Die Infrastruktur des Internets. Aaron Oesch

Transkript

1 Aaron Oesch

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Organisationen im Internet Internet Service Provider (ISP) Carrier Internet Exchange Point (IXP) Benutzer Hardware Leitungen Kupferkabel Glasfaser Switches, Hubs Router Medienkonverter Firewall Weitere Hardware Physikalische Vernetzung Vernetzung ISP und ISX Internationale Verbindungen Unterwasserleitungen Anhang Quellenverzeichnis Glossar /12 Aaron Oesch

3 1. Einführung Das Internet ist heute kaum wegzudenken. Das Internet hat eine vielseitige Aufgabe als Informationsquelle, Datenbank, Kommunikationsmittel usw. Unzählige Menschen sind täglich im Internet unterwegs und nehmen die Existenz des Internets als Selbstverständlichkeit wahr. Ein Notebook kann man heute einfach einstecken, um dann auf Server auf der ganzen Welt zuzugreifen. Es können Informationen gesammelt werden, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Oder es kann eine Nachricht um den ganzen Globus gesendet werden. Doch was steckt hinter diesem riesigen Netz? Ich habe dieses Thema vor allem gewählt, weil ich einmal anschauen wollte, wie das Internet denn ganz genau funktioniert. Welche Personen und Organisationen sind beteiligt? Welche Hardware wird eingesetzt? Diese Dokumentation soll zeigen, was hinter dem Internet steckt. Den normalen Nutzern ist es oftmals nicht klar, wie dies genau funktioniert. Die folgenden Kapitel werden zeigen, wie das Internet genau aufgebaut ist und welche Hardware benutzt wird. Alle unterstrichenen Wörter werden im Glossar (5.2) erklärt /12 Aaron Oesch

4 2. Organisationen im Internet 2.1 Internet Service Provider (ISP) Ein Internet Service Provider (meist nur Provider genannt) bietet in der Regel gegen Geld verschiedene technische Leistungen an, die für die Nutzung oder den Betrieb von Internet-Diensten erforderlich sind. Die Leistungen werden grob in zwei Bereiche unterteilt: Hosting und Zugang. Nur wenige ISP decken beide Bereiche komplett ab. Die meisten, insbesondere kleinere Internetdienstanbieter, beschränken sich auf sehr kleine Teilbereiche. Grössere Provider bieten hingegen einzelne Produkte an, die Leistungen aus beiden Bereichen umfassen. Die wichtigsten Leistungen im Bereich Hosting sind Registrierung und Betrieb von Domains, Vermietung von Webservern und Vermietung von Platz in einem Rechenzentrum inklusive Internet-Anbindung, Strom- und Notstromversorgung usw. In der Schweiz gehören Unternehmen wie web4business, tower7, green, usw. dazu. Die wichtigste Leistung der ISP ist die Bereitstellung von Wählverbindungen (56kbit, ISDN), Breitbandzugängen (ADSL, DSL) und Standleitungen. Diese Provider werden Access-Provider genannt. Die bedeutendsten Access-Provider in der Schweiz sind Bluewin (Swisscom), Sunrise, Tele2 und green. 2.2 Carrier Carrier stellen die Verbindung zwischen den einzelnen Organisationen im Internet zu Verfügung. Sie betreuen also das (Glasfaser-) Netz zwischen den einzelnen Organisationen im Internet. Die Carrier sind dann für die gesamte Hardware (Leitung, Switches, usw.) verantwortlich. Grosse Accessprovider wie die Deutsche Telekom agieren selber als Carrier. Andere Carrier stellen privaten Haushalten Breitbandverbindungen zur Verfügung. Daher gibt es nicht immer eine klare Abgrenzung zwischen ISP und Carrier. In der Internet-Boomphase verlegten die Carrier in ganz Europa tausende Kilometer Glasfaserkabel. Die Carrier wollten für zukünftige Aufgaben des Internets wie Internettelefonie und TV über Internet gerüstet sein. Danach kam es zum Börsencrash und der erwartete Andrang auf die Fasern blieb aus. Wegen deren Überangebot sanken die Preise in den Keller. Zahlreiche (grössere) Carrier gingen Konkurs und mussten ihr Netz verkaufen. Heute werden kaum noch Leitungen neu verlegt, sondern grösstenteils geleast oder gemietet. Um eine einigermaßen flächendeckende Versorgung mit seinem Backbone-Netz zu gewährleisten, muss ein IP-Carrier zumindest in allen relevanten Grossstädten vertreten sein. Dazu betreiben die Unternehmen so genannte Points of Presence (PoP). In diesen Punkten schalten sie ihre Glasfasern zusammen. Von dort aus führen sie ausserdem IP- Leitungen zu ihren Kunden. Die PoPs fungieren innerhalb des Netzwerks eines Carriers als Drehscheibe. Hier kommen die beleuchteten Fasern aus der Erde. IP-Daten werden umgepackt und je nach Richtung in elektronische oder optische Signale gewandelt. Kernstück dieser Drehkreuze ist Hardware von Austattern für optische Signalübertragung, also beispielsweise von /12 Aaron Oesch

