ca. 3,4·1038 Geräte/Knoten
entspricht ca. 8·1020 IP-Adressen pro cm2 der
gesamten Erdoberfläche !
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IP-Adressierung (IPv4)
• IP-Adresse: 4 Zahlen (Wertebereich 0..255)
z.B. 129.143.2.1
• Unterteilung in Netzwerk- und Knotenteil
• Unterscheidung in Klassen:
129.143.2.1  Class-B
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Besondere IP-Adressen
• Nicht im Internet geroutete IP-Adressen. Z.B.:
• IP-Adressen für spezielle Zwecke. Z.B.:
loopback 127.0.0.1 eigener Computer
und weitere ...
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Computer-Einstellungen
• Manuell
oder per
festgelegt
• Gateway
• DNS
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DHCP
dynamisch
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Domain Name System (DNS)
•
Übersetzung von für Menschen leicht zu merkenden Domain
Namen in IP-Adressen
http://www.belwue.de
129.143.232.10
DNS-Server
.(root)
Top - Level - Domain
1st - Level –
Domain
mil
edu
com
belwue
schule
de
gov
net
novell
org
t-online
au
ca
google
bw
Subdomains
hd
Server
MeineSchule
MeineSchule.hd.bw.schule.de
•
URL = Uniform Resource Locator, z.B. http://www.belwue.de
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Ports
• Verbindung Netzwerk/Internet zu einem Computer
bzw. einer Applikation, z.B.: http://www.belwue.de
ist gewissermaßen eine Tür dazu  Port
• Portnummern, z.B.
– 80
– 443
– 25
•
•
•
•
Webserver (http)
sicherer Webserver (https)
Email (smtp)
0..1023
von IANA festgelegt (Internet Assigned Numbers Authority)
1024..49151 Registered Ports (Hersteller-registriert)
49152..65535 Dynamic bzw. Private
Beispiele:
– http://<IP oder Domain>:2222
– https://<IP oder Domain>:51443/NetStorage
• FTP, SSH Programme mit ggf. geänderte Portnummern
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Client – Server
• Hardware
Clients
Netzwerk
Server
• Software, z.B. Microsoft- oder Novell-Client zur
verbindung zum Serverbetriebssystem:
– Microsoft Client
– Microsoft Client
– Novell-Client
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 Windows-Server
 Linux-Server (mit Samba)
 Novell-Server
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Client – Server, weitere Beispiele
• Datenbank-Client

(Software auf Arbeitsstation)
Datenbank-Server
(Software auf Server oder AS)
• Webserver
Client:
Computer (Hardware)
Server:
Webserver (Software)
Client:
Browser (Software)
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Server:
Computer (Hardware)
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Technik
(Hardware)
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Verkabelung
• „Sternförmige“ Verkabelung
3Co m
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Strukturierte Gebäudeverkabelung
• Glasfaser / Kupfer
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Verkabelung (Kupfer)
• Twisted Pair Leitungen (Kupfer) mit RJ-45 Steckern
• Kabeltyp:
Cat 5/5e (100 Mhz,100m) – veraltet!,
Cat 6 (250 Mhz,100m),
Cat 7 (600 Mhz,100m), Cat 8 (1600 MHZ, 30m)
•
Ausführung:
S/STP (Screened Shielded Twisted Pair)
S=Geflecht
S/FTP (Screened Foiled Twisted Pair)
F=Folie
Gängige Standards:
• 100Base-TX Fast-Ethernet
• 1000Base-TX Gigabit-Ethernet
• 10GBase-TX 10Gigabit-Ethern.
• Zu beachten:
– Bautechnik: z.B. dicke Kabelbäume, Brandschutz, ...
– Ingenieur und Elektriker notwendig
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Verkabelung (Kupfer)
• Netzwerkkarte
– mit RJ-45 Anschluss sowie
– mit PXE-fähigem Boot-ROM (SHeilA-Funktionalität)
– bei Markenware oft weniger Treiberprobleme
• Ausführung als Onboard-Netzwerkkarte (oder Steckkarte)
RJ-45
RJ-45
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Verkabelung (Kupfer)
• Die Netzwerkkarte wird über ein
– Patchkabel an eine
– Datendose (entspr. CAT-Spezifikation des Kabels)
angeschlossen (RJ-45) (z.B. Doppeldose)
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Verkabelung
• Die Datendose ist durch eine Leitung mit dem
Patchfeld im Verteilerschrank verbunden
• Vom Patchfeld (Rangierverteiler) führen Patchkabel
zu den Switch-Ports
Verlegekabel (Wand)
LWL
Switch
Patchpanel
Patchkabel
Patchkabel
Verlegekabel
Verteilerschrank
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Verkabelung (Glasfaser=Lichtwellenleiter)
• Größere Entfernungen, größere Geschwindigkeit,
Stockwerkverteilung, auch als Standardleitungen.
