Regionale Fortbildung Vorkurs Schulnetze Pädagogisch/didaktische und technische Struktur von...

Regionale Fortbildung

Vorkurs Schulnetze

Pädagogisch/didaktische und technischeStruktur von Schulnetzen

(Vorbereitung auf den Basiskurs)Autor: Uwe Labs

Stand: 16.4.2013

2Vorkurs Schulnetze (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

Stand: 16.4.2013


Schulnetzbeispiel und Begriffe

Stand: 16.4.2013


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,

z.B.:• Laserdrucker, Farbdrucker, Plotter,...• CD/DVDs bzw. CD/DVD-Kopien im Netz• ...

• Sicherheit bei Klassenarbeiten im Netz

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• 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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• 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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• Lehrer „sehen“ Schülerverzeichnisse

Lehrersicht: Schülersicht:

• Lehrer können Schülerpassworte ändern• Beschränkung von Plattenplatz individuell für

Benutzer oder Verzeichnisse möglich

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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 ?

Oder so ?So ?

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Technische Anforderungen (Arbeitsstationen)

• Möglichst homogene Ausstattung aller Arbeitsstationen:– Total Cost of Ownership (TCO !)– Benutzer finden immer gleiche Verhältnisse vor

• Selbstheilende Arbeitsstationen (SHeilA)– Imageverfahren bei Linux und Novell– RIS mit automatischem Setup bei Windows

• Möglichst wenige Programme auf der Arbeitsstation

• Holt Programme möglichst vom Netz• 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• CD-Spiegelung• Zentrale Datensicherung• Management-Portal• Kommunikation mit Internet

– Proxy, Webserver, Groupware, Mediaserver, Firewall...

• Restaurieren von Arbeitsstationen• Automatische Softwareinstallationen auf

Arbeitsstationen beim Aufruf von Programmen

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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 (z.B. mit Schablonen)– Automatisches Zuteilen von Email-Accounts– Massenhafter Import von Benutzern

• mit Übernahme der Schablonenattribute• nachträgliches Ändern von Attributen

– 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

• Bildschirm/Tastatur sperren/freigeben

• Dateien verteilen und einsammeln

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Technische Anforderungen (Infrastruktur)

• Zukunftssichere Verkabelung• Skalierbar mit steigenden Anforderungen• Ein(!) Netz• Hohe Verfügbarkeit• Datensicherung der Server

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Unterstützungssystem zur Musterlösung

• Regionale Arbeitskreise• Fortbildungen

– Regional– Akademieveranstaltungen– Regionale Standorte– Lehrerfortbildungsserver

(www.lehrerfortbildung-bw.de/netz)• Hilfen zur Softwareinstallation: Software im Netz

(SoN)(www.support-netz.de/son.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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Subnetz

• Trennung von Netz- und Hostteil mit Subnetzmaske

im Beispiel von oben:

(analog bei Class-A und Class-C)

UND

0 1

0 0 0

1 0 1

Stand: 16.4.2013


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 DHCPdynamisch oder festgelegt

• Gateway• DNS

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Domain Name System (DNS)

• Übersetzung von für Menschen leicht zu merkenden Domain Namen in IP-Adressen

.(root)

mil edu com de gov net org au ca

belwue schule novell t-online google

bw

hd

MeineSchule.hd.bw.schule.de

MeineSchule

Top - Level - Domain

1st - Level –Domain

Subdomains

Server

DNS-Server

http://www.belwue.de

129.143.232.10

• 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 Webserver (http)– 443 sicherer Webserver (https)– 25 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

• Software, z.B. Microsoft- oder Novell-Client zur verbindung zum Serverbetriebssystem:

– Microsoft Client Windows-Server– Microsoft Client Linux-Server (mit

Samba)– Novell-Client Novell-Server

NetzwerkClients

Server

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Client – Server, weitere Beispiele

• Datenbank-Client Datenbank-Server(Software auf Arbeitsstation) (Software auf Server oder AS)

• Webserver

Client:Browser (Software)

Client:Computer (Hardware)

Server:Webserver (Software)

Server:Computer (Hardware)

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Technik (Hardware)

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Verkabelung

• „Sternförmige“ Verkabelung

Com3

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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) – veraltet!,

Cat 6 (250 Mhz), Cat 7 (600 Mhz)• Ausführung: S/STP (Screened Shielded Twisted Pair)

S/FTP (Screened Foiled Twisted Pair)

Gängige Standards:• 100Base-TX Fast-Ethernet• 1000Base-TX Gigabit-

Ethernet

• Zu beachten:– Bautechnik: z.B. dicke Kabelbäume,

Brandschutz, ...– Ingenieur und Elektriker notwendig

S=GeflechtF=Folie

Stand: 16.4.2013



• Netzwerkkarte – mit RJ-45 Anschluss sowie – mit PXE-fähigem Boot-ROM (SHeilA-Funktionalität) – bei Markenware oft weniger Treiberprobleme

• Ausführung als Steckkarte oder Onboard-Netzwerkkarte

RJ-45

RJ-45

Stand: 16.4.2013



• 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)

Patchkabel

Patchpanel

Verteilerschrank

Patchkabel

Verlegekabel

Switch

LWL

Stand: 16.4.2013


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-Patchkabel

LWL-Switch

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Verkabelung (10 GB)

• In größeren Netzen für die VerbindungServer Backbone-Switch interessant:– 10 GBit Netzwerkkarte im Server (ab 500 €)– 10 GBit-Modul im Switch (ab 800 €)

• 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• In Planung: 100 GB

Stand: 16.4.2013


Aktive Komponenten (Switch)

• Switch– Zwischen den Ports

wird eine Punkt zu Punkt Verbindung geschaltet

– Keine Datenkollisionen

– Geschwindigkeits-umsetzung möglich! (dh. z.B. den Raum mit 1Gbit anfahren und mit 100 Mbit an die Arbeitsstationen verteilen ist mit einem Switch möglich)

Stand: 16.4.2013


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 secondMpps: Mega-Packages per second

Stand: 16.4.2013


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, ...

