Einführung in die Informatik - Teil VIII - Netze

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1 Eckart Modrow Netze S. Einführung in die Informatik - Teil VIII - Netze Inhalt:. Bezug zum Unterricht. Themenbereiche 3. Aufbau des Internets, Adressierung und Protokolle 4. Routing 5. Hinweise zu weiteren Themen Literaturhinweise: ) Modrow, Eckart: Technische Informatik mit Delphi, emu-online 004 ) Merkert, Klaus: Kommunikation in Rechnernetzen 3) Schaback, Robert: Grundbegriffe der Informatik skript/texte/grundneu.html 4) Wikipedia 5) LOG IN 5, 008 (Themenheft Web.0)

2 Eckart Modrow Netze S.. Bezug zum Unterricht Netze oder Netzwerke sind für den Informatikunterricht ein immer noch neues Thema, wenn man den Bereich nicht nur auf seine technischen Aspekte reduziert. Natürlich spielt die Technik eine große Rolle aber das Thema Netze kann nicht auf technische Fragestellungen beschränkt werden. M. E. sind das noch nicht einmal die wichtigsten man denke nur an den besonders bei jungen Leuten explosionsartig wachsenden Bereich der sozialen Netzwerke. Netzwerke bilden die Grundlage der gesamten Computertechnik schon ein Computer selbst ist ein Netz von Schaltern. Vernetzte Computer bilden Intranets und diese wiederum das globale Internet. Auf dieser technischen Basis wimmelt es nun von logischen Netzen, sei es das WWW oder das Web.0. Neben den technischen Netzen gibt es also Informationsnetze und zunehmend Kommunikationsnetze. Diese arbeiten natürlich mit dem Internet einerseits, andererseits aber innerhalb der Handynetze. Beide wachsen ja immer mehr zusammen. Im Web.0 verwischen sich die Grenzen zwischen Informations(inhalten) und Kommunikation, weil Inhalte teilweise als Basis der Gruppenbildung dienen. Weil Netze durch Graphen dargestellt werden können, bieten sie eine Fülle von Anwendungen einerseits für Datenstrukturen, andererseits für algorithmische Verfahren, die auf Graphen arbeiten (Wegsuche, Labyrinthe, kürzeste Wege, ). Da diese Verfahren in der Regel nicht ganz einfach zu (er)finden sind, bietet sich hervorragende Differenzierungsmöglichkeiten: einerseits können bekannte Verfahren dargestellt und implementiert werden, andererseits können eigene Lösungsmöglichkeiten gesucht und getestet werden. Aber machen wir uns nichts vor: Wegsuche auf Graphen macht den Informationsaustausch effizienter, die Kenntnis der Algorithmen trägt aber zum Verständnis sozialer Netzwerke kaum etwas bei. Da Netzwerke heutzutage den digitalen Bereich unserer Welt beherrschen, sind Themenstellungen aus diesem Gebiet für die Schülerinnen und Schüler außerordentlich motivierend - erklären sie doch direkt einen wesentlichen Teil ihrer Erfahrungswelt. Im technischen Bereich ist das relativ einfach zu unterrichten, im Bereich der sozialen Netzwerke fehlen aber oft Erfahrungen bei den Unterrichtenden, und auch dann ist das Thema schwer einzugrenzen. Das sollte uns aber nicht hindern, uns damit zu befassen. Wir können wahrscheinlich keine Antworten liefern, richtige Fragen aber schon.. Themenbereiche Im Bereich der Netzwerke finden wir z. B. im technischen Bereich Protokolle (TCP/IP, HTTP) das Schichtenmodell (ISO-OSI) und dessen Nutzung z. B. durch Sockets Wegsuche z. B. von Datenpaketen (Routing) Paralleles Rechnen, Klassifikation von Webseiten (PageRank) Handynetze Topologie von Netzen (Konnektivität, Sicherheit) Biologische Netzwerke (Neuronale Netze) aber auch die klassischen digitalen Schaltnetze ( Gatter ) kann man dazu zählen. Eine hervorragende Zusammenstellung zu technischen Fragen der Netzwerke findet man bei Klaus Merkert!

