Client-Server Programmierung mit Delphi

Netzwerk-Grundlagen

Thema dieser Darstellung sind Client-Server-Anwendungen im Internet und im Intranet, also dem "Mini-Internet" z. B. innerhalb eines Schulnetzes. Beruht die Vernetzung der zur Verfügung stehenden Rechner auf dem gleichen Kommunikations-Protokoll (TCP/IP Protokoll, siehe unten), so sind die Strukturen im LAN (Local Area Network) mit denen im WAN (Wide Area Network) identisch.

(Quelle: Perrochon, L.: School goes Internet, dpunkt, 1996)

Das Internet

Das Internet ist ein globales Netz von Computernetzwerken. Über Computer mit einem Internetzugang kann weltweit elektronisch kommuniziert werden. Die physikalische Struktur besteht aus einer komplexen und verzweigten Anordnung von von hierarchisch strukturierten Datenleitungen.

Lokale Computer ("Internet-PC") können sich in diese weltweite Struktur einbinden, indem Sie z. B. über einen Internet-Provider eine zeitlich begrenzte Verbindung herstellen (Modem, ISDN, T-DSL ... ). Dass trotz unterschiedlichster Hardware-Technologien die Kommunikation zwischen beliebigen Computern im Internet möglich ist, beruht letztlich auf der Vergabe global gültiger einheitlicher Internetadressen und der Verwendung von einheitlichen Kommunikationsprotokollen.

Kommunikationsprotokolle

Regeln, nach denen die Kommunikation zwischen Computersystemen abläuft, werden als Protokolle bezeichnet.

IP Protokoll

Das Internet Protocol (IP Protokoll) ist das Basisprotokoll des Internet und regelt die Kommunikation zwischen den Netzwerkrechnern auf der Basis von Datenpaketen. Das IP Protokoll ist verbindungslos: Zwischen Sender und Empfänger besteht keine virtuelle Verbindung. Es ist paketorientiert: Daten werden in Form von Datagrammen übertragen, das sind Pakete, die die Nutzinformationen, weiter Kontrollinformationen, die Zieladresse sowie Informationen über das verwendete höhere (s.u.) Kommunikationsprotokoll enthalten. Das IP Protokoll ist unsicher: Es gewährleistet nicht, dass die Datagramme beim Empfänger auch ankommen.

Alle anderen höheren Protokolle bauen auf diesem IP Protokoll auf, z. B.

TCP Protokoll

Im Gegensatz zum IP Protokoll ist das Transmission Control Protocol (TCP Protokoll) ein verbindungsorientiertes und sicheres Protokoll. Verbindungsorientiert bedeutet: Bevor Daten zwischen zwei Netzwerk-Rechnern ausgetauscht werden können, muss eine virtuelle Verbindung aufgebaut werden. Sicher bedeutet: Der Empfänger kontrolliert die eingehenden Datagramme auf Vollständigkeit und Fehlerfreiheit und meldet diese Informationen an den Sender zurück. Bleibt beim Sender diese Bestätigung aus, sendet er sie erneut.

UDP Protokoll

Das User Datagram Protocol (UDP Protokoll) ist ein im Gegensatz zum TCP Protokoll verbindungsloses und unsicheres Protokoll: Es sorgt weder dafür, dass die Datenpakete ihren Empfänger erreichen, noch dass sie ihren Empfänger in der richtigen Reihenfolge erreichen. Der Vorteil des UDP Protokolls gegenüber dem TCP Protokoll besteht darin, dass weniger Zusatzinformationen übertragen werden. Es eignet sich für Anwendungen, bei denen geringe Störungen kaum wahrnehmbar sind (z. B. Streaming-Video, Streaming-Audio): Fehlende Informationen werden einfach weggelassen.

IP Adressen

In IP Netzwerken werden die einzelnen Rechner durch ihre IP Adresse eindeutig identifiziert. Logisch kann man diese IP Adresse dem zugehörigen Netzwerkadapter zuordnen. Notebooks mit Netzadapter und WLan Adapter können daher zwei unterschiedliche IP Adressen haben.

