Net Lab/DV2 Praktikum Im Raum: BB 219

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1 Net Lab/DV2 Praktikum Im Raum: BB 219 Informationen unter: Ausstattung für jede Gruppe: - 1 Servercomputer (OS: Windows 2000 Advanced Server) - 1 Clientcomputer (OS: Windows 2000 Professional) - 1 Computer als Router / Gateway (OS: Linux) - 1 Hub - Netzwerkkabel 1. Praktikum: Netzwerkplanung und Installation eines Fileservers 2. Praktikum: Webserverinstallation und Erstellung einer Internetpräsenz 3. Praktikum: Installation und Konfiguration einer Firewall 4. Praktikum: Installation eines VPN zur Verbindung zweier Netzwerke 5. Praktikum: Programmierversuch; Client/Server Verbindung über Sockets 6. Praktikum: Netzwerkmonitoring und Netzwerküberwachung Name: Matrikelnummer: Unterschrift Betreuer: Kontakt: Joachim Zumbrägel BB 320 Tel: Mail: 1. Einleitung Die Kommunikation über Sockets ist ein Standardverfahren für den (in der Regel) Plattformübergreifenden Datenaustausch zwischen Applikationen. Sockets bilden die Endpunkte einer bidirektionalen Kommunikation. In diesem Kontext fallen oft auch die Begriffe Client-Server Kommunikation. Ein Server ist eine Applikation, die Dienste bereitstellt, die vom Client in Anspruch genommen werden. Ein klassisches Beispiel dafür ist die Kommunikation zwischen Webbrowser (Client), der eine HTML-Seite von einem WEB-Server anfordert. Im Rahmen dieses Praktikums soll das Prinzip der Client-Server Architektur sowie Grundlagen der Socket-Programmierung mit Hilfe der Programmiersprache Delphi vermittelt werden. 2. Client-Server Modell Bei diesem Modell unterscheidet man zwei verschiedene Arten miteinander kooperierender Prozesse: die Server, die einen Dienst (Service) bereitstellen und die Clients, die Nutzer eines solchen Dienstes. Ein Client sendet eine Anfragenachricht, in der er einen bestimmten Dienst nachfragt, an einen Server. Dieser erfüllt den Dienst, wie in Abbildung 1 dargestellt, indem er die nachgefragten Daten oder eine Fehlermeldung liefert, die den Grund des Versagens beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich das ein Prozess gleichzeitig sowohl Client als auch Server ist. Wenn ein Server für die Bereitstellung eines Dienstes den Dienst eines anderen Servers benötigt, wird er zum Client bezüglich des anderen Servers. Der Server kennt die Anzahl der Clients nicht im Voraus. Die Anzahl kann aber begrenzt sein, um z.b. die Speicherkapazität nicht zu überschreiten oder die Rechenleistung zu sehr zu belasten. 1 2

2 Abbildung 1: Client-Server Nun ist es aber häufig - wenn nicht immer - so, dass mehrere Clientprogramme auf ein Serverprogramm zugreifen. Beispielsweise können bei einem Web-Server mehrere Browserprogramme gleichzeitig bzw. quasigleichzeitig auf eine Web-Seite zugreifen. Zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Kommunikation zwischen einem Server und mehreren Clientprogrammen sind denkbar. Entweder kommuniziert jeder Client exklusiv über einen Port mit dem Server oder ein Port steht für alle Clients zur Verfügung. Abbildung 2 zeigt die beiden Möglichkeiten. werden. Da Serverprogramme, die diese Dienste anbieten, entsprechende Rechte besitzen sind diese Ziele von Hackern. Die Ports von 1024 bis sind für bei der IANA registrierte Dienste reserviert. Dies bedeutet allerdings nicht das sich alle daran halten. Dynamische und/oder private Ports liegen im Bereich von bis Um Verbindungen mehrerer Clients zum Server unterscheiden zu können, verwenden die Protokolle TCP und UDP einen Quell- (Source) und Ziel- (Destination) Port. Quelladresse und Quellport bzw. Zieladresse und Zielport bilden jeweils ein eindeutiges Paar. Der Quellport wird vom Betriebssystem des Clients verwaltet um die Eindeutigkeit des Paars zu garantieren. Da sich weder der Benutzer noch der Programmierer um den Quellport kümmern muss wird stillschweigend der Zielport einfach als Port bezeichnet. Port aktivieren 1. Port Listen neuer Verbindungswunsch Port 1 Client 1 Client 1 2. neuen Socket zuweisen 3. Kommunikation über Socket #1 Client n Port n Server Client n Server Abbildung 2: Client-/Server-Kommunikation über einen oder mehrere Server-Ports Kommunikation über Socket #2... Die Kommunikation über mehrere Ports ist unpraktisch und unüblich. Üblich dagegen ist, dass standardisierte Netzdienste, z.b. FTP, TELNET und HTTP, einem festen Port zugeordnet sind. Durch IANA (Internet Assigned Number Authority) wurde festgelegt, dass die Ports von 0 bis 1023 für Dienste reserviert sind, für die privilegierte Rechte benötigt Kommunikation über Socket #n Abbildung 3: Verwaltung eines Ports mit Hilfe mehrerer Sockets 3 4