3 Eckart Modrow Netze S. 3 Im Bereich der Netzwerke finden wir z. B. im Anwendungsbereich Webseiten und Links (HTML) Wikis Content-Management-Systeme (CMS) Im Bereich der Netzwerke finden wir z. B. im sozialen Bereich eben die sozialen Netzwerke (MySpace, StudiVZ, SchülerVZ, ) Netzwerke für bestimmte Zwecke (flickr, ) Webforen, Wikis WebLogs, Blogs, und was sonst noch alles zum Web.0 gerechnet wird. In der VLIN können wir nicht alle diese Themen behandeln, vor allem aber haben wir derzeit keine Kapazitäten, um entsprechende Materialien zu erstellen. Wir wursteln uns also durch: Zu einigen Themen schreiben wir etwas neu soweit wir können. Zu anderen Themen verweisen wir auf Materialien im Netz oder lassen Sie selbst suchen das ist für uns das Bequemste. Zu einigen Themen haben wir Materialien, die wir ggf. leicht modifizieren und anders lassen wir ganz einfach weg, weil wir dazu nichts zu sagen haben. 3. Aufbau des Internets, Adressierung und Protokolle Verbindet man verschiedene Computer miteinander durch ggf. technisch unterschiedliche Datenübertragungsstrecken (Glasfaser, Modem, Funk, ), dann entsteht ein Computer-Netzwerk. Verbindet man wiederum die verschiedenen Netzwerke untereinander, indem einzelne Computer jeweils mit mindestens zwei Netzen verbunden werden, dann können über diese Rechner die Router Daten von einem Netz in das andere transportiert werden. Mithilfe solcher Verknüpfungen entsteht aus den Teilnetzen das Netz der Netze das Internet. ein Router ein Teilnetz Für das Funktionieren des Internets genügt es nicht, nur die Leitungen zu legen. Es müssen vor allem Verfahren entwickelt werden, die einzelnen Rechner des Netzes über die vielen Verbindungsknoten (die Router) hinweg zu adressieren also finden zu können, weitgehend aus E. Modrow, Technische Informatik mit Delphi

4 Eckart Modrow Netze S. 4 die Protokolle (Übermittlungsverfahren) zu vereinbaren, mit deren Hilfe die Daten zwischen den einzelnen Rechnern die technisch sehr unterschiedlich sein können ausgetauscht werden, die Wege festzulegen, die die Daten im Netz nehmen sollen denn meist gibt es dafür verschiedene Möglichkeiten, und schließlich Dienste ( , WWW, FTP, ) und Werkzeuge (Browser, ) zu entwickeln, die das Internet für die unterschiedlichen Zwecke möglichst unabhängig vom eingesetzten Computer und dessen Betriebssystem nutzbar machen. Die Entwickler des Internets hatten das Ziel, dieses Netzwerk dezentral so einzurichten, dass es auch beim Ausfall von Teilen des Netzes immer noch funktioniert. Anfangs gab es dafür militärische Gründe, denn die Ursprünge des Internets liegen in Netzwerken in US-amerikanischen Universitäten und/oder militärischen Einrichtungen. Heute verhindert schon die schiere Größe des Netzes eine rein hierarchische Organisation, und auch die Anfälligkeit gegenüber absichtlichen oder technisch bedingten Störungen eines Gebildes, das vom Funktionieren einiger weniger Computer abhängt, spricht gegen eine rein baumartige Struktur. Sollen Daten in einem Netz verteilt werden, das seine Struktur z. B. durch Ausfall oder Überlastung von Teilen oder durch Ergänzungen ständig ändert, dann dürfen die Datenwege nicht vorab festgelegt werden, sondern die Daten müssen sich ihren Weg vom Absender zum Adressaten selbst suchen. Dazu müssen Start- und Zielrechner eindeutig identifizierbar sein, und die Router müssen entscheiden können, welche der freien Wege zwischen ihnen und den nächsten Routern die Daten in die richtige Richtung befördern. Beginnen wir mit der Adressierung: Adressen werden derzeit noch im Internet als IP-(Internet-Protocol)-Adressen der Version IPv4 vergeben, die aus vier Teilen bestehen, die jeweils einer ganzen Zahl zwischen 0 und 55 entsprechen. Da jede dieser Zahlen eine 8-Bit-Dualzahl darstellt, bestehen IP-Adressen aus insgesamt 3 Bits. (Die Einteilung in vier Zahlen dient vor allem der Lesbarkeit.) Da es Netze sehr unterschiedlicher Größe gibt, teilt man diese (derzeit noch) in fünf Klassen ein, die über unterschiedlich viele Rechner verfügen können. (Die neue Adressierungsart IPv6 ermöglicht sehr viel mehr Adressen als bisher.) Eine IP-Adresse besteht aus drei Teilen: Das erste Bit bzw. die ersten Bits geben die Netzklasse an (A bis E). Je nach Netzklasse folgt eine unterschiedlich lange Netzadresse (net-id). Je länger diese ist, desto mehr Netze dieser Klasse gibt es. Danach kommt die Rechneradresse (host-id), die jeweils einen bestimmten Rechner im Teilnetz identifiziert. Auch hier gilt: Je länger die Rechneradresse, desto mehr Rechner können sich im Teilnetz befinden. (Dabei kann ein Rechner durchaus mehrere host-ids besitzen, z. B. wenn er als Router zu verschiedenen Teilnetzen gehört.) Damit haben wir einen Interessenkonflikt zwischen Netzadresse und Rechneradresse: Weil die IP-Adresse auf 3 Bits beschränkt ist, muss die Rechneradresse kürzer werden, wenn die Netzadresse wächst und umgekehrt. Je mehr Netze zu einer Klasse gehören, desto weniger Rechner passen jeweils in die Teilnetze dieser Klasse.