Stand: 16.4.2013


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 Wireless-Switch 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 (ac in Entwicklung)

mit 54, 11, 54, 300 MBit/s, ~ 6 GBit/s (theoretisch),ca. 20, 5, 20, 120 MBit/s, 1,3 GBit/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)

Stand: 16.4.2013


• In manchen Städten: Anschluss am Stadtnetz oder Zugang über Fachhochschulen/Hochschulen(am besten über Belwü)

In der Regel:

• DSL über Telefonleitung/AntennenleitungT@School oder 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– http://www.belwue.de ...

• Ein Router verbindet Netze (Schulnetz – Internet)

Internet-Anbindung

.../ueberuns/teilnehmer/schulen.html.../produkte/anschluss

Stand: 16.4.2013


Internet Anbindung (Anschluss)

• Prinzipieller DSL-Anschluss:

Stand: 16.4.2013


Serverausstattung (allgemein)

• Nur bei sehr kleinen Netzen: „kleiner“ Server

Sonst:

• Server-Mainboard• Prozessor(en) für Server, z.B. XEON, Opteron• Viel RAM-Speicher, 4 GB oder mehr ...• Festplatten und –Controller (servergeeignet, z.B.

SCSI)Markencontroller, Marken-RAID-Controller(=Vermeidung von Treiberproblemen!)Hohe Übertragungsgeschwindigkeit nur bei z.B. PCI-X

• Gigabit – Netzwerkkarte• Bandlaufwerk für Backups• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Stand: 16.4.2013


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

Stand: 16.4.2013


Serverausstattung (RAID-Level-1, Spiegelung)

Block 0

Festplatte 0

Date

n gesp

iegelt

e Date

n

Block 1Block 2Block 3Block 4

Block 0

Festplatte 1


RAID- oder normaler Controller

Stand: 16.4.2013


RAID-Level-1, Spiegelung

• Plattenspiegelung auch softwaremäßig möglich(kein spezieller Controller nötig)

• Zwei separate Festplatten• Auf beiden Festplatten der gleiche

Datenbestand• Bei Ausfall einer Festplatte Meldung an der

Server-konsole• Effektiver Plattenplatz 50%• Hohe Datensicherheit• Schnellster Datenzugriff

Stand: 16.4.2013


Serverausstattung (RAID-Level-5)

Parity

Festplatte 0

Date

n-t

eil


RAID-Controller

Block 0

Festplatte 1D

ate

n-t

eil

ParityBlock 9Block 13Block 17

Block 1

Festplatte 2

Date

n-t

eil

Block 5ParityBlock 14Block 18

Block 2

Festplatte 3

Date

n-t

eil

Block 6Block 10ParityBlock 19

Block 3

Festplatte 4

Date

n-t

eil

Block 7Block 11Block 15Parity

Stand: 16.4.2013


RAID-Level-5

• Mehrere (gleichgroße) Platten werden eingesetzt• 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: 2x300 GB gesamt => 300 GB effektiv

– RAID 5: 3x300 GB gesamt => 600 GB effektiv

5x300 GB gesamt =>1200 GB effektiv

Stand: 16.4.2013


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.

Stand: 16.4.2013


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:– Streamer (Bandlaufwerk)

oder– Separates Festplatten-Subsystem– Backup-Software

(event. incl. Desaster-Recovery)

• Bändern wird die längere Lebensdauer und höhere Sicherheit nachgesagt

Stand: 16.4.2013


• Streamer = Bandlaufwerke für Magnetbandkassetten

• Tape Library = Streamer mit Bandwechselroboter• Heute praktisch nur noch der Typ:

LTO (Linear Tape Open)aktuelle Ausführungen:

Anbindung z.B. per Ultra320 SCSI, 4-Gbps Fibre Channel, SAS

• Alternative: Backup-Festplattensystem

Serverausstattung (Streamer)

Typ Kapazität

Kapazitätkomprimiert

Transfer-rate

Verfügbarkeit

LTO-Ultrium-3

400 GB

800 GB 80 MB/s

aktuell

LTO-Ultrium-4

800 GB

1600 GB 120 MB/s

aktuell

LTO-Ultrium-5

1600 GB

3200 GB 180 MB/s

aktuell

LTO-Ultrium-6

3200 GB

6400 GB 270 MB/s

aktuell

Stand: 16.4.2013


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

Stand: 16.4.2013


Virtualisierung

• Einsparung von Hardware-Ressourcen beim Einsatz mehrerer Server auf ESXi oder XEN

Stand: 16.4.2013


Arbeitsstationen

• PC, multimediafähig– WinXP-Professional,

Win7-Business/Enterprise (sobald von ML unterstützt),(Linux)

– Dual-Core-Prozessor oder höher– 1-4 GB RAM (oder mehr)– Eher kleine Festplatte (Programme/Daten liegen teils auf

dem Server)

– Netzwerkkarte 100 MBit, PXE-fähig– Sound/Graphik je nach geplantem Einsatz– Ggf. DVD– Garantieverlängerung

• Beim Kauf die Aktualität beachten, da die Lebensdauer ca. 4 Jahre betragen soll

Stand: 16.4.2013


Musterlösung

Unterstützungssystem Netze:

• Zentrale und regionale Fortbildungen

http://www.lehrerfortbildung-bw.de/netz

• Support-Netz

http://www.support-netz.de

• paedML Novell• paedML Linux• paedML Windows

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