Regionale Fortbildung Vorkurs Schulnetze Pädagogisch/didaktische und technische Struktur von Schulnetzen (Vorbereitung auf den Basiskurs) Autor: Uwe Labs

Stand: Vorkurs 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: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Schulnetzbeispiel und Begriffe

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 und Inhalte, z.B.: Laserdrucker, Farbdrucker, Scanner, AV-Medien…... Sicherheit bei Klassenarbeiten im Netz

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Pädagogisch/didaktische Anforderungen (2) Jeder Benutzer (Lehrer/Schüler) hat einen eigenen Netzaccount. Damit verbunden ist: –Homeverzeichnis – -Adresse –Möglichkeit einer eigenen Homepage –Möglichkeit des Zugriff von außen auf das Homeverzeichnis

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Pädagogisch/didaktische Anforderungen (3) Zur Verfügung stehen: –Tauschverzeichnisse für Schüler, Lehrer, Lehrer/Schüler –Klassenarbeitsverzeichnisse –Projektverzeichnisse Andere Verzeichnisse (nicht änderbar für normale Benutzer, z.B. für Programme)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Pädagogisch/didaktische Anforderungen (4) Lehrer „sehen“ Schülerverzeichnisse Lehrersicht:Schülersicht: Lehrer können Schülerpassworte ändern Beschränkung von Plattenplatz individuell für Benutzer oder Verzeichnisse

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Pädagogisch/didaktische Anforderungen (5) 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 ?

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Technische Anforderungen (Arbeitsstationen) Möglichst homogene Ausstattung aller Arbeitsstationen: –Kostensenkung (Total Cost of Ownership (TCO !)) –Benutzer finden immer gleiche Verhältnisse vor Selbstheilende Arbeitsstationen (SHeilA) –Imageverfahren, bei dem der Inhalt der Festplatte erzeugt bzw. restauriert wird Speichert Daten auf dem Server und nicht lokal (außer temporären Daten) Lokales Betriebssystem (i.d.R. Windows oder Linux)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 Zentrale Datensicherung Management-Portal Kommunikation mit Internet –Proxy, Webserver, Groupware, Mediaserver, Firewall... Restaurieren von Arbeitsstationen Automatische Softwareinstallationen auf Arbeitsstationen

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 –Automatisches Zuteilen von -Accounts –Massenhafter Import von Benutzern mit Übernahme der Schablonenattribute nachträgliches Ändern von Benutzereigenschaften (Attribute) –Passwortmanagement

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Technische Anforderungen (Handling) Drucker im Raum sperren/freigeben Internet sperren/freigeben (raumweise, klassenweise, individuell) Bildschirm und Tastatur sperren/freigeben Schülerbildschirm holen Dateien verteilen und einsammeln

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Technische Anforderungen (Infrastruktur) Zukunftssichere Verkabelung Skalierbar mit steigenden Anforderungen Ein(!) physikalisches Netz: eventuell logisch aufgeteilt in z.B.: –Unterrichtsnetz –Lehrernetz Hohe Verfügbarkeit Datensicherung der Server

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Unterstützungssystem zur Musterlösung Regionale Arbeitskreise Fortbildungen –Akademieveranstaltungen –Regionale Standorte –Lehrerfortbildungsserver ( Hilfen zur Softwareinstallation: Software im Netz (SoN) ( unterstuetzung/kundenportal/lernsoftware-msi-pakete.html) Support beim Landesmedienzentrum –Online Support ( –Hotline für registrierte Schulen –Fernüberwachung des Servers –Medienentwicklungsplan (Schulnetzberatung)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Technik (Netzwerk-Kommunikation)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 2 32 Adressen  für ca. 4 Milliarden Geräte/Knoten –IPv Adressen  für ca. 3,4·10 38 Geräte/Knoten entspricht ca. 8·10 20 IP-Adressen pro cm 2 der gesamten Erdoberfläche !

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) IP-Adressierung (IPv4) IP-Adresse: 4 Zahlen (Wertebereich ) z.B Unterteilung in Netzwerk- und Knotenteil Unterscheidung in Klassen:  Class-B

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Besondere IP-Adressen Nicht im Internet geroutete IP-Adressen. Z.B.: IP-Adressen für spezielle Zwecke. Z.B.: loopback eigener Computer und weitere...