5 Nortel, Lucent oder Alcatel. Transmitter und optisch-elektrische Wandler (OE-Konverter) machen aus digitalen, elektrischen Impulsen Lichtwellen und umgekehrt. Für die Carrier ist es extrem wichtig, dass sie möglichst viele Verbindungen mit der Konkurrenz haben. So erreichen die Daten schneller ihr Ziel und die Carrier können Kosten sparen. Inoffiziell teilen sich die Unternehmen in Tier -Klassen ein (englisch tier = Stufe). Als Tier 1 gilt, wer über eigene, weite Glasfaserstrecken mit nationaler, besser globaler Ausdehnung hat und mit jeder Menge anderer Carrier Beziehungen pflegt. Tier-2-Anbieter sind deutlich kleiner, und Tier-3-Anbieter verfügen über ein regional beschränktes Glasfasernetz. Diese Definitionen lassen den Carriern jede Menge Raum für Streitigkeiten untereinander. Zu Streitigkeiten kommt es vor allem dann, wenn es um die Finanzierung von Austauschknoten geht. 2.3 Internet Exchange Point (IXP) Die Internet Exchange Points sind Internet Knoten in der ganzen Welt. Teilweise werden diese auch als GIX (Global Internet Exchange) bezeichnet. Diese Internetknoten verbinden mehrere MANS, WANS und GANS. An die Internetknoten sind meistens mehrere kommerzielle ISP s angeschlossen. Die Internetknoten sind untereinander verbunden (Backbones) und bilden im Verbund das Internet. Weltweit existieren ca. 108 Internetknoten von denen sich 60 in den USA und 24 in Europa befinden. Die wichtigsten IXP Europas befinden sich in London, Paris, Amsterdam und Frankfurt. Der Internet-Verkehr der Schweiz wird grössten Teils über Frankfurt und Paris abgewickelt. In der Schweiz gibt es ein IXP (SwissIX). In Frankfurt befindet sich das DE-CIX. Über diesen Punkt werden ca. 85% des deutschen Internetverkehrs abgewickelt. Es ist in 3 Gebäude untergebracht und an ihm sind zurzeit 141 Carrier und andere Organisationen angebunden. Das DE-CIX ist seit 1995 in Betrieb und hat momentan eine Transferrate von 30 Gbit/Sekunde. Diese Zahl verdoppelt sich etwa alle 14 Monate. Das DE-CIX wird vom deutschen Verband eco betrieben. Zurzeit sind 3 Cisco-Switches des Types Catalyst 6509-NEB-A in Betrieb. Diese Geräte kosten je über 100'000 Euro. 100-MBit/s-Ethernet-Port erhalten Provider für 1000 Euro monatlich plus 500 Euro Anschlussgebühr. Ein weiterer Port wird mit 334 Euro berechnet. Für einen 1-GBit/s-Port müssen die Carrier 1667 Euro pro Monat plus einmalig 1000 Euro bezahlen. 2.4 Benutzer Der letzte und wichtigste Teilnehmer im Internet ist schliesslich der Benutzer. Dieser kann in einem Firmennetz oder von einem privaten Haushalt aus auf das Internet zugreifen. Er hat dazu verschiedene Möglichkeiten: Netz Telefonnetz Mobilnetz TV-Netz Arten ADSL (DSL), ISDN, Analog GSM, UMTS TV-Modem Private Haushalte sind meistens an einen ISP angeschlossen. In der Schweiz ist ADSL und ISDN verbreitet. Eine 600 KBit-Leitung ist ab CHF 45.- pro Monat erhältlich. Unternehmen haben vielfach eine Standleitung gemietet oder verlegt /12 Aaron Oesch

