Thema: Netzwerke Referat: Simon Walz 11D 1. EINFÜHRUNG

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1 Thema: Netzwerke Referat: Simon Walz 11D 1. EINFÜHRUNG Die Idee von der Informationsübertragung ist sehr alt. Bereits die Indianer verständigten sich mit Rauchzeichen und mit Trommeln über die Ferne. Auch den Briefverkehr kann man informationstechnisch beschreiben: Der Sender verwendet Stift und Papier, um seine Information zu übermitteln. Weitere Beispiele für allgemein bekannte Kommunikationssysteme sind die Telefon-, Fernseh- und Rundfunkübertragung. Genauso dienen Computernetze, die heute allgemein als Netzwerke bezeichnet werden, der Informationsübertragung (Datenübertragung). Als die ersten Computer in den Unternehmen zum Einsatz kamen, waren dies Einzelgeräte (Standalone-Geräte). Diese Computer wurden getrennt und unabhängig voneinander betrieben. Mit dem zunehmenden Einsatz weiterer Computer zeigte sich bald, dass dies vielfach nicht die optimale Lösung darstellte. So mussten Peripherie-Geräte, wie z.b. Drucker in der Regel für jeden Computer angeschafft werden. Insbesondere war aber der Datenaustausch untereinander sehr umständlich, da dieser mit Datenträgern, wie Disketten stattfinden musste. Scherzhaft sagte man dazu auch Turnschuhnetz (sneaker net). Viele Unternehmen erkannten recht bald, dass mit der Einrichtung von Netzwerken viel Geld eingespart werden konnte und so die Produktivität erhöht wurde. 2. DATENNETZE Eine der ersten Netzwerklösungen waren lokale Netze (LANs). LAN ist die Abkürzung für "Local Area Network" und heißt so viel wie Lokales Netzwerk. Da mit LANs alle Arbeitsstationen, Peripheriegeräte, Terminals und anderen Geräte in einem Gebäude miteinander verbunden werden konnten, ermöglichten sie den gemeinsamen Zugriff auf Dateien und Drucker in einem Unternehmen. Lokale Netzwerke betreffen immer einen räumlich begrenzten Bereich an einem Standort, wie z.b. das Schulnetz der Lichtenbergschule, ein Netzwerk für eine Firma oder das kleine Netzwerk zu Hause. Die wichtigsten Geräte, die zum Aufbau eines LAN erforderlich sind, sind beispielweise Netzwerkkarte, Hub, Workgroup- oder LAN-Switch und Router. Eine Weiterentwicklung des LAN stellt das WLAN dar. Es steht für Wireless Local Area Network und heißt auf Deutsch drahtloses lokales Netzwerk. In den letzten Jahren wurde besonders diese Technologie weiter entwickelt. (Spezialgeräte: Access-Point, Wireless-Netzwerk-Adapter) Da in Unternehmen immer mehr mit Computern gearbeitet wurde, war bald klar, dass auch LANs auf lange Sicht nicht ausreichen würden. Mit vereinzelten LANs war jede Abteilung und jedes Unternehmen eine kleine Insel. Es wurde eine Möglichkeit benötigt, Daten schnell und effizient nicht nur innerhalb eines Unternehmens, sondern auch zwischen Unternehmen austauschen zu - 1 -

2 können. Es wurden also Stadtnetze - Metropolitan Area Networks = MANs - und Weitverkehrsnetze (WANs) angelegt. Da WANs die Netzteilnehmer eines großen geographischen Gebietes verbinden konnten, konnten jetzt auch Unternehmen über große Entfernungen hinweg miteinander kommunizieren. WAN ist (entsprechend zu LAN) die Abkürzung für "Wide Area Network" und heißt auf Deutsch dann Weitverkehrsnetz. Ein Beispiel für ein WAN ist das Internet. (Geräte: WAN-Switch, Router). Ethernet ist eine LAN-Spezifikation (LAN-Standard), die von den Firmen Xerox, Intel und DEC (Digital Equipment Corporation) gemeinsam entwickelt wurde. Ethernet-Netzwerke verwenden verschiedene Kabelarten mit einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s (z.b.: Koaxialkabel). Der Name "Ethernet" wird oft als Bezeichnung für alle lokalen Netze mit Kollisionserkennung verwendet. Fast-Ethernet ermöglicht eine zehnmal höhere Übertragungsrate von 100 Mbit/s als die o.g. Ethernet-Spezifikation. 