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Computer-Einstellungen Manuelloder perDHCP festgelegt dynamisch Gateway DNS

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Domain Name System (DNS) Übersetzung von für Menschen leicht zu merkenden Domain Namen in IP-Adressen.(root) mileducomdegovnet org auca belwueschulenovellt-onlinegoogle bw hd MeineSchule.hd.bw.schule.de MeineSchule Top - Level - Domain 1 st - Level – Domain Subdomains Server DNS-Server URL = Uniform Resource Locator, z.B.

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Ports Verbindung Netzwerk/Internet zu einem Computer bzw. einer Applikation, z.B.: ist gewissermaßen eine Tür dazu  Port Portnummern, z.B. –80Webserver (http) –443sicherer Webserver (https) –25 (smtp) von IANA festgelegt (Internet Assigned Numbers Authority) Registered Ports (Hersteller-registriert) Dynamic bzw. Private Beispiele: – :2222 – :51443/NetStorage FTP, SSH Programme mit ggf. geänderte Portnummern

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 Netzwerk Clients Server

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Technik (Hardware)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Verkabelung „Sternförmige“ Verkabelung

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Strukturierte Gebäudeverkabelung Glasfaser / Kupfer

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Verkabelung (Kupfer) Twisted Pair Leitungen (Kupfer) mit RJ-45 Steckern Kabeltyp:Cat 5/5e (100 Mhz,100m) – veraltet!, Cat 6 (250 Mhz,100m), Cat 7 (600 Mhz,100m), Cat 8 (1600 MHZ, 30m) Ausführung:S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) S/FTP (Screened Foiled Twisted Pair) Gängige Standards: 100Base-TX Fast-Ethernet 1000Base-TX Gigabit-Ethernet 10GBase-TX 10Gigabit-Ethern. Zu beachten: –Bautechnik: z.B. dicke Kabelbäume, Brandschutz,... –Ingenieur und Elektriker notwendig S=Geflecht F=Folie

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Verkabelung (Kupfer) Netzwerkkarte –mit RJ-45 Anschluss sowie –mit PXE-fähigem Boot-ROM (SHeilA-Funktionalität) –bei Markenware oft weniger Treiberprobleme Ausführung als Onboard-Netzwerkkarte (oder Steckkarte) RJ-45

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Verkabelung (Kupfer) Die Netzwerkkarte wird über ein –Patchkabel an eine –Datendose (entspr. CAT-Spezifikation des Kabels) angeschlossen (RJ-45) (z.B. Doppeldose)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Verkabelung (10 GBit) In größeren Netzen für die Verbindung Server Backbone-Switch interessant: –10 GBit Netzwerkkarte im Server (ab 200 €) –10 GBit-Modul im Switch (ab 200 €) 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, m (Multi-Mode); bis 10 km (Single-Mode) Preise fallen 100 GBit: 100GBASE (CR10/SR10/SR4/LR4/ER4) 400 GBit, 1TBit (erwartet ab 2017)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Aktive Komponenten (Switch) Switch –Zwischen den Ports wird eine Punkt zu Punkt Verbindung geschaltet –Keine Datenkollisionen –Geschwindigkeits- umsetzung möglich! (dh. mit einem Switch ist möglich z.B.: - Server mit 10 GB an Switch, weiter mit 1 GB - den Raum mit 1Gbit anfahren und mit 100 Mbit an die Arbeitsstationen verteilen)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 second Mpps: Mega-Packages per second

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Aktive Komponenten (Backbone Switch) Beispiel: Modularer Switch (ausbaubar) Managebar Bandbreite auf der Backplane: Gbps (mit großen Preisunterschieden) Mpps (Paket: 64 Byte = 512 Bit ) Z.B. HP Serien 4200, 5400,... Cisco Catalyst Serien 37xx, 40xx, 45xx,...