3 Zunächst wird der Port vom Server aktiviert. Dies entspricht (1) in Abbildung 3. Möchte ein Client Daten mit dem Server austauschen, wird ein neuer Socket erzeugt und der Verbindung zugewiesen. (Punkt (2) in Abbildung 3). Anschließend kann über den Port eine weitere Verbindung aufgebaut werden. Die Kommunikation wird nun nur noch über den Socket abgewickelt, der jeweils einer Verbindung zugeordnet ist. 3. Grundlagen zu Sockets Bei einem Socket handelt es sich um eine Schnittstelle zur Transportschicht des Netzwerkes. Die Transportschicht ist die Schicht 4 im ISO/OSI Modell. Damit die Verbindung zweier Anwendungen nun eindeutig ist, wird diese Verbindung charakterisiert durch fünf Parameter. Diese fünf Parameter sind: Das verwendete Netzwerkprotokoll Local_addr Die lokale Netzwerkadresse Local_port Der lokale Port Remote_addr Die entfernte Netzwerkadresse Remote_port Der entfernte Port Als Endpunkte dieser Verbindung werden jeweils die drei Parameter [Protokoll;Local_addr;Local_port] und [Protokoll;Remote_addr;Remote_port] verstanden. Hat jeder Prozess seinen eigenen Endpunkt erzeugt, können mit Hilfe der Socketfunktionen die Endpunkte miteinander verbunden werden. Bei einer verbundenen Socket Infrastruktur ist es dann möglich Daten auszutauschen. Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Typen von Sockets. Mit der Wahl des Socket-Typs wird automatisch die Art des Datenaustauschs zwischen den beteiligten Prozessen festgelegt: Stream-Sockets sind verbindungsorientiert und zuverlässig. Verbindungsorientiert heißt, dass zwischen den beiden beteiligten Prozessen eine feste Verbindung aufgebaut wird (ähnlich einer Standleitung), über die Daten in beide Richtungen fließen können. Sie bleibt solange bestehen, bis einer der Prozesse die Verbindung abbaut. Daten werden darüber, wie der Name schon andeutet, in Form eines kontinuierlichen Byte- Stroms ohne äußere Struktur transportiert. Zuverlässig heißt, das alle über einen Stream-Socket gesendeten Daten garantiert am Ziel ankommen, und zwar in der Reihenfolge, in der sie abgeschickt wurden. Stream-Sockets werden oft auch TCP-Sockets genannt. Datagram-Sockets sind verbindungslos und nicht zuverlässig. Verbindungslos heißt, dass keine feste Verbindung zwischen den beiden beteiligten Prozessen aufgebaut wird. Daten werden in Form von Paketen gesandt. Da keine Verbindung zum Ziel-Socket besteht, muss dessen Adresse explizit beim Versenden mit angegeben werden. Nicht zuverlässig heißt, dass nur garantiert wird, dass ein Datenpaket abgeschickt wird, nicht aber, dass es sein Ziel erreicht. Datagram-Sockets werden oft auch UDP-Sockets genannt. 4. Socketprogrammierung unter Windows Für die Entwicklung von Programmen, die Daten über das Internet übertragen, stellt das jeweilige Betriebssystem Protokollsoftware zur Verfügung, die den Datentransport über heterogene Netzstrukturen realisiert. Die Protokollsoftware wird nicht von jedem Softwareentwickler selbst geschrieben, sondern wird vom Betriebssystem bzw. von Fremdanbietern zur Verfügung gestellt. Die Entwicklung von Anwendersoftware beschränkt sich häufig nicht auf eine Plattform bzw. ein Betriebssystem. Der Quellcode einer Anwendung soll portable sein, d.h. kompilierbar unter den verschiedenen Betriebssystemen. Dies gilt auch bezüglich der Anwendungen für das Internet. So stellt beispielsweise die Firma Netscape das Programm eines Internetbrowsers für das Betriebssystem Unix/Linux und auch für Microsoft Windows her. Der Zugriff auf die Protokollsoftware wird bei dem Betriebssystem Unix mittels des sogenannten BSD-Socket-API 1 ermöglicht. Die Anwendungen greifen nicht auf die eigentliche Protokollsoftware zu, sondern die zu übertragenden Daten werden an ein sogenanntes Socket übergeben, das die Schnittstelle zum Internet bildet. Die darunter liegenden Protokolle werden von dem Socket angesprochen. Diese einheitliche Programmierschnittstelle stellt dem Anwendungsentwickler die Proto- 1 BSD: Berkeley Software Distribution; API: Application Programming Interface 5 6