5 Eckart Modrow Netze S. 5 Bit Klasse A. 0 Netzadresse 3 (7 Bit) Rechneradresse (4 Bit) Klasse B 0 Netzadresse (4 Bit) Rechneradresse (6 Bit) Klasse C 0 Netzadresse ( Bit) Rechneradresse (8 Bit) Klasse D 0 Gruppenadresse (multicast) Klasse E 0 reserviert für zukünftige Zwecke Man kann leicht nachrechnen, dass es bei diesen Daten prinzipiell 8 = 7 unterschiedliche Netze der Klasse A gibt, die jeweils aus bis zu 4, also Computern bestehen können, 6384 = 4 unterschiedliche Netze der Klasse B gibt, die jeweils aus bis zu 6, also Computern bestehen können, 0975 = unterschiedliche Netze der Klasse C gibt, die jeweils aus bis zu 8, also 56 Computern bestehen können. Die Netzklassen D und E wollen wir hier nicht betrachten. Aus diesen 3-Bit-Adressen erhält man die gepunktete Schreibweise aus vier Zahlen, indem man die IP-Adresse in vier Teile zu je acht Bits aufteilt. Diese rechnet man dann in Dezimalzahlen um. Für eine Adresse in einem Klasse-A-Netz erhält man z. B.: Netzklasse net-id host-id (vier 8-Bit-Gruppen) (IP-Adresse) Rechnet man für die Netze der Klasse A die IP-Netzadressenbereiche aus, dann erhält man IP-Adressen zwischen und (Das Netz wird für andere Zwecke benutzt.) Einige Adressbereiche dienen besonderen Zwecken: Eine Adresse, die nur aus Einsen besteht ( ), adressiert alle Rechner im Netz. Eine Adresse, die nur aus Nullen besteht (000 0), adressiert den eigenen Rechner (genauer: die eigene host-id). Die Adresse wird als Loopback-Adresse benutzt. Der Rechner sendet die so adressierten Daten nicht ins Netz, sondern behandelt sie so, als ob sie aus dem Netz gekommen wären. Sie dient also vor allem zu Testzwecken. Einige Adressen sind für spezielle Zwecke reserviert. Dazu gehören z. B. die Adressen bis , die innerhalb verschiedener lokaler Netze gleichzeitig benutzt werden können. Solche Intranets sind über je ein Gateway (einen Rechner, der sowohl mit dem Internet wie dem lokalen Intranet verbunden ist) vom Internet abgeschottet. Da für Menschen Zahlen nur schlecht zu merken und zu unterscheiden sind, hat man eine zweite Art der Adressierung eingeführt, die von den IP-Adressen weitgehend unabhängig ist: das Domain Name System DNS. Hier werden in einer Baumstruktur gestaffelte Namensbereiche benutzt, die durch Punkte von einander getrennt und von rechts nach links zu lesen