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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: a/b/g/n/ac/… mit 54, 11, 54, 300, 1300 MBit/s, ~ 6 GBit/s (theoretisch), ca. 20, 5, 20, 120, 1300 MBit/s (optimale Bedingungen) WLAN hat seine Berechtigung, wenn es anders nicht geht (Vieles(!) ist zu bedenken. Siehe WLAN-Dokumente in:

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) In manchen Städten: Anschluss am Stadtnetz oder Zugang über Fachhochschulen/Hochschulen (am besten über Belwü) In der Regel: DSL über Telefonleitung/Antennenleitung oder Unitymedia (früher 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 – Ein Router verbindet Netze (Schulnetz – Internet) Internet-Anbindung.../ueberuns/teilnehmer/schulen.html.../produkte/anschluss

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Internet Anbindung (Anschluss) Prinzipieller DSL-Anschluss:

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Serverausstattung (allgemein) paedML ist virtualisiert (i.d.R. für VMware/ESXi) Serverhardware muss VMware-zertifiziert sein Nur bei sehr kleinen Netzen: „kleiner“ Server Server-Mainboard Prozessor(en) für Server, z.B. XEON, Opteron RAM-Speicher  32 GB oder mehr... Festplatten und –Controller (servergeeignet, z.B. SAS, 24x7) Markencontroller, Marken-RAID-Controller (alles VMware-zertifiziert ) (=Vermeidung von Treiberproblemen!) Hohe Übertragungsgeschwindigkeit nur bei z.B. PCI-X Gigabit (1 und/oder 10) – Netzwerkkarten Speicher für Backups (z.B.: NAS, USB-Platte, Bandlaufwerk) Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Serverausstattung (RAID-Level-1, Spiegelung) Block 0 Festplatte 0 Daten gespiegelte Daten Block 1 Block 2 Block 3 Block 4 Block 0 Festplatte 1 Block 1 Block 2 Block 3 Block 4 RAID- oder normaler Controller

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) RAID-Level-1, Spiegelung Plattenspiegelung 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: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Serverausstattung (RAID-Level-5) Parity Festplatte 0 Daten -teil Block 4 Block 8 Block 12 Block 16 RAID-Controller Block 0 Festplatte 1 Daten -teil Parity Block 9 Block 13 Block 17 Block 1 Festplatte 2 Daten -teil Block 5 Parity Block 14 Block 18 Block 2 Festplatte 3 Daten -teil Block 6 Block 10 Parity Block 19 Block 3 Festplatte 4 Daten -teil Block 7 Block 11 Block 15 Parity

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) RAID-Level-5 Mehrere (gleichgroße) Platten werden eingesetzt (mind. 3) 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: 2x600 GB gesamt => 600 GB effektiv –RAID 5: 3x600 GB gesamt => 1200 GB effektiv 5x600 GB gesamt => 2400 GB effektiv

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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: –Separates Festplatten-Subsystem (NAS) –Streamer (Bandlaufwerk) –USB-Platte(n) –Backup-Software (event. incl. Desaster-Recovery) Bändern wird die längere Lebensdauer und höhere Sicherheit nachgesagt

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 Serverausstattung (Streamer) TypKapazitätKapazität komprimiert Transfer -rate Verfügbarkeit LTO-Ultrium GB 800 GB 80 MB/s veraltet LTO-Ultrium GB1600 GB120 MB/s veraltet LTO-Ultrium GB3200 GB180 MB/s aktuell LTO-Ultrium GB6400 GB270 MB/s aktuell LTO-Ultrium GB15000 GB750 MB/s aktuell (02/2016)

Datensicherung Sicherung von Dateien, GroupWare-Daten, Directory-Daten (eDirectory, Active Direcory): teils mit Bordmitteln möglich, besser jedoch mit professioneller Software Sicherung kompletter virtueller paedML-Server und/oder anderer virtueller Maschinen: spezielle Backup-Software nötig Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs)

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) 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 -> Schrank mit integrierter Klimaanlage

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Virtualisierung Einsparung von Hardware-Ressourcen beim Einsatz mehrerer Server auf ESXi oder XEN

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Arbeitsstationen PC, multimediafähig –Win7/8.1-Professional (Win10 ab 2016), (Linux) –Aktueller Mehr-Kern-Prozessor –4-8 GB RAM (oder mehr) –Eher kleine Festplatte (Programme/Daten liegen teils auf dem Server) sinnvoll auch SSD-Platte –Netzwerkkarte 1 GBit, PXE-fähig –Sound/Graphik je nach geplantem Einsatz –Ggf. DVD/Brenner –Garantieverlängerung Beim Kauf die Aktualität beachten, da die Lebensdauer ca. 4 Jahre betragen soll

Stand: Vorkurs Schulnetze (Uwe Labs) Musterlösung Unterstützungssystem Netze: Zentrale und regionale Fortbildungen Support-Netz bzw. paedML Novell paedML Linux paedML Windows