Datacommunicatie

Inleiding

Binnen dit hoofdstuk gaan we veel begrippen gaan behandelen die voorkomen binnen de wereld van ICT, en dan voornamelijk de C in voorgaand drieletterwoord. Zonder communicatie werkt er op vandaag helemaal niets meer. Daarom is het ook belangrijk dat jullie kennis hebben, en kunnen meepraten, over de technische aspecten van communicatie. Vandaar onderstaande doelstellingen.

Doelstellingen:

• De student laten kennismaken met de vele aspecten van datacommunicatie (informatie- en communicatietechnologie).
• De student kent een heel pak basisbegrippen en kan dit toepassen op andere soorten communicatie.

Basisbegrippen

Analoog vs Digitaal

In de vorige sectie werd aangehaald dat de basistaak van een netwerk bestaat in het delen van informatie, of data. Vroeger werd data op een volledig andere manier verstuurd dan nu het geval is, namelijk analoog. Denk maar aan rooksignalen, brieven, telegrammen, morsecode en telefoonsignalen. Het analoge tijdperk is al even gepasseerd en de data die op vandaag verstuurd wordt is natuurlijk digitaal (al is er veel kans dat het eigenlijk een digitale versie is van een analoog signaal). Het versturen van digitale data bestaat uit het versturen van nullen en énen wat de zaak heel wat vereenvoudigt.

Modulatievormen

In plaats van dus een continu analoog signaal over het transmissiemedia te sturen gaat men representaties van 0 en 1 over de lijn sturen. Dit principe wordt moduleren genoemd. Bij het moduleren wordt het signaal in een analoog signaal omgezet (ja, contradictorisch). Deze omzetting is noodzakelijk om gegevens over een langere afstand te kunnen transporteren. Transmissiemedia als koper en lucht zijn namelijk niet onmiddellijk in staat digitale informatie over grote afstand te transporteren. Moduleren is het combineren van een informatiesignaal met een draaggolf met een hogere frequentie. Door variaties in dit signaal aan te brengen, kunnen verschillende toestanden (bijvoorbeeld 0 of 1) worden weergeven.

Het signaal is gebaseerd en afgeleid van een sinus. Een sinusvormige signaal heeft volgende kenmerken:

• de amplitude (de maximale waarde van het signaal)
• de frequentie (het aantal trillingen per seconde)
• de fase (de verschuiving van het signaal t.o.v. de oorsprong)

In deze drie kenmerken van een signaal, namelijk de amplitude, de frequentie en de fase kunnen variaties worden aangebracht.

Amplitudemodulatie (AM) - In deze modulatievorm wordt de amplitude van de draaggolf gevarieerd om zo de informatie door te geven.

Frequentiemodulatie (FM) - In deze modulatievorm wordt de frequentie van de draaggolf gevarieerd om zo de informatie door te geven.

Fasemodulatie (PM) - In deze modulatievorm wordt de fase van de draaggolf gevarieerd om zo de informatie door te geven.

Multiplexen

Als we meerdere zenders via een transmissiemedium met meerdere ontvangers willen laten communiceren, zullen we multiplexing moeten toepassen om dit te realiseren. Bij het gebruik van multiplexing wordt een kanaal verdeeld in meerdere kanalen ten behoeve van de aangesloten terminals. De multiplexer combineert de gegevens van alle zenders en zendt deze vervolgens over hetzelfde transmissiekanaal naar de demultiplexer. De demultiplexer ontleedt de gegevens vervolgens weer. In onderstaande afbeelding zie je dit principe:

Multiplexen is een relatief eenvoudige techniek en het doel van multiplexen is het besparen op datacommunicatielijnen. Ook dit kan op verschillende manieren bewerkstelligd worden.

Time Division Multiplexing (TDM) - Bij multiplexing op basis van Time Division Multiplexing worden de zenders beurtelings bevraagd of er gegevens zijn die verzonden moeten worden. Elk zender krijgt voor het verzenden van de gegevens een bepaald tijdsinterval. Als een zender geen gegevens heeft te verzenden wordt er door de multiplexer toch tijd op het transmissiekanaal gereserveerd.