Zukunfssicherheit für 10 GBit-Standard.
• Ethernet mit 1 Gbit/s:
– 1000Base-LX (Singlemode Glasfaser, 5 km)
– 1000Base-SX (Multimode Glasfaser, 550 m)
• Steckertyp: gängiger Standard (z.B. ST,SC, LC)
LWL-Patchpanel
LWL-Switch
LWL-Patchkabel
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Verkabelung (10 GBit)
• In größeren Netzen für die Verbindung
Server
Backbone-Switch interessant:
– 10 GBit Netzwerkkarte im Server (ab 200 €)
– 10 GBit-Modul im Switch (ab 200 €)
• Kupfer:
– 10GBASE-T
(RJ-45: CAT5e-45m, CAT6-55m, CAT6a/CAT7-100m)
• Glasfaser:
– 10GBASE-SR/LR/LRM/ER/LX4 (und weitere)
für verschiedene Längen und Faserarten:
SR (short range), Multi-Mode-Faser, bis 26-82m, 300 m (OM3)
LR (long range), Single-Mode-Faser, bis 10 oder sogar 25 km
LRM (Long Reach Multimode), bis 220 m
ER (extended range), Single-Mode-Faser, bis 40 km
LX4, 240-300 m (Multi-Mode); bis 10 km (Single-Mode)
• Preise fallen
• 100 GBit: 100GBASE (CR10/SR10/SR4/LR4/ER4)
• 400 GBit, 1TBit (erwartet ab 2017)
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Aktive Komponenten (Switch)
• Switch
– Zwischen den Ports wird
eine Punkt zu Punkt
Verbindung geschaltet
– Keine Datenkollisionen
– Geschwindigkeitsumsetzung möglich!
(dh. mit einem Switch ist
möglich z.B.:
- Server mit 10 GB an
Switch, weiter mit 1 GB
- den Raum mit 1Gbit
anfahren und mit
100 Mbit an die
Arbeitsstationen verteilen)
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Aktive Komponenten (Switch)
• Wenn nicht alle
Arbeitsstationen auf
denselben Server zugreifen
wollen, trennt ein Switch
den Datenverkehr
• Heute werden praktisch nur
noch Switches verwendet.
(HUBs werden heute nicht
mehr einsetzt)
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Aktive Komponenten (Workgroup Switch)
Beispiel:
• Switch mit festem Port-Layout
• Bandbreite auf der Backplane: 9 Gbps - 90 Gbps
• 6-70 Mpps (Paket: 64 Byte = 512 Bit )
•
z.B. HP Serien (2500), 2600, 2800, 1810G, …
Cisco Catalyst Serien 29xx, 35xx, …
Gbps: Giga-Bits per second
Mpps: Mega-Packages per second
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Aktive Komponenten (Backbone Switch)
Beispiel:
• Modularer Switch (ausbaubar)
• Managebar
• Bandbreite auf der Backplane: 35-700 Gbps
(mit großen Preisunterschieden)
• 40-450 Mpps (Paket: 64 Byte = 512 Bit )
•
Z.B. HP Serien 4200, 5400, ...
Cisco Catalyst Serien 37xx, 40xx, 45xx, ...