4 kollfunktionen unabhängig vom implementierten Protokollstack zur Verfügung. Für den Zugriff einer Anwendung auf das Internet ist nicht der eingesetzte Protokollstack wie TCP/IP oder SPX/IPX sichtbar, sondern nur die einheitliche Schnittstelle des Sockets. Als die Firma Microsoft das Betriebssystem Windows mit Funktionen zum Internetzugang ausstattete, wurde das BSD-Socket-API adaptiert, damit Internet-Anwendungen schneller auf die Windowsplattform portiert werden konnten und nicht grundsätzlich neu entwickelt werden mussten. Diese Schnittstelle wurde um Windows-spezifische Funktionen erweitert und als WinSock-API oder kurz WinSock bezeichnet. Zurzeit liegen zwei Spezifikationen der WinSock vor: Version 1.x, eine 16-Bit Implementierung für Windows 3.11 und Windows 95 bzw. Windows NT 3.51/4 und Version 2, eine 32-Bit Implementierung, die zur Zeit nur für Windows NT/2000/XP bzw. als Update für Windows 95/98 zur Verfügung steht. Beide Versionen werden in Abbildung 1 neben einander gestellt. Diese Abbildung zeigt die Windows Open Service Architecture (WOSA) und verdeutlicht die Schnittstellen der WinSock-Architektur. Das WinSock 2 API ist die Schnittstelle zu den höher liegenden Anwendungen. Es stellt eine einheitliche Spezifikation für die Anwendungsentwickler zur Verfügung, ohne dass genaue Kenntnisse über die vom Betriebssystem eingesetzte Protokollsoftware vorhanden sein müssen. Nach unten zur Protokollsoftware existiert genauso eine definierte Schnittstelle, damit die Protokollsoftware austauschbar ist und vom Anwender genutzt werden kann, ohne dass spezielle Kenntnisse zum Einsatz dieser Software vorhanden sein müssen. Die Schnittstelle zur Protokollsoftware bezeichnet man als WinSock 2 SPI. 2 Man versteht dieses als Protocol Stack API. Unter dem Betriebssystem Windows stellt die Datei ws2_32.dll die Schnittstelle für die Anwendung dar. 3 Unterhalb der Software für die Transport- bzw. Internet-Schicht befinden sich das Hardware Driver API, um auf die Hardware Treiber und auf die unteren Schichten zum Netzwerkzugang zugreifen zu können. Da die Windows-APIs in der Programmiersprache C geschrieben sind, werden bei der Codierung unter Delphi die Visual Component Library (VCL) verwendet, welche die WinSock-Funktionen kapseln und für den Aufruf in Delphi zur Verfügung stellen. WinSock 1.1 API Protocol Stack API Hardware Driver API Hardware Interface WinSock 1.1 Anwendung winsock.dll (16 bit) wsock32.dll (32 bit) Protokollsoftware z.b. TCP/IP WinSock 2 Anwendung ws2_32.dll (32 bit) Hardware Driver, Packet Driver Network (Hardware) Interface Netzwerk Abbildung 4: WinSock Architektur WinSock 2 API WinSock 2 SPI Aufgrund der Kapselung ist die Programmierung von Socketanwendungen einfacher als beispielsweise bei einer klassischen C- Programmierung. 2 SPI: Service Provider Interface 3 Dies gilt für NT 4 bzw. WinSock