Statistical Time Division Multiplexing (STDM) - Een nadeel bij Time Division Multiplexing is dat een tijdslot niet wordt benut als er bij de betreffende zender geen gegevens te verzenden zijn. Dit inefficiënte gebruik wordt weggewerkt bij Statistical Time Division Multiplexing. Bij deze vorm van multiplexing wordt alleen capaciteit toebedeeld aan actieve zenders die daadwerkelijk gegevens willen verzenden. De multiplexers op basis van STDM moeten hiervoor over voldoende intelligentie beschikken om enkel de actieve zenders te selecteren en zo een optimaal gebruik te realiseren.

Frequency Division Multiplexing (FDM) - Bij deze vorm van multiplexing wordt de capaciteit van het transmissiemedium in frequentiebanden gesplitst. Dit zijn afgebakende gebieden binnen het totale frequentiebereik van het transmissiemedium. Elke zender zal dan met behulp van modulatietechnieken zijn eigen toegewezen frequentieband gebruiken om met de bijhorende ontvanger te communiceren.

Een toepassing van FDM is het transport van televisie- en radiosignalen via de kabel. De gebruikte coaxkabel heeft een capaciteit van meer dan 400 MHz. Elk televisiekanaal heeft circa 6 MHz nodig. Op een kabel kunnen dus ongeveer 70 kanalen actief zijn.

Communicatievormen

Simplex, half-duplex, duplex

De begrippen simplex, half-duplex en full-duplex duiden op de richting waarin gegevens kunnen worden verzonden. Bij een simplexverbinding is slechts verkeer in één richting mogelijk (a). Een half-duplexverbinding maakt transmissie in beide richtingen mogelijk, niet tegelijk, maar afwisselend (b). Bij een full-duplexverbinding is gelijktijdig verkeer in twee richtingen mogelijk, omdat de zend- en ontvangstwegen van elkaar gescheiden zijn (c).

Unicast, multicast en broadcast

De communicatie in computernetwerken is meestal 1 op 1, waarbij een computersysteem in het netwerk een verbinding heeft met ander computersysteem. Wanneer hierbij op een bepaald moment gegevens worden uitgewisseld tussen alleen deze twee computersystemen, is er sprake van unicast gegevensverkeer (a).

Wanneer nu een computersysteem in een bepaald netwerk gegevens gelijktijdig verstuurt naar meerdere computersystemen in dat netwerk, spreekt men van multicast gegevensverkeer (b). Tot slot, als een computersysteem in een netwerk tegelijkertijd gegevens verstuurt naar alle computersystemen in dat netwerk ,wordt dit broadcast gegevensverkeer genoemd (c).

Medium eigenschappen

Bandbreedte

Voor het streamen van een film of het spelen van een multiplayer spel is een betrouwbare en snelle verbinding nodig. Netwerken moeten capabel zijn om zeer snel bits te versturen en te ontvangen om bijvoorbeeld high bandwidth of hoge bandbreedte applicaties te ondersteunen.

De verschillende netwerkmedia ondersteunen het versturen van bits op verschillende snelheden. De termen die gebruikt worden om deze snelheid aan te geven zijn bandbreedte en doorvoersnelheid.

Laten we beginnen met bandbreedte en dat vertalen naar de capaciteit van een netwerkmedium om data te dragen. Digitale bandbreedte meet de hoeveelheid data die kan vloeien van de éne plek naar de andere in een gegeven tijd. Bandbreedte wordt dan ook uitgedrukt in het aantal bits dat theoretisch per seconde over het medium gestuurd kan worden. Veelvoorkomende waarden zijn:

• Duizend bits per seconde (kb/s)
• Miljoen bits per seconde (Mb/s)
• Miljard bits per seconde (Gb/s)

De kenmerken van het medium, de huidige technologieën en de wetten van de fysica bepalen uiteindelijk de beschikbare bandbreedte.

Doorvoersnelheid

Net zoals bandbreedte zal de doorvoersnelheid (of throughput) ook uitgedrukt worden in het aantal bits dat per seconde over het medium gestuurd kan worden. Deze keer wordt er wel rekening gehouden met enkele andere factoren:

• De hoeveelheid data die over de connectie ontvangen en verstuurd wordt.
• Het type data dat verstuurd wordt.
• De vertraging gecreëerd door het aantal apparaten op de weg.

Vertraging refereert in dit geval naar de totale tijd inclusief vertragingen om van één punt naar het andere te reizen. Daarbij komt ook nog dat de doorvoersnelheid de bruikbaarheid van de verstuurde bits niet in rekening brengt. Voorbeeld zijn netwerkberichten (tussen routers en andere netwekapparatuur) die het verkeer regelen en fouten corrigeren.