Eine IP Adresse im (noch aktuellen) IPv4-Format wird als 4 Byte (32-Bit) Zahl dargestellt.

Bit      31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Wert      1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 0  1  1  0  0  1  0  1

Zur besseren Lesbarkeit werden die 4 Bytes durch einen Punkt getrennt und jedes Byte dezimal geschrieben.

Bit       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Wert       1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 0  1  1  0  0  1  0  1
dezimal             172          .          16           .        200            .         101

Es gibt insgesamt 5 verschiedene Formen von IP Adressen, die in Klassen A bis E eingeteilt werden. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der verschiedenen Netze, die in der jeweiligen Klasse gebildet werden können, sowie der Anzahl der Rechner, die zu einem Netz gehören können. Die Identifizierung der Netzklasse erfolgt über die ersten 4 Bit der IP Adresse.

Bit:       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Klasse A    0      Netz-ID                            PC-ID

Bit:       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Klasse B    1  0                 Netz-ID                                     PC-ID

Bit:       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Klasse C    1  1  0                            Netz-ID                                        PC-ID

Bit:       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Klasse D    1  1  1  0                              Multicast-Kanal

Bit:       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
Klasse E    1  1  1  1                                Reserviert

Einige Sonderfälle, hier nur angedeutet: (nicht relevant für die folgenden Darstellungen)

Netz-IDs mit ausschließlich gelöschten Bits symbolisieren dasselbe Netz , in dem sich der sendende Rechner befindet.
PC-IDs mit ausschließlich gelöschten Bits bezeichnen keinen konkreten Rechner, sondern das gesamte Netzwerk.
PC-IDs mit ausschließlich gesetzten Bits spricht bei verbindungslosen Protokollen (z. B. UDP) als Broadcast-Adresse alle Rechner des Netzes an.
Hinter dem virtuellen Netzwerk 172.0.0.0 verbergen sich die Loopback Funktionen des TCP/IP Protokolls. Unter jeder der Adressen 172.0.0.1 ... 172.255.255.254 kann eine Anwendung den Rechner erreichen, auf dem sie selbst läuft. Die Datagramme verlassen also den aktuellen Rechner nicht.

Zum Aufbau privater Netze können In den Netzen der Klasse A bis Klasse C reservierte IP Adressen benutzt werden:

Netzwerkklasse	Anzahl der Netzwerke	Adressbereich
A	1	10.0.0.0 ... 10.255.255.255
B	16	172.16.0.l ... 172.16.31.255
C	256	192.168.0.0 ... 192.168.255.255

Die IP Adressen der Klasse D und der Klasse E sind etwas anders strukturiert als Netze der Klasse A, der Klasse B oder der Klasse C. Sie spielen für den Aufbau konkreter Netzwerk-Strukturen keine Rolle, sondern erlauben das Versenden gleicher Datagramme an verschiedene IP Adressen (Klasse D) bzw. sind für experimentelle und zukünftige Anwendungen reserviert (Klasse E).

Ein lokales Netzwerk in der Schule ist in der Regel als Klasse C-Netz aufgebaut. Es kann daher zu einem Zeitpunkt maximal 254 unterschiedliche Rechner enthalten, deren Adressen sich in der letzten Gruppe unterscheiden, z. B

172.16.200.1 ... 172.16.200.254

Subnet-Masken

Mithilfe von Subnet-Masken kann man prüfen, ob IP Adressen zum gleichen Netzwerk gehören. Eine Subnet-Maske ist wie eine IP-Adresse 32 Bit lang. Die Subnet-Maske wird jeweils mit der Sender- und der Empfängeradresse durch eine logische and-Operation verknüpft und die Ergebnisse miteinander verglichen. Stimmen sie überein, so gehören Sender- und Empfängerrechner zum gleichen Netz.