6 Eckart Modrow Netze S. 6 sind. Ausgegangen wird von so genannten top-level-domains, die für bestimmte Zwecke vorgesehen sind, z. B. edu für kommerzielle oder militärische Zwecke bzw. für größere Organi- com, mil, org sationen, de, uk, fr, it, für den Erziehungsbereich (Schulen und Universitäten), als Länderkennungen. Für die einzelnen Domains existieren jeweils Organisationen, die Namen für Unterdomänen vergeben können; in Deutschland z. B. die DENIC, bei der man sich über die Besitzer von de- Domänen informieren kann: Diese Organisationen betreiben auch jeweils mehrere Name-Server, die zwischen den Bereichsnamen und den zugehörigen IP-Adressen vermitteln. Sendet also z. B. eine Schule in Göttingen/Niedersachsen mit der Adresse mpg.goe.ni.schule.de eine Nachricht an eine Schule in Freiburg/Baden-Würtemberg mit der Adresse ohg.fr.bw.schule.de, dann müssen mehrere Nameserver eingeschaltet werden, um diesen Adressen gültige IP-Werte zuzuordnen. Jeder Domain Rechner verfügt über eine Tabelle, in der sich mindestens die IP-Adresse des Computers befindet, der die übergeordnete Domäne verwaltet (die unten angegebenen IP-Adressen sind fiktiv). Der Nameserver der DE-Domäne wird nicht angesprochen, da schon die SCHULE-Domäne die Nachricht in das richtige Teilnetz weiterleiten kann. DE SCHULE NI BW GOE FR MPG OHG Der Transport von Daten zwischen den Rechnern erfolgt mithilfe eines Schichtenmodells, in dem die Daten von Schicht zu Schicht nach unten weiter gereicht werden. Auf der niedrigsten Ebene befindet sich die Netzwerk-Hardware, die Bitfolgen zwischen den Rechnern überträgt. Haben die Daten ihren Bestimmungsort erreicht, werden sie wieder zusammengesetzt und einem Anwendungsprogramm zur Verfügung gestellt. Bei diesem Verfahren übernimmt jede Schicht spezifische Aufgaben in Form eines Protokolls, das von der darüber liegenden Schicht benutzt werden kann, ohne dass diese weiß, wie genau die darunter liegende Schicht ihre Aufgaben löst. Damit können unterschiedliche Hard- und Softwaresysteme für den gleichen Zweck eingesetzt werden. Z. B. kann die physikalische Bit-Ebene der Netzwerke auf sehr unterschiedlichen Techniken beruhen: auf Glasfaser-, Funk- oder sonstiger Technologie.

7 Eckart Modrow Netze S. 7 Das Internet benutzt ein 4-Schichten Modell: Rechner Anwendung: Browser fordert eine neue HTML-Seite an Anwendungsschicht Transportschicht Rechner Anwendung: WWW-Server stellt HTML-Seiten bereit TCP IP Treiber Netzwerkschicht Verbindungsschicht TCP IP Treiber Hardware (z.b. Modem) Hardware (z.b. Netzwerkkarte) Hardware (z.b. Modem) Hardware (z.b. Netzwerkarte) Treiber Treiber Router IP Im oben dargestellten Fall fordert ein Browser eine HTML-Seite von einem anderen Rechner an. Er benutzt dafür in der Anwendungsschicht das HTTP-Protokoll (Hypertext Transport Protocol), das seinen Auftrag an die Transportschicht weitergibt, die das TCP (Transmission Control Protocol) bereitstellt. Diese Schicht zerlegt die zu übermittelnden Daten in Pakete (Datagramme), die nummeriert und an die Netzwerkschicht mit ihrem IP weitergereicht werden. Dabei werden die Datenpakete mit den Adressen von Absender und Adressaten und weiteren Informationen, z. B. einer Prüfsumme versehen, anhand der der Empfänger überprüfen kann, ob die Daten unversehrt angekommen sind. Die Paketnummerierung erfolgt fortlaufend, beginnend mit einer Zufallszahl. So können zwar im Netz gleichzeitig verschiedene Pakete mit der gleichen Nummer unterwegs sein. Dass diese aber auch beim Absender und Adressaten übereinstimmen, ist extrem unwahrscheinlich. Die Datagramme werden an die Treibersoftware der Verbindungsschicht weitergereicht, die spezifisch für die benutzte Hardware (Modem, ISDN-Karte, Ethernetkarte, ) ist und mit deren Hilfe sie die Daten auf ihren Weg schickt. Treffen die Datenpakete auf ihrem Weg auf einen Router, dann schaufelt dieser sie von einem Teilnetz in das andere mithilfe von IP. Beim Zielrechner angekommen, werden die Datenpakete, die in zufälliger Reihenfolge auf unterschiedlichen Wegen gereist sein können, zwischengespeichert und von der TCP-Schicht anhand ihrer Nummer richtig zusammengesetzt. Danach werden sie an die Anwendungsschicht dieses Rechners durchgereicht usw.