6 3. Hardware 3.1 Leitungen Kupferkabel Kupferkabel und Ethernet-Kabel werden heute mehrheitlich für die letzten Meter zwischen Internet und Benutzer verwendet. Die Kabel werden als Verbindung vom Switch/Router zum Rechner des Users verwendet. Daher findet man Kupferkabel praktisch nur noch in Inhouse-Verkabelungen. Sobald grössere Strecken zurückgelegt werden müssen, wird nicht mehr auf Ethernet gesetzt. Die Ethernet-Verkabelungen stammen teilweise noch von früher als es noch keine anderen Möglichkeiten gab. Die Ethernet-Technik ist sehr günstig. Kupferkabel kommen heute auch noch bei ADSL-Verbindungen zum Einsatz Glasfaser Aufbau und Funktionsweise Das Glasfaserkabel besteht aus drei Teilen. Den Kern, den Mantel und die Beschichtung. Der Kern besteht aus hochtransparenten Glasfasern aus reinstem Quarz. Er überträgt das Signal. An den Enden des Kabels werden Lichtstrahlen in das Kern eingespeist. Die Strahlen werden vom Mantel reflektiert und so weitergeleitet (siehe Bild unten). Dabei ist unter Licht nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettlicht zu verstehen, das je nach Material auch durch die Glasfasern übertragen werden kann. Der Mantel ist auch lichtführend, hat jedoch eine niedrige Brechzahl als der Kern. Die Beschichtung ist ein Schutz vor mechanischer Beschädigung aus speziellem Kunststoff. Ohne die Beschichtung würde es zu Mikrorissen kommen. Um mehr Bandbreite aus einer Faser herhauszukitzeln, hat sich das Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) durchgesetzt. Dabei werden mehrere Signale parallel in den Lichtwellenleiter eingespeist (Multiplex-Verfahren). Wo das Licht das Kabel wieder verlässt, werden die auf Wellenlängen aufgesplitteten Signale wieder getrennt (Demultiplex). Pro Wellenlänge und Faser lassen sich Bitraten von 1 GBit/s bis 40 GBit/s erreichen. DWDM macht theoretisch Bandbreiten von weit über 1 TBit/s möglich, die aber zurzeit niemand braucht /12 Aaron Oesch

7 Verwendung Glasfasern werden vor allem für weite Strecken mit hoher Bandbreite verwendet. Mit Singlemode-Fasern können Strecken bis ca. 15'000 km ohne Unterbruch überbrückt werden. Zudem kommen Glasfasern heute in fast jedem grösserem Netzwerk zum Einsatz. Zum Beispiel für eine Verbindung zwischen zwei Servern. Häufig werden Glasfasern für die Vernetzung von verschiedenen Gebäuden verwendet. Nicht genutzte Glasfaser bezeichnet man als Dark Fibre, da bei unbenutzten Glasfasern keine Lichtsignale übertragen werden. Die Faser (Fibre) ist dann dunkel (dark). Glasfaser Vor- und Nachteile Vorteile hohe Übertragungsraten (Gigabit- bis Terabit-Bereich) sehr grosse Reichweiten (Normalkabel: mehrer hundert Kilometer) geringe Kosten pro übertragenes Bit keine Beeinflussung elektrischer/elektromagnetischer Störrfelder keine Erdung nötig kann in explosionsgefährdeten Umfeld verlegt werden Nachteile hohe Kosten und grosser Aufwand für die Verlegung empfindlich gegenüber mechanischer Belastung teure Hardware 3.2 Switches, Hubs Switches können verschiedene Computer oder Netzwerksegmente verbinden. Der Vorteil eines Switches besteht darin, dass die einzelnen Ports unabhängig voneinander Daten senden und empfangen können. Switches werden vor allem in der Ethernet-Verkabelung eingesetzt. Es gibt auch Glasfaser-Switches und Glasfaser- Hubs. Dagegen ist der Hub ein dummer Switch, der immer nur ein Datenpaket passieren lässt. Hubs wissen auch nicht, welche Stationen wo angeschlossen sind. Deshalb sollte man Hubs da einsetzen wo wenig Datenmengen anfallen. Bei einer Hub zu Hub Verbindung darf Twistet-Pair Kabel eine maximale Länge von 5m nicht überschreiten, beim Switch dagegen sind es 100m. 3.3 Router Ein Router ist ein Vermittlungsrechner, der in einem Netzwerk dafür sorgt, dass bei ihm eintreffende Daten eines Protokolls zum vorgesehenen Zielnetz weitergeleitet werden. Router kommen heute in Firmennetzwerken wie auch in privaten Haushalten zur Verwendung. Mit einem Router können sich mehrere Benutzer gleichzeitig im Internet befinden. Der Router übernimmt teilweise auch Spezialfunktionen im Netz. Zum Beispiel fungiert er als DHCP-Server oder als Firewall. In vielen privaten Haushalten mit ADSL kommt ein Router zum Einsatz /12 Aaron Oesch