3. KOMMUNIKATIONSARTEN Beim Aufbau eines Netzwerkes können unterschiedliche Aufbauarten realisiert werden. Die nachfolgend genannten Beispiele beziehen sich hierbei insbesondere auf die Bedeutung sowie die Aufgaben, die die einzelnen Computer übernehmen. Bei der Client-Server-Kommunikation bietet der Server einem Client seine Dienste an. Die Kommunikation findet dabei immer lediglich nur zwischen Server und Client statt. Soll z.b. eine im Netzwerk von Computer A zu Computer B übertragen werden, wird dieses vom Computer A zum Server und erst dann vom Server zum Computer B geschickt. Sowohl Computer A als Computer B besitzen keine Serverdienste zum Mailversand. Eine spezielle Form der Client-Server-Kommunikation ist der Thin-Client. Er ist ein Computer, der keine Festplatte, keine Diskettenlaufwerke, keine CD-ROM- Laufwerke und nur eine leistungsschwache CPU besitzt. Der Thin-Client funktioniert nur zusammen mit einem Server, da dieser dem Thin-Client alle Dienste zur Verfügung stellt. Der Thin-Client bekommt sein Betriebssystem (meistens WindowsCE oder Linux) von dem Server. Die CPU des Thin-Client hat eigentlich nur zwei Aufgaben während des laufenden Betriebes: 1. Tastatur- und Mausereignisse an den Server schicken. 2. Die vom Server fertig berechnete grafische Oberfläche anzeigen. Der Thin-Client kann alleine ohne Server nicht arbeiten. Die am meisten heute verwendete Kommunikationsart ist die Client-Server- Kommunikation. Einen Gegensatz dazu stellt die Peer-to-Peer-Kommunikation dar, indem die Computer direkt miteinander kommunizieren. Im o.g. Beispiel des - Versandes würde Computer A die direkt an Computer B versenden. Damit dieses funktioniert müssen beide Computer Serverdienste zum Mailversand besitzen. In den letzten Jahren hat die Peer-to-Peer-Kommunikation immer mehr an Bedeutung erlangt, insbesondere beim Filesharing. Filesharing ist die beliebteste Anwendung der Peer-to-Peer-Kommunikation. Die - 2 -

3 Netzwerkteilnehmer durchsuchen beim Filesharing gegenseitig ihre Festplatten, um an darauf gespeicherte Daten zu gelangen. Ein Peer-to-Peer-Netzwerk ist ein Netzwerk, indem nur Peer-to-Peer- Kommunikation stattfindet. Man kann sagen, dass ein Peer-to-Peer-Netzwerk ein Netzwerk ohne Server ist (wie das kleine Netzwerk zu Hause). 4. TOPOLOGIEN Die Topologie eines Netzwerkes ist die physische Anordnung von Computern und Kabeln (Netzwerkknoten und medien) innerhalb einer Netzwerkstruktur. Sie beschreibt damit wie die einzelnen Geräte miteinander verbunden sind. Eine sehr einfache Form ist die Bus-Topologie. Sie wurde in der Vergangenheit sehr oft eingesetzt. Ihr Vorteil ist der sehr einfache und kostengünstige Aufbau, bei dem alle Computer parallel an einen Strang angeschlossen werden können. Der damit verbundene Nachteil besteht darin, dass es zu einem kompletten Ausfall der Kommunikation im Netzwerk kommt, wenn an irgendeiner Stelle das Kabel getrennt wird (Kabelbruch). Beim Bussystem in darauf zu achten, dass die Enden der jeweiligen Stränge mit Endwiderständen beschaltet sind. Die Stern-Topologie ist heutzutage mit Abstand die beliebteste Topologie. Ihr Vorteil ist, dass sie einen