8 Eckart Modrow Netze S. 8 Die Aufteilung der erforderlichen Funktionen auf unterschiedliche Ebenen ermöglicht es, dass andere Protokolle der Anwendungsschicht, z. B. FTP, ebenfalls TCP/IP benutzen, ohne die erforderlichen Details neu implementieren zu müssen. Damit heutige Rechner, auf denen gleichzeitig mehrere Programme laufen, auf mehreren Kanälen gleichzeitig auf das Internet zugreifen können, werden zusätzlich zur IP-Adresse so genannte Ports benutzt, die bestimmten Programmen zugeordnet werden. Portnummern sind ganze Zahlen und liegen zwischen 0 und Das HTTP-Protokoll benutzt z. B. (meist) den Port 80. Auf diese Weise können bunt gemischt Datenpakete für unterschiedliche Anwendungen den gleichen Rechner auf der gleichen Leitung erreichen. Dort werden sie dann anhand der Portnummer einer Anwendung zugeordnet. 4. Routing 3 Auf ihrem Weg in den Netzwerken passieren die Datenpakete die Router, die entscheiden müssen, ob das Paket im lokalen Netz verbleibt oder nach außen weiter geleitet werden muss. Diese Entscheidung wird anhand der Netzmaske gefällt, einer Art IP-Adresse, die meist mehrmals den Eintrag 55 und am Ende Nullen enthält. Die Zahl 55 besteht im Dualsystem aus 8 Einsen: = 55. Ein Netzwerk selbst wird meist mit einer IP-Nummer bezeichnet, die hinten eine Null hat. Schreiben wir jetzt eine beliebige IP-Adresse und eine Netzmaske übereinander und verknüpfen die über einander stehenden Bits durch logische UNDs (d.h.: stehen zwei Einsen übereinander, dann ergeben sie eine Eins, sonst ergibt sich immer eine Null) eine Operation, die ein Computer in einem Schritt, also sehr schnell, erledigen kann dann filtert die Netzmaske die Netzwerkadresse aus der IP-Adresse heraus, indem sie die lokale Rechneradresse durch die Nullen ausblendet. Die Zahlen 55 geben also an, aus welchen Teilen der IP-Adresse die Netzwerkadresse besteht. Beispiele: Netzwerkadresse: dual: Netzmaske: dual: Rechneradresse : dual: ergibt die lokale Netzadresse: Netzmaske: dual: Rechneradresse :... dual: ergibt eine externe Netzdresse: Was macht der Router nun mit Datagrammen, die er nicht lokal ausliefern kann? Die einfachste Lösung ist, dass der Router über eine Tabelle verfügt, in der steht, welche Adressen an welche Router weitergeleitet werden. In solchen Tabellen können auch Zusatzinformationen über den Zustand der Verbindung stehen: die Distanz gibt meist an, über wie viele weitere Router (hops) das Ziel zu erreichen ist je weniger, desto besser aber auch Informationen über die Auslastung oder Kosten der Verbindung sind möglich. Da Leitungen kurzzeitig oder dauerhaft gestört sein können, tauschen die Router regelmäßig und automatisch Informationen über die aktuell gültigen Verbindungen aus. Auch dafür gibt es Protokolle, z. B. das mit hops arbeitende RIP (Routing Information Protocol) oder das neuere OSPF (Open Shortest Path First), das Informationen über den Verbindungszustand der Leitungen übermittelt. Dadurch verfügen alle Router über einen Graphen, dessen Knoten die Router und dessen Kanten die Verbindungen zwischen ihnen darstellen, die jeweils über einen Zustand verfügen. 3 weitgehend aus E. Modrow, Technische Informatik mit Delphi