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Funknetze (Wireless LAN = WLAN)
• Computer sind über Funk mit Access-Points verbunden,
die ihrerseits per Kabel mit dem Netz verbunden sind
• Access-Points lassen sich auch über einen WirelessSwitch managen (nicht ganz billig, bei mehr als ~10 teuer)
• Shared Media! (alle Teilnehmer teilen sich die
Bandbreite)
Probleme z.B. bei
– Starten von größeren Programmen über das Netz
– Restaurieren von Computern über das Netz
• Verschiedene Standards: 802.11a/b/g/n/ac/…
mit 54, 11, 54, 300, 1300 MBit/s, ~ 6 GBit/s (theoretisch),
ca. 20, 5, 20, 120, 1300 MBit/s (optimale Bedingungen)
• WLAN hat seine Berechtigung, wenn es anders nicht geht
(Vieles(!) ist zu bedenken. Siehe WLAN-Dokumente in:
http://lehrerfortbildung-bw.de/netz/muster/novell/material/notebook)
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Internet-Anbindung
• In manchen Städten: Anschluss am Stadtnetz oder
Zugang über Fachhochschulen/Hochschulen
(am besten über Belwü)
In der Regel:
• DSL über Telefonleitung/Antennenleitung
T@School oder Unitymedia (früher Kabel-BW) über BelWü
• BelWü:
–
–
–
–
–
–
Über Router per VPN incl. Fernwartung
Eigene Mailverwaltung, eigener (virtueller) Webserver
Feste IP-Adresse(n)
Auch von außen ständig erreichbar
Jugendschutzfilter
.../ueberuns/teilnehmer/schulen.html
.../produkte/anschluss
http://www.belwue.de ...
• Ein Router verbindet Netze (Schulnetz – Internet)
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Internet Anbindung (Anschluss)
• Prinzipieller DSL-Anschluss:
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Serverausstattung (allgemein)
•
•
•
•
•
•
•
paedML ist virtualisiert (i.d.R. für VMware/ESXi)
Serverhardware muss VMware-zertifiziert sein
Nur bei sehr kleinen Netzen: „kleiner“ Server
Server-Mainboard
Prozessor(en) für Server, z.B. XEON, Opteron
RAM-Speicher  32 GB oder mehr ...
Festplatten und –Controller (servergeeignet, z.B. SAS, 24x7)
Markencontroller, Marken-RAID-Controller (alles VMware-zertifiziert)
(=Vermeidung von Treiberproblemen!)
Hohe Übertragungsgeschwindigkeit nur bei z.B. PCI-X
• Gigabit (1 und/oder 10) – Netzwerkkarten
• Speicher für Backups (z.B.: NAS, USB-Platte, Bandlaufwerk)
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
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Serverausstattung (RAID)
• RAID = Redundant Array of Inexpensive Disks
• mehrere Platten werden zu einer logischen Einheit
zusammengeschaltet
• Daten einer Datei werden über alle Platten hinweg
verteilt => eine Platte liefert schon Daten, während
die nächste gerade ihre Köpfe positioniert
• Vorteil 1: Datensicherheit durch Redundanz
• Vorteil 2: Schnellerer Datentransfer zusammen mit
SCSI/SAS-Komponenten bei mehr als einer Platte
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Serverausstattung (RAID-Level-1, Spiegelung)
RAID- oder normaler Controller
Daten
Block
Block
Block
Block
Block
Festplatte 1
gespiegelte
Daten
Festplatte 0
0
1
2
3
4
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Block
Block
Block
Block
Block
0
1
2
3
4
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RAID-Level-1, Spiegelung
•
•
•
•
Plattenspiegelung
Zwei separate Festplatten
Auf beiden Festplatten der gleiche Datenbestand
Bei Ausfall einer Festplatte Meldung an der Serverkonsole
• Effektiver Plattenplatz 50%
• Hohe Datensicherheit
• Schnellster Datenzugriff
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Serverausstattung (RAID-Level-5)
RAID-Controller
Daten
-teil
Festplatte 4
Daten
-teil
Festplatte 3
Daten
-teil
Festplatte 2
Daten
-teil
Festplatte 1
Daten
-teil
Festplatte 0
Parity
Block 4
Block 8
Block 12
Block 16
Block 0
Parity
Block 9
Block 13
Block 17
Block 1
Block 5
Parity
Block 14
Block 18
Block 2
Block 6
Block 10
Parity
Block 19
Block 3
Block 7
Block 11
Block 15
Parity
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RAID-Level-5
• Mehrere (gleichgroße) Platten werden eingesetzt
(mind. 3)
• Jede Platte speichert Daten + eine Prüfsumme
• Bei Ausfall einer Platte und nach deren Austausch
werden die fehlenden Daten aus den Prüfsummen
der restlichen Platten im laufenden Betrieb
rekonstruiert
• Besonderer RAID-Controller notwendig
• Geschwindigkeit + Datensicherheit
• Beispiel:
– RAID 1: 2x600 GB gesamt => 600 GB effektiv
– RAID 5: 3x600 GB gesamt => 1200 GB effektiv
5x600 GB gesamt => 2400 GB effektiv
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Weitere RAID Levels
• RAID 0
– Zwei oder mehrere Platten werden abwechselnd
beschrieben (Striping)
=> Geschwindigkeitsvorteil
– Keine Datensicherheit bei Ausfall einer Platte
• RAID 10 / RAID 50
– Kombination aus RAID 0 und RAID 1 / 5
Zuerst werden zwei RAID 1 bzw. RAID 5 Verbünde
aufgebaut, die dann gespiegelt werden.