Bottlenecks

Hou ook rekening met het feit dat het internet een geconnecteerd netwerk van netwerken is. Zo zal de traagste link de maximale doorvoersnelheid bepalen. In sommige literatuur is dit ook wel bekend als de bottleneck van een netwerkroute. Zelfs als de meeste netwerken een hoge bandbreedte hebben, kan dat éne netwerk met lagere bandbreedte een opstopping (of bottleneck) creëren voor het volledige netwerk.

Doorvoersnelheid kan gemeten worden met de zogenaamde speed test. Er zijn verschillende snelheidstesten online te vinden. Zoek er maar ééntje zelf en kijk eens wat jouw doorvoersnelheid is. Onderstaande afbeelding toont het resultaat van een speed test:

Bovenstaande speedtest geeft dus aan dat ik een downloadthroughput heb van ongeveer 48 Mb per seconde en een uploadthroughput van 4,5 Mbps. Volgens het bijhorende abonnement van de provider zou dat moeten zijn:

Op zich is dit dus een zeer goede score. Indien je eigen waarde ver onder de beoogde waarde zit kan er eventueel een probleem zijn bij je provider maar je kan er vast vanuit gaan dat het probleem dichter bij huis zit, namelijk in de doorvoersnelheid van je eigen netwerk.

Transmissiemedia

Draadloos

Historiek

Niettegenstaande iedereen op vandaag draadloos Internet kent, maar eigenlijk draadloos Ethernet is, bestaat het versturen van signalen door de lucht (of door een ander medium) al heel lang. We kijken terug naar het jaar 1807 waar men voor de eerste keer een idee kreeg over het mogelijk versturen van signalen door de lucht en eindigen in 1899 waarbij Marconi het eerste internationale draadloze bericht stuurt van Dover in Engeland naar Wimereux in Frankrijk (ongeveer 100 km). Vanaf toen gaat het in sneltempo naar 500 km communicatie (1906), een eerste versie van radar (1919), het eerste mobiele spraaksysteem (NYC Police Dept. 1924), transatlantische TV broadcast (1928), FM radio (1933), telegeleide bommen (1946), ARPANET (1969), mobiele communicatie (spraak, 1978) om uiteindelijk te komen tot de constructie van het wereldwijde web (1990). Het mobiele Internet dat we op vandaag kennen (startend met 2G) werd uitgerold in Belgi¨e omstreeks 2005. Sinds de intrede van dit netwerk, en de opkomst van Ethernetnetwerken, is de expansie van informatie gestuurd over netwerken gigantisch.

Frequenties

Draadloze netwerken maken gebruik van elektromagnetische golven die een bepaalde frequentie gebruiken om informatie door te sturen. Dit wordt meestal uitgedruk in Hertz of Hz. Ik verwijs jullie graag naar een basiscursus Wiskunde voor meer info over frequentie en golflengte. Elke draadloze technolgie gebruikt een eigen specifieke frequentie waar de hardware dan ook aan aangepast is. Zo dat een draadloze router informatie versturen op een frequentie van ongeveer 2.4 Ghz of 5 Ghz. Dit neemt niet weg dat andere technologieën geen gebruik meer kunnen maken van deze frequentie. Dat kan, maar dan moet je rekening houden dat die twee technologieën wel voor interferentie bij elkaar kunnen zorgen. De wildgroei aan draadloze technologieën, doorheen de jaren, wordt gereguleerd per continent door een agentschap. Zo zal de frequentiekaart voor Noord Amerika er anders uitzien dan die van Europa.

De frequentiekaart voor België, die zeer gelijklopend is voor Europa, kan je in onderstaande afbeelding vinden. Dit blad is veel te klein om de volledige kaart erop te krijgen, ga naar DEZE link voor een volledige weergave.

Op deze kaart zie je een mooie weergave van alle technologieën met hun respectievelijke frequentieband. Meestal wordt niet uitgestuurd op één specifieke frequentie maar reserveert men frequentiebanden. Zo wordt de kans op interferentie met andere technologieën verminderd. In sommige gevallen geeft je het ook de kans om meerdere frequenties te gebruiken (binnen deze band) om meer data tegelijkertijd te versturen of voor duplex communicatie toe te laten (zie verder). Wanneer we dichter inzoomen op de kaart zien we bijvoorbeeld:

• FM: beter gekend als de waardes die op de tuner van een radio staan (geen DAB+). Die range is tussen de 88 MHz en 108 MHz. Je weel waarschijnlijk wel wat de frequentie van Studio Brussel is (102.1), dan weet je nu ook van waar dit komt. Daarnaast weet je ook, als we bij 108 komen, er opnieuw geteld wordt vanaf 88. Als we op de kaart gaan kijken dan vinden we de tussen 88 Mhz en 108 MHz het vakje FM broadcast terug.