5 5. Socketprogrammierung unter Delphi Delphi ist eine mächtige visuelle Programmierumgebung, die es (auf einfache Art) erlaubt anspruchsvolle Programme für Windows- Betriebsysteme zu entwickeln. Die Syntax der Programmiersprache ist Pascal ähnlich. Da Sie keine oder wenig Erfahrung mit dieser Programmiersprache haben, werden wir vor der Durchführung der eigentlichen Praktikumsaufgabe eine kleine Einführung in Delphi geben. Wie bereits erwähnt kapselt Delphi die WinSock Funktionen. So hat Delphi beispielsweise bereits fertige Komponenten (TClientSocket, TServerSocket), die die Funktionalität eines ClientSockets respektive eines Serversockets enthalten. Die Arbeitweise mit solchen Komponenten ist denkbar einfach. Delphi basiert auf dem Prinzip einer Arbeitsfläche (so genanntes Formular). Auf diese Formular können verschiedene grafische, als auch nicht grafische Komponenten einfach platziert werden. Die Komponenten werden innerhalb einer Registerkarte selektiert und können dann via Mausklick auf dem Formular abgelegt werden. ClientSocket und ServerSocket sind auf dem Formular noch die Buttons Listen und Verbinden platziert. Abbildung 6: Formular des Beispielcodes Nachfolgend wird der generelle Ablauf der Client Server Kommunikation anhand von Beispielcode erläutert. Der Ablauf der Kommunikation auf Client- und Serverseite wird in Abbildung 7 dargestellt. Anhand der Abbildung ist der zeitliche Ablauf abzulesen. Server Client (1) Listen Adresse zuweisen Port zuweisen (2) Open Komponente Client Socket Komponente Server Socket Abbildung 5: Registerkarte Internet Dieses Verfahren gilt für alle Komponenten. Des weiteren hat jede dieser Komponenten eine Vielzahl von Eigenschaften, die während der Entwicklungszeit manipuliert werden können. Ein weitere Eigenschaft dieser Komponenten sind die Ereignisse, die mit ihnen verbunden sind. So besitzt beispielsweise eine Schaltfläche das Ereignis OnClick. Das heißt, wird während der Laufzeit ein Button angeklickt, so wird die Prozedur aufgerufen, die dem OnClick-Ereignis dieser Schaltfläche zugeordnet ist. Die nachfolgende Abbildung 6 zeigt das Formular, wie es für den folgenden Beispielcode erstellt wurde. Neben den Komponenten (3) (5) Get Socket Client Connect Read Disconnect Connect Write Disconnect Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der Socketkommunikation Die einzelnen Schritte werden durch den Quellcode erläutert. Damit die Methoden, Prozeduren und Eigenschaften der Socketkommunikation (4) (6) 9 10

6 dem Programm zur Verfügung stehen, wird aus dem Register Internet der Visual Component Library (VCL) die Komponente ServerSocket für das Serverprogramm bzw. die Komponente ClientSocket für das Clientprogramm auf das entsprechende Formular gebracht. Zunächst muss auf der Serverseite der Port zum Empfang von Daten geöffnet werden. Das Öffnen des ServerSockets wird mit Delphi wie folgt durchgeführt. Es wird ein Button Listen auf das Formular gezogen, Durch das Anklicken des Buttons wird die Prozedur ListenClick aufgerufen, die der ServerSocket-Komponente ein Port zuweist und den Port aktiviert. Für jeden Port muss eine separate ServerSocket- Komponente auf das Formular gesetzt werden. Die ServerSocket- Komponente kann jeweils nur einen Port verwalten. procedure TForm1.ListenClick(Sender: TObject); ServerSocket.Port := 1111; ServerSocket.Open; Danach kann eine Verbindung vom Client zum Server aufgebaut werden. Auch hier wird auf der Clientseite zunächst ein Button auf das Formular gezogen und mit dem Namen Verbinden beschriftet. Durch Anklicken des Button wird die Prozedur VerbindenClick aufgerufen. In dieser Prozedur werden dem ClientSocket die erforderlichen Daten zugewiesen. procedure TForm1.VerbindenClick(Sender: TObject); ClientSocket1.Address := ; ClientSocket1.Port := 1111; ClientSocket1.Open; Nachdem beim Server für den Verbindungswunsch des Clients ein neuer Socket erstellt wurde (3), wird dem Client der Verbindungsaufbau bestätigt. Beim ClientSocket wird zur Bestätigung des Verbindungsaufbaus das Ereignis OnConnect und damit die Prozedure ClientSocket1Connect aufgerufen. Durch dieses Ereignis gesteuert, können nun Daten vom Client zum Server gesendet. Daten können nun über die Verbindung ausgetauscht werden. (1) (2) Procedure TForm1.ClientSocket1Connect(Sender: TObject; Socket: TcustomWinSocket); ClientSocket1.Socket.SendText( Hallo ); Da die Socket für die verwendete Verbindung als Parameter übergeben wird, hat die folgende Prozedur die gleiche Wirkung. procedure TForm1.ClientSocket1Connect(Sender: TObject; Socket: TcustomWinSocket); Socket.SendText( Hallo ); Diese Schreibweise hat den Vorteil, dass die Ereignisprozedur von mehreren Komponenten verwendet werden kann, da die Anweisung nicht vom Namen der Komponente abhängig ist. Was das bedeutet wird im Rahmen des Praktikums näher erläutert. Erreichen die vom ClientSocket gesendeten Daten den ServerSocket, wird das Ereignis OnClientRead der ServerSocket-Komponente aufgelöst. procedure TForm1.ServerSocket1ClientRead(Sender: Tobject; Socket: TCustomWinSocket); var EmpfangenerText : string; EmpfangenerText := Server- Socket1.Socket.Connections[0].ReceiveText; Der Variable EmpfangenerText wird der Text, der durch den Server- Socket empfangen wird, zugeordnet und kann zur weiteren Verarbeitung genutzt werden. (4) (4) (5) 11 12