9 Eckart Modrow Netze S. 9 Leitungszustand Empfänger Sender R 4 8 R 7 R 5 R ein Router eine Leitung R 6 fett: momentan schnellster Weg Mithilfe dieses Graphen kann jeder Router selbst berechnen, auf welcher Leitung das Paket den Empfänger gerade am schnellsten erreicht. Die Berechnung erfolgt nach dem Algorithmus von Dijkstra. Man stelle sich dazu vor, dass zuerst alle alten Informationen über die aktuelle Wegberechnung bei allen Routern gelöscht werden. Danach schickt der Sender an seine Nachbarn eine Botschaft, die ihn selbst als Absender und dazu den Zustand der benutzten Leitung enthält. Er hat damit seine Arbeit beendet und markiert dieses geeignet. Danach verfahren alle Nachbarknoten genauso, addieren allerdings zum Leitungszustand den ihnen selbst gesendeten Wert. Erreichen solche Nachrichten einen Router, dann ersetzt dieser eine eventuell schon vorher erhaltene Nachricht nur dann, wenn der neu eingetroffene Wert kleiner (also besser) ist als der ältere. Auf diese Weise erreichen den Zielknoten auf allen möglichen Wegen jeweils die besten Nachrichten. Dieser kann dann rückwärts leicht die günstigste Strecke ermitteln, indem er die Nachrichten (die ja ihren Absender enthalten) zurückverfolgt. Da das Verfahren beim Sender-Router selbst ausgeführt wird, wählt dieser dann den ersten Abschnitt dieser Strecke für die Sendung aus. Wir wollen das Verfahren an einem einfachen Beispiel erläutern. Noch nicht fertige Router sind hell, fertige dunkel markiert. Die Botschaften enthalten jeweils die Summe der Zustände der bisher zurückgelegten Strecke und den Absender. Zuerst werden alle Nachrichten gelöscht: R R 5 Dann sendet der Ausgangsrouter Nachrichten an seine Nachbarn und markiert sich selbst als fertig : R R R 5 5 R

10 Eckart Modrow Netze S. 0 Der Nachbarrouter R sendet Nachrichten an alle noch nicht fertige Nachbarn, hier also nur an R 4, und markiert sich selbst als fertig: R 3 R R R 5 5 R verfährt entsprechend. Da der Leitungszustand über aber schlechter ist als der über R, akzeptiert R 4 die neue Nachricht nicht: R R R R Zuletzt sendet R 4 seine Nachricht an das Ziel : R R 6 R 4 R 5 5 R Jetzt kann anhand des Absenders entscheiden, dass die Verbindung zu R 4 die günstigste (hier auch die einzige) ist: R R 6 R 4 R 5 R3 5 R

11 Eckart Modrow Netze S. Entsprechend wählt R 4 anhand Verbindung zu R : R R 6 R 4 R 5 5 R Und ebenso R zu R : R R 6 R 4 R 5 5 R Die günstigste Verbindung ist gefunden!

12 Eckart Modrow Netze S. 5. Hinweise zu weiteren Themen Dijkstra-Algorithmus zur Wegsuche: Material von Frau Strecker Paralleles Rechnen: Literaturhinweise, 4 Klassifikation von Webseiten (PageRank) : Literaturhinweise, 4 Handynetze: Material von Frau Strecker Topologie von Netzen: Literaturhinweise, 4 Biologische Netzwerke (Neuronale Netze) : Literaturhinweise, 4 digitalen Schaltnetze: Modul 4 Webseiten und Links (HTML) : Material HTML Wikis: Literaturhinweis 5, Netzrecherche Content-Management-Systeme (CMS) : Netzrecherche sozialen Netzwerke: Material von Frau Brandt. Netzrecherche Netzwerke für bestimmte Zwecke: Netzrecherche Webforen: Netzrecherche WebLogs, Blogs, : Literaturhinweis 5, Netzrecherche