• Mobiele telefonie (spraak en data op zowel 3G als 4G) is voor België volgende frequenties (zie LINK): 900 MHz en 1800 MHz. Ook die zijn op de kaart te vinden:

Let erop dat deze kaart stopt op ongeveer 300GHz. Boven deze frequentie gaan we lichtjesaan naar infrarood, gevolgd door zichtbaar licht. In theorie kan je data versturen met lichtstralen maar in de praktijk is dit niet altijd even gemakkelijk, eerst en vooral door de alomaanwezigheid van licht. Gaan we nog hoger in frequentie (daling in golflengte) dan komen we in een regio die in theorie ook bruikbaar is, maar waar de kortheid van de golf een nefaste uitwerking heeft op ons lichaam. Denk hierbij maar aan UV (verbranden), X-Ray straling (misselijkheid en overgeven) en Gammestraling (sterfte). Deze frequenties worden in geen geval gebruikt voor radiocommunicatie.

Hoe meer we ons verplaatsen naar links, hoe kleiner de frequentie wordt, hoe groter de golflengte worden en hoe ongevaarlijker voor de mens deze communicatie is. Het omgekeerde is ook waar, hoe meer we ons verplaatsen naar rechts, hoe groter de frequentie wordt, hoe kleiner de golflengte wordt en hoe gevaarlijker de straling voor het menselijk lichaam wordt.

Het versturen van draadloze data heeft naast het grote draadloze voordeel ook enkele nadelen, waarmee rekening gehouden dient te worden:

• Afstand (hoe ver moet je draadloze technologie kunnen)
• Interferentie (bijvoorbeeld een microgolf aanzetten verstoort het 2,4GHz signaal)
• Datasnelheid (is het nodig om grote volumes te sturen of niet)

Meer informatie over frequentiebanden en bijhorende technieken in het tweede deel van deze cursus.

Hardware

Ondertussen weet je dat elke technologie gebruikmaakt van z'n eigen frequentie, en dat leidt ook tot bepaalde hardwarematige aanpassingen. Denk hierbij voornamelijk maar aan het soort antennes (zie verder), maar ook welke chips er gebruikt worden, welk vermogen (mW tot MW) nodig is voor een bepaalde toepassing, enz.

Doorheen de tijd zijn er natuurlijk ook alweer veel verschillende soorten antennes (technologie afhankelijk) geweest maar de belangrijkste zijn deze:

• Yagi-Antenne: voornamelijk gebruikt voor TV broadcast voordat iedereen een bekabelde lijn had (jaren 40 - 60). In de jaren 70 en 80 heeft iedereen die op het containerpark gezwierd toen Telenet een landlijn installeerde. Blijkt nu dat voor DVB+ (Digital Video Broadcasting) deze weer perfect gebruikt kan worden.

• Schotelantenne: wordt op vandaag veelal gebruikt om TV en radio te versturen tussen netwerktorens. Denk in eerste instantie aan de toren op de VRT, maar denk daarbij ook aan de hoge metalen torens in het landschap waar veel van deze antennes aanhangen. Daarnaast wordt dit soort antenne, al zij het in een grotere versie, gebruik voor satellietcommunicatie of communicatie met ruimtetuigen. Voor deze laatste versie is het stroomverbruik natuurlijk ook navenant.

• Rechte Antenne: kom je in dagelijkse toepassingen voornamelijk tegen in de automobielsector. Vroeger nog een metalen (al dan niet) uitschuifbare antenne op de wagen, op vandaag iets mooier weggewerkt. Verder kom je soms grote rechte antennes tegen bij radio amateurs, en kleinere bij de echte satelliettelefoons.

• Antenne op chip: de laatste, en kleinste variant zijn de antennes op chip. In onderstaande afbeelding zie je de antenne van een RFID chip, maar ook de ontvangers voor WiFi, Bluetooth en 3G/4G in je smartphone zijn eigenlijk allemaal van deze orde. Voor elke technologie zit er een antenne voor een bepaalde frequentie ingebouwd in je device.