7 Auch hier wird der Socket, der das Ereignis ausgelöst hat, als Parameter übergeben. Die Prozedur kann daher auch so formuliert werden: procedure TForm1.ServerSocket1ClientRead(Sender: Tobject; Socket: TCustomWinSocket); var EmpfangenerText : string; EmpfangenerText := Socket.ReceiveText; Diese Schreibweise hat den Vorteil, dass die Server-Komponente nicht auf eine Verbindung beschränkt ist und mehrere Clients verarbeiten kann. (5) Aufgaben Bevor wir uns mit den eigentlichen Aufgaben beschäftigen, werden wir uns zunächst zwei einfache Beispielprogramme anschauen, die mit Delphi erstellt wurden. Starten Sie dazu auf dem Server bzw. auf dem Client Delphi (Start->Programme->Delphi). Nach dem Programmstart klicken Sie nun auf Datei->Öffnen. Auf dem Server wählen Sie bitte das Projekt: d:\netlab\p5\server\server.dpr. Auf dem Client wählen Sie bitte das Projekt: d:\netlab\p5\client\client.dpr. Drücken Sie nun die Taste F9. Auf dem Client bzw. dem Server sollten die folgende Fenster zu sehen sein. Schreibt der ClientSocket Daten in die Socket-Verbindung, wird das Ereignis OnWrite der ClientSocket-Komponente ausgelöst. Wurden die Daten an das ServerSocket übertragen, kann die Verbindung zum Server abgebaut werden. procedure TForm1.ClientSocket1Write(Sender: TObject; Socket: TCustomWinSocket); ClientSocket1.Close; (6) Auch hier kann die Anweisung in der Prozedur wie folgt formuliert werden: procedure TForm1.ClientSocket1Write(Sender: TObject; Socket: TCustomWinSocket); Socket.Close; (6) 13 14

8 Aufgabe 1 Versuchen Sie eine Verbindung zwischen den beiden Programmen herzustellen. Überlegen Sie dazu, welche Eingaben in welcher Reihenfolge gemacht werden müssen. Notizen: Hinweis: Bevor wir mit den eigentlichen Aufgaben fortfahren, werden die Delphi-Programmierumgebung und die Beispielprogramme ausführlich erläutert, so dass Sie anschließend in der Lage sein werden die nachfolgend aufgeführten Aufgaben zu lösen. Aufgabe 2 Erweitern Sie den Client so, dass er direkt nach dem er eine Verbindung zum Server aufgebaut hat. Den String Client Request an den Server schickt. Aufgabe 3 Erweitern Sie den Server so, dass er, falls er den String Client Request erhält, mit dem String Server Answer antwortet. Aufgabe 3 Erweitern Sie den Server so, dass er nur Verbindungen von Ihrem Client annimmt und aufrecht erhält. Alle anderen Clients sollen den String service not available als Antwort erhalten

9 Literatur: W.Richard Stevens: Unix Network ProgrammingV(Volume 1), Prentice-Hall, zeigt, wie man Sockets mit C programmiert. 17

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