erheblich höheren Datenverkehr zulässt. Kommt es hier zum Ausfall einer Kabelverbindung, dann kommt es lediglich zum Ausfall des daran angeschlossenen Computers. Der Nachteil besteht in dem höheren Aufwand, da alle Endgeräte direkt an das zentrale Gerät (Switch, Hub) angeschlossen werden müssen. Kommt es zum Ausfall des zentralen Gerätes funktioniert das gesamte Netzwerk nicht mehr. Die Ring-Topologie kommt bei der direkten Verbindung von Computern in der Regel nicht zur Anwendung. Sie wird z.b. zur Verbindung von Routern eingesetzt. Bei dieser Form wird Gerät A mit Gerät B und dieses wieder mit Gerät C usw. verbunden. Das letzte Gerät wird wieder mit dem ersten Gerät verbunden. Jedes Gerät benötigt dabei zwei Netzwerkschnittstellen. Der Vorteil ist dabei, dass bei Ausfall eines Kabels oder Gerätes das Netzwerk weiter betrieben werden kann. Bei Ausfall eines zweiten Kabels bzw. Gerätes wird das Netzwerk in zwei Teile geteilt. 5. VERKABELUNG Die Verkabelung dient der Verbindung aller Komponenten des Netzwerkes. Auch hier wird zwischen unterschiedlichen technischen Realisierungsformen unterschieden. Koaxialkabel und Twisted-Pair-Kabel werden beim Aufbau von LANs verwendet. Glasfaserkabel kommen hingegen bei WANs und bei der Vernetzung mehrerer LANs zum Einsatz. Koaxialkabel setzen sich aus einem hohlen, zylinderförmigen äußeren Leiter zusammen, der einen einzelnen inneren Kupferleiter umgibt, und bestehen somit - 3 -

4 aus zwei leitenden Elementen. Der Kupferleiter ist von einer Schicht flexibler Isolierung umgeben. Über dem Isoliermaterial befindet sich ein Drahtgeflecht aus Kupfer oder eine Metallfolie, die als zweiter Draht in der Leitung und als Abschirmung für den inneren Leiter fungiert. Bei LANs bieten Koaxialkabel eine Reihe von Vorteilen. Sie können mit weniger Signalverstärkern (Repeater) über längere Entfernungen zwischen Netzknoten verwendet werden als Twisted-Pair-Kabel. Bei Realisierung des Bustopologie kommt Koaxialkabel zum Einsatz. Die Kabel werden über BNC-Steckern mit den Geräten verbunden. Koaxialkabel sind preisgünstiger als Glasfaserkabel (100m: 25 ), und die Technik ist weitverbreitet. Der Nachteil besteht in der heutzutage recht langsamen Datenübertragungsgeschwindigkeit (10 Mbit/s). Sie werden seit Jahren zunehmend weniger eingesetzt. Beim Twisted-Pair-Kabel unterscheidet man zwischen zwei Arten: STP- und UTP- Kabel. Beide Arten können ohne Signalverstärker lediglich 100 Meter lang sein. Gegenüber dem Koaxialkabel weisen Twisted-Pair-Kabel eine größere Datenübertragungsgeschwindigkeit (10 bis 200 Mbit/s). Die Kabel werden mit RJ- 45-Stecker angeschlossen. ISDN verwendet den gleichen Stecker. Kabel mit abgeschirmten, paarweise verdrillten Adernpaaren (STP = Shielded twisted-pair cable) kombinieren die Techniken des Abschirmens, der Auslöschung und des Verdrillens von Drähten. Die einzelnen Adernpaare sind mit Metallfolie umwickelt. Die vier Adernpaare sind zusammen mit einem Metallgeflecht oder einer Metallfolie umgeben. Bei STP-Kabeln ist besserer Schutz gegenüber allen Arten von externen Interferenzen gewährleistet, sie sind jedoch teurer (100m: 55 ) und schwieriger zu verlegen als UTP-Kabel. STP-Kabel können ohne Signalwiederholung nicht so weit wie andere Netzmedien (Koaxialkabel, Glasfaser) verlegt werden. Mehr Isolierung und Abschirmung führen zusammen dazu, dass sich die Dicke, das Gewicht und die Kosten des Kabels wesentlich erhöhen. STP-Kabel kommen vor allem in Europa zum