Meer info over de werking en gebruik van, en de verschillende draadloze netwerken, zitten verwerkt in het tweede deel van deze cursus.

Bekabeld

Naast draadloze communicatie is de andere manier om data te versturen tussen twee apparaten via een kabel. Hier wordt ook gebruikgemaakt van elektromagnetische signalen. Eén versie is een elektrisch signaal via koperen draden / leidingen, de andere versie is met behulp van lichtstralen in een speciale kabel. Beide versies staan hieronder uitvoerig beschreven.

Koper Bij deze vorm van data versturen maakt men ook gebruik van elektromagnetische golven, maar ditkeer worden ze door een ander medium gestuurd, zijnde koper. Koper wordt ook al sinds het begin van datacommunicatie gebruikt om informatie te versturen. De originele telefoonlijnen waren ook gebaseerd op koper. In eerste instantie natuurlijk analoog, later digitaal. Door de evolutie van techniek, opstellen van bepaalde protocollen en interfaces (zie verder in de cursus) werd het mogelijk om over te schakelen op digitale data en die data dan nog eens sneller en sneller te gaan versturen, over dezelfde koperleidingen. Zo wordt er op vandaag verstuurd aan Gbps terwijl dat vroeger slechts in Kbps was (factor 1.000.000).

Het versturen van digitale data over koperlijnen gebeurt op basis van een bepaalde spanning, zo zal bij het versturen van data op een KNX interface dat gebeuren met signalen van 24V. Bij Ethernet is dat 2.5V. Een voorbeeld van elektrische digitale signalen zie je in onderstaande afbeelding:

Het versturen van elektrische signalen over koper brengt ook enkele problemen met zich mee, waarvan de belangrijkste zijn:

• Afstand: afhankelijk van de gebruikte spanning zal de draaggolf zich verder op minder ver propageren door de kabel. Een signaal op 24V zal zich in principe verder kunnen verplaatsen dan een signaal van 5V. Eén bepaalde technologie kan zo 200 meter ver geraken en een andere kan 50 meter ver geraken, op exact dezelfde kabel. Hierbij gekoppeld zal de eerste technologie wel wat meer energie gaan verbruiken.
• Interferentie: ondertussen kennen jullie de wet van Lenz (geïnduceerde stroom), daaruit volgt dat wanneer deze elektrische pulsen langs een andere stroomdrager gestuurd worden er veel kans is op een geïnduceerde stroom waardoor er datavervorming optreedt (een digitale 0 wordt een digitale 1, of omgekeerd). De meest gekende oplossing is om het datasignaal te verdubbelen, met negatief spanningssignaal (net zoals bij USB). Daarnaast kan men ook een twisted pair gaan maken, of gevlochten draden. De theorie is dat het magnetische veld in de omgeving telkens een inductiestroom opwekt in de tegenovergestelde richting (per vlecht) en dit zo elkaar opheft.

• Veiligheid: iedereen die een koperlijn aftakt kan de elektrische signalen opvangen aan uitlezen.

UTP

Op vandaag wordt voor lokale netwerken veelal een UTP kabel of een Unshielded Twisted Pair gebruikt. Meer informatie over deze kabel kan je vinden in hoofdstuk 3.2. Wat je misschien niet weet is dat deze kabel eigenlijk origineel maar 2 paren had (in plaats van vier) en gebruikt werd voor telefonienetwerken.

Coax

Naast de gekende UTP kabel bestaat er eigenlijk nog een gekende koperen geleider, namelijk de Coax kabel. Beter bekend bij jullie als de kabel voor de TV-distributie van Telenet. De coax kabel bestaat niet uit meerdere geleiders maar slechts één geleider.

Coaxkabel is een kabel bestaande uit een koperen kern (1) en een geleidende mantel (3) en daartussen isolerend materiaal (2). Rond de geleidende mantel bevindt zich ook terug een isolatie laag (4). De geleidende mantel schermt de centrale kern af als een kooi van Faraday. Het signaal in de kern is daardoor minder gevoelig voor externe stoorbronnen. Coaxkabel wordt o.a. gebruikt in kabelnetten voor radio en televisie, maar wordt meer en meer vervangen door glasvezel.