8 Die Hochgeschwindigkeitsrouter im Internet sind heute auf das Weiterleiten von Paketen optimierte Geräte mit mehreren Gigabit Durchsatz pro Sekunde. Die benötigte Rechenleistung pro weitergeleitetem Paket ist sehr gering. Solche Router kommen in Rechenzentren zum Einsatz. Früher war es üblich, normale Rechner als Router zu benutzen, wobei das Routing dann in der Software implementiert war. 3.4 Medienkonverter Medienkonverter dienen zur Verbindung zwischen Glasfaserkabeln und Kupferkabeln. So kann z.b. eine Glasfaserleitung in eine Ethernet-Leitung umgewandelt werden. Dies ist vor allem praktisch wenn die Ethernet Technik durch die Glasfasertechnik abgelöst werden soll. Medienkonverter dienen als Verbindungsglied zwischen Switches, Hubs, Routern und auch Servern. 3.5 Firewall Firewalls sitzen an den Schnittstellen zwischen den einzelnen Netzen und kontrollieren den Datenverkehr zwischen den Netzen, um unerwünschten Verkehr zu verhindern und nur den gewünschten Verkehr weiterzuleiten. Der häufigste Einsatz einer Firewall besteht darin, den Verkehr zwischen einem lokalen Netz und dem Internet zu kontrollieren und zu steuern. Umgangssprachlich wird vieles als Firewall bezeichnet. Man muss jedoch zwischen dem Sicherheits-Konzept Firewall und den Hauptbestandteilen (Hard- und Software) unterscheiden. Zudem muss zwischen Software-Firewalls und Hardware- Firewalls unterschieden werden. Die Hardware ist nur für das Senden/Empfangen der Daten zuständig, die Software regelt aber den Verkehr (Was wird durchgelassen? Was wird nicht durchgelassen?). Beispiel Ein Unternehmen möchte für ihre Arbeitsstationen den Internetzugang ermöglichen. Da sich auf den Stationen aber sensible Daten befinden, muss das Netzwerk geschützt sein. Dies wird anhand einer Firewall realisiert. Geschütztes Netzwerk Firewall Internet 3.6 Weitere Hardware Darüber hinaus gibt es noch zusätzliche spezielle Hardware: So kommen noch Server aller Art, Konverter und Switches zum Einsatz. Diese Hardware ist sehr unterschiedlich und kann von Netzwerk zu Netzwerk stark variieren /12 Aaron Oesch

9 4. Physikalische Vernetzung 4.1 Vernetzung ISP und ISX Backbone PoP Paris New York London Die ISP und ISX sind untereinander vernetzt. Die Verbindung von ISP (oben Bluewin) zu einem anderen ISP (oben green) wird mit einer Backbone-Leitung hergestellt. Von jedem ISP geht eine Leitung zu einem IXP (oben DE-CIX). Vom DE-CIX gehen die Leitungen zu den anderen grossen Internetknoten rund um den Globus. Für die Bereitstellungen und den Unterhalt dieser Leitungen sind die IP-Carrier verantwortlich. Weil dies sehr teuer ist, übernehmen vielfach nationale Telekommunikationsunternehmen diese Aufgabe. In Deutschland verwaltet die Deutsche Telekom einen Teil des deutschen Backbone-Netzes. In der Schweiz hat die Swisscom ein Monopol. Die anderen Provider müssen dem Backbone-Betreiber Gebühren für die Nutzung bezahlen. Die IXP sind untereinander verbunden. Dieser Verbund stellt den wichtigsten Teil des Internets dar. Die grössten Internetknoten befinden sich in London, Paris, New York, Hong-Kong und Frankfurt (Grafik unten). New York Paris London Hong-Kong Frankfurt /12 Aaron Oesch