Einsatz. Ungeschirmte paarweise verdrillte Adernpaare (UTP = Unshielded twisted-pair) sind ein aus vier Adernpaaren bestehendes Kabel. Jeder der 8 einzelnen Kupferdrähte im UTP-Kabel ist mit Isoliermaterial umhüllt. Darüber hinaus sind die einzelnen Adernpaare miteinander verdrillt. Ungeschirmte paarweise verdrillte Adernpaare bieten viele Vorteile. Sie können problemlos installiert werden und sind preisgünstiger als andere Arten (100m: 40 ). Der Meterpreis für UTP-Kabel ist sogar günstiger als der für alle anderen Arten von LAN-Kabeln. Der wahre Vorteil liegt jedoch in der Kabeldicke. Da der externe Durchmesser von UTP- Kabeln sehr klein ist, benötigen sie weniger Platz in Kabelrohren als andere Kabelarten Glasfaserkabel sind Kabel, die das Übertragen von Licht ermöglichen. Verglichen mit anderen Netzwerkkabeln sind Glasfaserkabel teurer, sie sind jedoch nicht anfällig für elektromagnetische Störungen und bieten deutlich höhere Datenübertragungsraten als alle anderen beschriebenen Kabelarten (1000 Mbit/s und mehr). Glasfaserkabel übertragen im Gegensatz zu den o.g. Kabeln mit Kupferdrähten keine elektrischen Impulse. Stattdessen werden Signale, die für die einzelnen Bits stehen, in Lichtimpulse umgewandelt. Glasfaserkabel, die in Netzen verwendet werden, bestehen aus zwei Glasfasern, die von zwei voneinander getrennten Hüllen umgeben sind. Die Verlegung von - 4 -

5 Glasfaserkabeln erfordert einen höheren Aufwand als bei Kupferkabeln. Die Kabel werden mit Multimode-Steckern angeschlossen. In diesem Zusammenhang soll auf eine spezielle Form der Realisierung mittels Funknetzwerken hingewiesen werden, die sich im Bereich der lokalen Netzwerke immer stärker durchsetzen. Momentan besitzen solche Funknetzwerke eine Datenübertragungsrate von 11 Mbit/s. 6. PROTOKOLLE Damit Datenpakete in einem Netzwerk von einer Quelle an ein Ziel übertragen werden, müssen alle im Netz befindlichen Geräte dieselbe Sprache sprechen bzw. dasselbe Protokoll verwenden. Ein Protokoll besteht aus einer Reihe von Regeln, die eine effiziente Kommunikation in einem Netz ermöglichen. TCP/IP ist die bekannteste Protokollgruppe. Weitere verbreitete Protokolle, auf die ich nicht eingehen werde, sind zum Beispiel NetBIOS, IPx/SPx (für Novell) und AppleTalk (für Mac OS). TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ist der geläufige Name für die Protokollfamilie, die in den 70er Jahren vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt wurde, um den Aufbau weltweiter Netzwerke zu unterstützen. TCP und IP sind die beiden bekanntesten Protokolle dieser Familie. Heutzutage ist das TCP/IP-Protokoll das Standard-Protokoll für die Kommunikation im Internet. Das TCP/IP-Modell besteht aus vier Schichten. der Anwendungsschicht, der Transportschicht, der Internetschicht und der Netzzugangsschicht. Die Anwendungsschicht vereinigt alle anwendungsrelevanten Aspekte in einer Schicht und gewährleistet, dass die Daten ordnungsgemäß für die nächste Schicht gepackt werden. Die Transportschicht ist für Aspekte der Qualität der Übertragung zuständig, wie z. B. Zuverlässigkeit, Flusskontrolle und Fehlerbehebung. Die Aufgabe der Internet-Schicht besteht darin, Quellpakete aus einem beliebigen Netz innerhalb eines Internetworks sicher an ein Ziel zu übertragen, unabhängig vom gewählten Pfad und den verwendeten Netzen. Das für diese Schicht zuständige Protokoll wird Internet Protocol (IP) genannt. Auf dieser Schicht erfolgt die Ermittlung des optimalen Pfades (z.b. durchs Internet) und die Paketvermittlung. Der Name der Netzzugangsschicht ist sehr weit gefasst und ein wenig verwirrend. Diese Schicht ist für alle Aspekte zuständig, damit ein IP-Paket übermittelt werden kann. In diesem Zusammenhang benötigt jeder Computer in einem Netzwerk zum Übertragen von Daten eine IP-Adresse und eine Mac-Adresse. Die IP-Adresse ist - 5 -