Frequenties

Niet enkel draadloze communicatie maakt gebruik van frequentiebanden, maar ook bekabelde transmissiemedia maakt gebruik van banden. Als eerste voorbeeld nemen we kabeltelevisie (coax). Kabeltelevisie was vroeger eenrichtingsverkeer (broadcast), simplex communicatie dus. Door de behoefte om deze kabel ook te gaan inzetten voor bijvoorbeeld interactieve televisie en de toegang tot het internet ontstond de noodzaak om deze kabel geschikt te maken voor tweewegscommunicatie. Dit kan zowel half als full-duplex zijn. De coaxkabel die bij de kabeltelevisie wordt toegepast bestaat uit een groot aantal logische kanalen. Elke TV-zender en elke radiozender vormen een logisch kanaal.

Bovenstaande frequenties bestonden tot rond eind 2021.Telenet heeft deze analoge signalen van de kabel gehaald om deze frequentiebanden ook voor digitale upload en download te kunnen gebruiken en zo die bandbreedtes te verhogen. Een overzicht van alle frequenties op de telenet kabel:

• Analoge FM-band: 87.5 MHz-108 MHz, BB = 210 KHz
• De freqenties van 118-132 MHz mogen niet gebruikt worden; gereserveerd voor luchtvaart communicatie.
• Analoge TV band: 130 MHZ - 289 MHz; BB = 7 MHz (zie bovenstaande afbeelding)
• Digitale TV band: 283 MHZ - 428 MHz; BB = 8 MHz; Betaal TV; per draaggolf 15 digitale TV kanalen (iDTV)
• Digitale radio: 1 draaggolf +/- 43 kanalen
• Analoge TV band: 440 MHZ - 470 MHz; BB = 7 MHz
• Internet upload: 5 MHz - 65 MHz; BB = 8 MHz.
• Internet download: 300 MHz - 862 MHz; BB = 8 MHz

Een tweede voorbeeld kunnen we gaan halen bij z'n tegenhanger. Proximus biedt op vandaag digitale connecties aan tussen je thuis en het Internet via de telefoonlijn. Maar die telefoonlijn was vroeger volledig analoog en men gebruikte hiervoor signalen tussen 0 en 4 KHz. Later is men ook digitale frequentiebanden gaan gebruiken (ADSL - zie verder). Het spectrum ziet er ongeveer zo uit voor ADSL:

Fiber

Naast het versturen van elektrische signalen kunnen we ook de digitale 0 en de digitale 1 gaan versturen via lichtpulsen. In dit geval zit er bij de zender en de ontvanger een stukje hardware die elektrische pulsen van het interne systeem gaat omzetten naar lichtpulsen. Het grote voordeel aan lichtpulsen is dat ze heel snel zijn. Ze propageren zich namelijk met de snelheid van het licht door de glasvezelkabel (300.000km/s). Dit zorgt ervoor dat dit op vandaag de snelst mogelijke dataoverdracht aanbiedt.

Doordat men gebruikmaakt van licht is de te overbruggen afstand ook wel heel groot want licht kan zich heel ver voortplanten. Deze technologie wordt dus ook gebruikt bij het transferreren van data via kabels op de zeebodem en bij ISP backbones (zie later in deze cursus). Het aftakken/aftappen van informatie (fysieke connectie met de lijn maken) is ook niet mogelijk omdat openingen in de kabel zeer nefast zijn voor de juiste werking, hierdoor wordt de veiligheid verhoogd. Licht is daarenboven ook niet gevoelig aan elektromagnetische interferentie.

Toch is niet alles hierbij rozengeur en maneschijn. Deze technologie komt met enkele nadelen:

• Duurder: speciale technologie, speciale kabel, speciale connectoren, op maat gemaakt om de golf perfect te laten uitkomen op het einde zorgen voor een hogere prijs
• Rigidere kabel: deze speciaal ontworpen kabel is als volgt opgebouwd:
  • Buitenmantel
  • Kevlar: versterking (maakt het minder plooibaar)
  • Isolatie
  • Cladding: reflectiemateriaal
  • Kern

SM vs MM

SM versus MM, niet wat je denkt. Het gaat hier over Single Mode en Multi Mode. Multimode is het oudst en als technologie goedkoper dan singlemode. De core van singlemode is veel dunner en de aansturing gebeurt met laserlicht. Singlemode kan een veel grotere afstand overbruggen (tot 80 km) en beschikt over een grotere bandbreedte. Multimode kan met een lichtgevende diode (LED) aangestuurd worden, maar het bereik is wel veel kleiner dan die van een singlemode (ongeveer 2 km).