10 4.2 Internationale Verbindungen Da das Internet weltumspannend ist, muss es auch Verbindungen zwischen den einzelnen Kontinenten geben. Diese verbinden die einzelnen Internet-Knoten zwischen den Städten. Es gibt unzählige Glasfaserverbindungen die z.b. zwischen Europa und Amerika liegen. Der grösste Internet-Verkehr findet zwischen Europa und Amerika statt, da sich auf diesen Kontinenten auch am meisten Internet-Knoten befinden. Im Jahr 2004 wurden auf dieser Strecke durchschnittlich Mb/Sekunde gemessen. Dies entspricht also etwa 63 GB pro Sekunde (Grafik unten). Auf der ganzen Welt gibt es ein Netzwerk von Glasfaserverbindungen, welche die Kontinente und Städte miteinander verbinden. Das dichteste Netz findet man in Europa und in den USA. Das engste Glasfasernetz findet man in den USA an der Ostküste. Der grösste Teil der Verbindungen nach Europa gehen über die Städte New York und Washington. In Europa bilden die Städte Frankfurt, London und Paris das Zentrum. In diesen Städten befinden sich auch die Internetknoten. Die wichtigsten Verbindungen durch die Schweiz sind Zürich Genf und Zürich Tessin /12 Aaron Oesch

11 Auf der Grafik oben wird das weltweite Glasfaser-Netz gezeigt. Der gesamte Internet- Verkehr zwischen Europa und Asien läuft über Amerika. Auf dem Weg durch den Lichtwellenleiter wird das Signal schwächer. Deshalb müssen die Carrier etwa alle hundert Kilometer das Kabel aus seinem unterirdischen Bett holen um das Signal aufzufrischen. Dazu bauen sie Repeaterstationen, die mit optischen Faserverstärkern (Erbium Doped Fiber Amplifer, EDFA) ausgestattet sind. Je nach Bedarf wird dabei am Streckenpunkt eine Abzweigung eingerichtet, um in der entsprechenden Region Kunden mit IP-Kapazität versorgen zu können oder IP-Daten mit benachbarten Transporteuren auszutauschen. Die Repeaterstationen kommen meist in Containern unter. Wo ein Glasfaserkabel aus dem Boden kommt, frischt jeder Carrier, der darauf Fasern hat, sein eigenes Signal auf. Das führt dazu, dass oft mitten auf der grünen Wiese ganze Containersiedlungen anzutreffen sind. 4.3 Unterwasserleitungen Die Kontinente sind durch Glasfaserkabel verbunden. Diese sind durch die Meere im Wasser verlegt. Diese Unterwasserleitungen haben einen bestimmten Aufbau: Die Verbindung bestehen aus drei Hauptteilen. Zwei davon befinden sich an Land und stellen den Sender- bzw. Empfänger dar. Der dritte Teil ist die eigentliche Verbindung zwischen den Landstationen. Die Daten werden mit 3 Laser ins Kabel eingespeist. In der Verbindung selber sind Repeater installiert, welche das Signal auffrischen. Es kann auch Verzeigungen geben /12 Aaron Oesch

12 5. Anhang 5.1 Quellenverzeichnis Wikipedia, die freie Internet-Enzyklopädie Holger Bleich, Die Bosse der Fasern, ct International Voice & Carrier Report and Database Lichtwellenleiter (Glasfaser) und Twisted Pair im Ethernetnetzwerk Glossar Backbone (engl. Rückgrat) Hochgeschwindigkeits-Verbindung zwischen zwei zentralen Punkten im Netzwerk. Zentraler Bereich eines Netzwerkes. Zum Beispiel Verbindung zwischen zwei Servern oder zwei Rechenzentren. Internettelefonie Telfonie über das Internet anstatt über das normale Telefonnetz. Die Sprachinformationen werden mit dem IP-Protokoll übertragen. Netzwerksegmente Teil eines Netzwerkes. Zum Beispiel alle Computer, die an einem bestimmten Switch angeschlossen sind. MANS, WANS und GANS MAN: Metropolitan Area Network. Breitbandiges Netzwerk innerhalb einer Grossstadt. WAN: Wide Area Network. Grossräumiges Netzwerk (bekanntestes Beispiel: Internet). GAN: Global Area Network. Weltweites Netzwerk. Zum Beispiel Vernetzung weltweiter Standorte einer Firma. Standleitung Permanente Datenverbindung mit dem Netzbetreiber (ISP). Die Verbindung steht immer zur Verfügung, daher kein Einwahlverfahren. Ein (A)DSL-Anschluss kann auch als Standleitung bezeichnet werden. Eine Standleitung muss gemietet werden /12 Aaron Oesch