6 die Zielangabe eines Datenpaketes, sie ist sozusagen die Telefonnummer des Computers an den das Datenpaket gesendet wird. Die IP-Adresse ist eine 32-Bit- Adresse, die einem Host zugewiesen wird, der TCP/IP nutzt. Eine IP-Adresse setzt sich aus vier Oktetten zusammen, die bei der Darstellung durch Punkte getrennt werden (AAA.AAA.AAA.AAA). Alle IP-Adressen, die mit "10.", mit "127.", und mit " " anfangen sind private Adressen. Das heißt, dass diese Adressen frei in Lokalen Netzen verwendet werden. Fast alle anderen IP- Adressen sind öffentliche IP-Adressen. Dieses bedeutet, dass diese IP-Adressen auf der ganzen Welt nur einmal vergeben werden dürfen. Meine IP-Adresse im lokalen Netzwerk heißt Die MAC-Adresse ist in der Netzwerkkarte fest einprogrammiert und lässt sich normalerweise nicht ändern. Sie ist 6 Byte lang. Jede MAC-Adresse gibt es weltweit nur einmal. Andere Geräte im Netzwerk verwenden diese Adressen, um die Netzwerkkarte im Netzwerk zu lokalisieren. Eine Beispiel für eine Mac- Adresse lautet: B-9D. Zur Übertragung von Datenpaketen durch das Internet oder Netzwerk werden die Informationen in einzelne Datenpakete aufgeteilt. Am Anfang eines jeden Datenpaketes steht als Zielangabe die IP-Adresse. Danach folgen die Daten, die am Schluss durch eine Prüfsumme abgeschlossen werden. Jedes Datenpaket kann dabei einen anderen Pfad durchs das Internet oder Netzwerk nehmen. Die Pfadbestimmung wird dabei über die Router vorgenommen. Dieser Prozess wird auch als Routing des Pakets bezeichnet. Die Anzahl der dabei passierten Router wird dabei als Hops bezeichnet. 7. BETRIEBSSYSTEME Das wohl bekanntesten Serverbetriebssysteme kommen aus dem Hause Microsoft und heißen Windows NT 4.0 Server und Windows 2000 Server. Sie zeichnen sich durch schnelle und einfache Administration aus. Einer der Nachteile ist, dass sie doch eine größere Anzahl von Bugs und Sicherheitslöchern besitzen und deshalb überall dort, wo mit besonders empfindlichen Daten gearbeitet wird nicht zu empfehlen sind (Banken, Abteilungen die mit Kundendaten arbeiten, usw). Diese Bugs können von Hackern ausgenutzt werden oder die Verfügbarkeit von Daten beeinträchtigen (Absturz des Servers und Datenverlust). Der zweite Nachteil ist der Preis: Ein "Windows 2000 Advanced Server, 25 Clients"-Lizenz kostet meist mehr als So ist es für private Anwender oder für kleine Firmen oft viel zu teuer. Auch das bekannteste Clientbetriebssystem kommt natürlich von Microsoft. Die verschiedenen Versionen sind: Windows 95/98/ME/CE/XP/2000/NT 4.0 Workstation. Das sie so bekannt ist, hat einen großen Vorteil: Fast jeder kann mit Windows umgeben. Man kann sogar sagen: Kennt man ein Windows, dann hat man auch mit den anderen Versionen keine Probleme. Aber dennoch hat es auch viele Nachteile: Wie die Serverbetriebssysteme haben auch die Clientbetriebssysteme von Microsoft, besonders ältere Versionen, viele Fehler, die zu Abstürzen, Datenverlust und Sicherheitslöchern führen. Der größte Nachteil ist auch hier der Preis: Windows XP Professional (deutsch) kostet meistens mehr als 180 für ein System