Het verschil zit hem voornamelijk in het feit dat een Multimode glasvezelkabel meerdere lichtstralen tegelijkertijd kan sturen. Zie onderstaande afbeelding:

Een vergelijkende tabel tussen de twee varianten kan je hier vinden:

	Single Mode	Multi Mode
Afstand	40km+	2km
Bandbreedte	Hoger	Hoog
Prijs	Duurder	Goedkoper
Aantal stralen	Eén	Meerdere

Netwerktopologie

Ondertussen weten we zowat de geschiedenis van netwerken in grote lijnen, waarvoor een netwerk moet dienen en welke materialen er gebruikt worden om digitale data te versturen. Tot dusver hadden we het enkel over twee apparaten verbinden (point-to-point verbinding), wat natuurlijk ook al een netwerk is.

Wat we wel nog niet hebben gezien is hoe we meer dan twee apparaten kunnen koppelen. Hiervoor bestaan verschillende topologieën. Afhankelijk van hoe je apparaten gekoppeld zijn (welke topologie) ga je verschillende netwerkapparaten nodig hebben om dit te bewerkstelligen. Meer over netwerkapparatuur komt doorheen de cursus aan bod. Laten we alvast beginnen met de verschillende set-ups.

Maas

In dit type van topologie wordt één host (een apparaat) geconnecteerd naar één of meerdere andere hosts. Sommige apparaten zijn verbonden met alle andere apparaten in het netwerk. Dit noemt men een Full-Mesh netwerk (Volledige Maas). Wanneer een computer niet geconnecteerd wordt met alle andere hosts in het netwerk spreekt men van een Partially-Mesh netwerk (Gedeeltelijke Maas). Binnen zo'n gedeeltelijk netwerk kan het zijn, indien er geen rechtstreekse connectie tussen twee hosts is, er communicatie kan optreden via een tussenhost die met beide hosts verbonden is.

Bus

Deze topologie is vrij belangrijk binnen IoT en wordt heel frequent toegepast (I2C, KNX, Siemens ProfiBUS, USB, etc.). Deze topologie bestaat erin om alle hosts op één datalijn aan te sluiten. Elke host krijgt ook alle informatie binnen en gaat dan geaan filteren op relevante informatie (die voor een bepaalde host bedoeld is). Dit wordt voornamelijkgebruikt bij broadcastnetwerken (één naar meer).

Een bussysteem heeft een probleem wanneer meerdere hosts tegelijkertijd willen sturen. Hiervoor moet een systeem ontwikkeld worden om dit te reguleren (botsingsdetectie, of master/-slave). Groot nadeel hier is bij het falen van de lijn op een punt, de volledige lijn down is.

Bij buscommunicatie zit er aan beide uiteinden van de lijn een terminator, of lijnafsluiter. De data wordt op de lijn gezet, propageert zich naar de uiteinden van de lijn, en de lijnafsluiter neemt de data van de lijn.

Goed voorbeeld van buscommunicatie is Telenet. De lijn die van de centrale (per stad) tot bij u thuis komt, wordt gedeeld met uw buren, en meer dan waarschijnlijk met verschillende straten. Initieel was dit een analoog broadcastnetwerk voor televisie (centrale naar alle huishoudens) maar het is ondertussen digitaal geworden zowel voor TV als voor informatie (Internetverbinding), en zowel upload (terugsturen) als download (ontvangen).

Ster

In een stertopologie zijn alle hosts geconnecteerd met een centraal apparaat via point-to-point verbindingen, dus van host naar centraal apparaat (hub). De hub kan een:

• Hub of Repeater (layer 1)
• Switch of Bridge (layer 2)
• Router of Gateway (layer 3)

zijn. Meer over deze apparaten kan je in bijhorende hoofdstukken terugvinden, laaginformatie komt later dit hoofdstuk nog aan bod.

In dit soort netwerken gebeurt alle communicatie via het centrale apparaat en is dus het single point of failure. Als er daar iets mis mee is, of het valt uit, valt het volledige netwerk uit en kan er geen informatieoverdracht zijn. Groot voordeel van deze topologie is dat het heel goedkoop is, want een kabel kost bijna niets en de configuratie is vrij eenvoudig.

Ring

In een ringtopologie connecteert elke machine met exact twee andere machines en vormt een ringstructuur. Wanneer een host een bericht of data probeert te sturen naar een andere niet aangelegen host, zal die data doorheen alle tussenliggende hosts passeren. Het toevoegen van een extra apparaat kan eenvoudig zijn (computers in een klaslokaal) of complex (computers in verschillende gebouwen).