Beispiel: Prüfung, ob zwei Rechner zum gleichen Klasse C-Netz gehören

Sender

Bit       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
 
IP-Adresse            172        .             16        .            200        .         101
dual:      1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 0  1  1  0  0  1  0  1 
 
  and
 
Subnet-M.             255        .            255        .            255        .            0
dual       1  1  1  1  1  1  1  1. 1  1  1  1  1  1  1  1. 1  1  1  1  1  1  1  1. 0  0  0  0  0  0  0  0
 
Ergebnis   1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 0  0  0  0  0  0  0  0
dezimal               172        .             16        .            200        .           0

Empfänger

Bit       31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0 
 
IP-Adresse            172        .             16        .            200        .         254
dual       1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 1  1  1  1  1  1  1  1
 
  and
 
Subnet-M.             255        .            255        .            255        .           0
dual       1  1  1  1  1  1  1  1. 1  1  1  1  1  1  1  1. 1  1  1  1  1  1  1  1. 0  0  0  0  0  0  0  0 
 
Ergebnis   1  0  1  0  1  1  0  0. 0  0  0  1  0  0  0  0. 1  1  0  0  1  0  0  0. 0  0  0  0  0  0  0  0
dezimal               172        .             16        .            200        .           0

Die beiden Rechner gehören also beide zum gleichen Klasse C-Netz 172.16.200.xxx .

Ports

Da Internet-Server-Rechner vielfältige Dienste, z. B. E-Mail, FTP und WWW, anbieten können, die zeitgleich auf einem Rechner laufen, genügt die Erreichbarkeit dieses Rechners für die TCP-Kommunikation mit der gewünschten Anwendung nicht aus. Das TCP Protokoll, das UDP Protokoll sowie einige andere Protokolle verwenden zur Lösung dieses Problems Ports.

Ein Port identifiziert auf dem Zielrechner (Server) die Anwendung. Ports sind 16 Bit lange Dualzahlen und werden meistens dezimal geschrieben: 0 ... 65535 . Ein Anwendung kann auch mehrere Ports für sich beanspruchen. Eine Portnummer darf auf einem Rechner nur einmal vergeben sein. Bei Verbindung eines Client-Rechners mit der Server-Anwendung muss neben der IP Adresse des Zielrechners auch die Portnummer des gewünschten Dienstes angegeben werden.

Die Ports eines Dienstes werden gelegentlich durch einen Doppelpunkt von der IP Adresse des Server-Rechners, der diesen Dienst verfügbar macht, getrennt, z. B. 172.16.200.10:80 .

Die Adresse 172.16.200.10 Port 80 eines Server-Dienstes ist identisch mit 172.16.200.10:80 .

Einige Portnummern bekannter Dienste:

Portnummer	Dienst
20	FTP Datenkanal
21	FTP Steuerkanal
23	Telnet
25	SMTP
53	DNS
80	HTTP
110	POP3

Die Ports im Bereich 0 bis 1023 sind für spezielle Anwendungen und Dienste reserviert (Well-Known Ports). Im Bereich 1024 bis 49151 liegen die für Anwendungen registriertes Ports. Ein Server-Dienst benötigten einen festen und bekannten Port, damit die Client-Anwendung ihn ansprechen kann. Umgekehrt benötigt die Client-Anwendung lediglich einen beliebigen Port, der ihm aus dem freien Bereich 49152 bis 65535 auf Anfrage zeitbegrenzt zugeteilt wird (dynamischer Port).

Dynamische Ports eignen sich für eigene Experimente. Die Chance, dass auf dem eigenen Rechner bereits eine Anwendung läuft, die diesen Port verwendet, ist denkbar gering. Und das Windows-Betriebssystem hält sich sowieso nicht an diese Vorgaben und verwendet in der Regel die Ports 1024 bis 5000 als dynamische Ports.

Jeder Rechner in unserer Lernumgebung ist also durch seine IP Adresse, jeder Server-Dienst durch die IP Adresse des Rechners sowie durch seine Portnummer eindeutig identifizierbar.

Für weitere detaillierte Informationen empfehlen wir z. B. www.wikipedia.de (WIKIPEDIA - die freie Enzyklpädie, Stichwort IP-Adresse)

(FvSG 30.1.2006)