7 Netware, das Serverbetriebssystem von Novell ist bekannt für sein wirklich schnelles Dateisystem. Es kann Daten extrem schnell lesen und diese an den Client senden. Es ist etwas schwerer als das Konkurrenzprodukt von Microsoft zu konfigurieren (konnte ich bisher leider nicht nachprüfen). Aber auch NetWare hat einen stolzen Preis: NetWare 6 25-User Strong Encryption (128+ bit) German kostet etwa Unix existiert schon wesentlich länger als alle Konkurrenzprodukte. Es gibt mehrere Firmen die Unix als Serverbetriebssystem, zum Beispiel SUN oder auch IBM, die das Unixbetriebssystem meist unabhängig von einander weiterentwickeln. Diese Unixbetriebssysteme findet man eigentlich fast nur in sehr teueren Serverschränken vor. Linux ist ein Abkömmling aus der Unixfamilie. Linux ist ein echtes multiuser- und multitaskingfähiges Netzwerks-Betriebssystem (sowohl Server- und Clientbetriebssystem). Der Quellcode aller Linuxversionen ist offen. Man kann ihn herunterladen und sogar auf seine ganz speziellen Bedürfnisse anpassen (So würde Linux 0 kosten). Oder man kauft sich eine sehr umfangreiche Linux- Distribution, zum Beispiel von Suse, Mandrake oder RedHat, die etwa 75 kostet (egal ob für einen oder für PCs). Da der Quellcode OpenSource ist kann man auch selber an der Weiterentwicklung von Linux helfen. Ein Linuxserver kann seinen Clients nicht nur Datei- und Druckerdienste zur Verfügung stellen, sondern auch zum Beispiel seine grafische Oberfläche oder auch seine Rechenleistung und natürlich noch vieles mehr. Ein Nachteil ist die etwas aufwendigere Administration eines Linuxsystems. Zu den Vorteilen von Unix und Linux zählen unter anderem die sehr gute Stabilität und die sehr gute Netzwerkfähigkeit. Ein weiterer Pluspunkt für Linux ist, dass es sich mit allen anderen Betriebssystemen verständigen kann. Außerdem hat Linux, im Vergleich zu allen anderen modernen Betriebssystemen, die geringsten Hardware- Anforderungen an das System. In den Linux-Distributionen ist wirklich alles was man braucht (und auch nicht braucht) schon vorhanden. Bei Windows muss man viele noch zusätzlich kaufen. Linux wird als Serverbetriebssystem, besonders im Internet, immer populärer! MAC OS, das Clientbetriebssystem für den Apple-Rechner, weißt hohe Stabilität und gut Administration auf. Am Beispiel des Apple-Talk-Protokoll läst sich erkennen, dass Administration einfach sein kann und dann sogar auf anhieb funktioniert. Der Nachteil der top-designten Rechner ist der hohe Preis. (Mac OS X etwa 250, der kleinste Mac: 1390 ) Apples sind für modernen Firmen, in denen viel mit Multimedia (Grafiken, Filmen usw) gearbeitet wird gut geeignet. 8. BEISPIEL: AUFBAU EINES KLEINEN NETZWERKES MIT ZWEI PCs In diesem Beispiel sind zwei PCs direkt miteinander verbunden, um ein einfaches LAN aufzubauen. Dazu werden die beiden PCs über ein Cross-Over-Kabel (auch Cross-Connect- Kabel) direkt miteinander von der einen Netzkarte zur anderen Netzkarte - 7 -

8 verbunden. So können keine weiteren Geräte an das Netzwerk angeschlossen werden. Die Netz-Hardware muss ordnungsgemäß installiert sein. Außerdem müssen alle TCP/IP-Protokoll-Netzeinstellungen für die Kommunikation der beiden Arbeitsstationen konfiguriert werden. Dazu zählen z. B. die IP-Adresse und die Subnetzmaske. Zum Testen der Verbindung können Programme, wie winipcfg (ipconfig) und ping verwendet werden. Danach könnte z.b. eine Dateifreigabe eingerichtet werden. Quellen: Cisco Network Academy Program CCNA Semester 1 (