=> Geschwindigkeit + Datensicherheit
• RAID 6
– Ähnlich zu RAID-5, es dürfen jedoch zwei Platten
ausfallen.
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Serverausstattung (Datensicherung)
• Auch RAID-Systeme schützen nicht immer vor
Datenverlust (z.B. vom Benutzer gelöschte Dateien)
• Nötig ist ein Speicher-Backup-System, das auch die
Daten von gestern, vor einer Woche oder noch
langfristiger bereithält
• Dazu nötig:
–
–
–
–
Separates Festplatten-Subsystem (NAS)
Streamer (Bandlaufwerk)
USB-Platte(n)
Backup-Software
(event. incl. Desaster-Recovery)
• Bändern wird die längere Lebensdauer und höhere
Sicherheit nachgesagt
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Serverausstattung (Streamer)
• Streamer = Bandlaufwerke für Magnetbandkassetten
• Tape Library = Streamer mit Bandwechselroboter
• Heute praktisch nur noch der Typ:
LTO (Linear Tape Open)
aktuelle Ausführungen:
Typ
Kapazität Kapazität
Transfer
komprimiert -rate
Verfügbarkeit
LTO-Ultrium-3
400 GB
800 GB
80 MB/s veraltet
LTO-Ultrium-4
800 GB
1600 GB
120 MB/s
veraltet
LTO-Ultrium-5 1600 GB
3200 GB
180 MB/s
aktuell
LTO-Ultrium-6 3200 GB
6400 GB
270 MB/s
aktuell
LTO-Ultrium-7 6000 GB
15000 GB
750 MB/s
aktuell (02/2016)
Anbindung z.B. per Ultra320 SCSI, 4-Gbps Fibre Channel, SAS
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Datensicherung
• Sicherung von Dateien, GroupWare-Daten,
Directory-Daten (eDirectory, Active Direcory):
teils mit Bordmitteln möglich, besser jedoch mit
professioneller Software
• Sicherung kompletter virtueller paedML-Server
und/oder anderer virtueller Maschinen:
spezielle Backup-Software nötig
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Serverausstattung (Gehäuse)
• Geeignete Luftkanäle,
getrennt für Festplatten
und Mainbord
• Mehrere Lüfter
• Als Standalone oder 19“
Einschub
• Standort von Servern.
Zu beachten: Kühlung, Lautstärke
-> Serverraum
-> 19“-Schrank mit ausreichender Tiefe
-> Schrank mit integrierter Klimaanlage
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Virtualisierung
• Einsparung von Hardware-Ressourcen beim Einsatz
mehrerer Server auf ESXi oder XEN
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Arbeitsstationen
• PC, multimediafähig
– Win7/8.1-Professional (Win10 ab 2016),
(Linux)
– Aktueller Mehr-Kern-Prozessor
– 4-8 GB RAM (oder mehr)
– Eher kleine Festplatte (Programme/Daten liegen teils auf dem
Server)
–
–
–
–
sinnvoll auch SSD-Platte
Netzwerkkarte 1 GBit, PXE-fähig
Sound/Graphik je nach geplantem Einsatz
Ggf. DVD/Brenner
Garantieverlängerung
• Beim Kauf die Aktualität beachten, da die Lebensdauer
ca. 4 Jahre betragen soll
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Musterlösung
Unterstützungssystem Netze:
• Zentrale und regionale Fortbildungen
http://www.lehrerfortbildung-bw.de/netz
• Support-Netz
http://www.support-netz.de
bzw. http://www.lmz-bw.de/technische-unterstuetzung.html
• paedML Novell
• paedML Linux
• paedML Windows
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