Je zal zelf wel doorhebben, als de ring gebroken wordt dat het netwerk niet meer werkt. Er zijn ringtopologieën die gebruikmaken van een backup ring zodat er altijd communicatie mogelijk is.

Voorbeelden van deze netwerken zijn de ISP backbones (ruggengraat van het Internet, geïnterconnecteerde netwerken) en token ring netwerken.

Ketting

Deze topologie is vrij gelijkaardig aan de ringtopologie, behalve dat de laatste twee hosts slechts verbonden zijn met één andere host. Elke plaats in dit netwerk is een single point of failure en deelt het netwerk op in twee delen die nog, elk los van elkaar, kunnen communiceren met de nog aanwezige hosts op hun deel van het netwerk.

Boom

De boomtopologie, ook wel gekend als hiërarchische topologie, is de meest voorkomende vorm van topologie op vandaag. Het is over het algemeen een combinatie van ster- en bustopologie en wordt voornamelijk gebruikt in lokale netwerken, beter bekend als LAN- of Local Area Network.

Lokale netwerken zijn die netwerken die zich binnen een huishouden, een KMO (kleine of middelgrote ondermening) of bedrijf (met meerdere gebouwen) bevinden, maar nog steeds niet communiceren met andere huishoudens, bedrijven, scholen, etc.

Op de afbeelding zien we drie lagen:

• Core layer: de kernlaag of in de meeste gevallen is dit beter bekend als de interface met het netwerk van de ISP (Internet Service Provider), zie later.
• Distribution layer: distributielaag of in dit geval de netwerkapparaten die ervoor zorgen dat alle netwerkverkeer in de onderneming op de juiste plaats terechtkomt. Denk hierbij maar aan switches, routers, firewalls, gateways, VPN tunnel hardware, ...
• Access layer: toegangslaag is de laag met alle hosts (computers, IoT devices, smartphones, tablets) en komt in gelijk welk LAN voor.

Dit soort netwerken is vrij robuust omdat niet elke fout hoeft te resulteren in het volledig falen van het netwerk. Zo kan er één apparaat uitvallen uit de distributielaag (bv. het linkse device), maar kan de rest van het netwerk (rechtse kant) nog volledig normaal functioneren.

Hybride

En in realiteit? Meestal ga je niet één maar meedere topologieën naast of door elkaar vinden, ook wel een hybride topologie genaamd. Let maar even op onderstaand schema:

In de groene vlakken vind je eigenlijk de boomstructuur van daarnet, het lokale LAN, maar dan meerdere keren. De ringstructuur (in het rood) wordt dan weer gebruikt om die drie lokale netwerken met elkaar te verbinden. In onderstaande afbeelding kan je een eenvoudig thuisnetwerk terugvinden met één router, één NAS (Network Attached Storage), twee draadloze laptops en drie vaste computers. De router is in dit geval deel van het interne netwerk en het externe netwerk.

Logisch vs Fysiek

Let wel: de fysieke en logische topologie kunnen binnen eenzelfde netwerk verschillend zijn! De fysieke topologie is de plaatsing van de verschillende onderdelen binnen een netwerk, terwijl de logische topologie illustreert hoe de gegevensstroom in een netwerk vloeit. Een voorbeeld hiervan is Token ring.

Het Internet

In de hybride schema van hierboven, en de uitleg die jullie reeds kregen over het Internet uit het geschiedenisluik (combineren van verschillende netwerken uit de wildgroei van netwerken) kan ik heel eenvoudig aanhalen:

Het Internet is het grootste geïnterconnecteerde netwerk ter wereld. Het is een gigantisch netwerk van netwerken.

Startend met alle lokale netwerken (huishoudens, bedrijven, kmo's) te connecteren per straat, vervolgens per wijk, per stad, per provincie, per land, per continent en uiteindelijk eindigen bij wereldwijd.

Maar pas op, vergis u niet, het Internet is niet het enige geconnecteerde netwerk op deze planeet, enkel het grootste. Wist je dat de Belgische Politie een eigen netwerk gebruikt om alle netwerken binnen de verschillende politiezones met elkaar te connecteren? Dat geïnterconnecteerde netwerk is dan bijvoorbeeld niet geconnecteerd met het Internet. Binnen deze sectie van we iets dieper in op dat connecteren van netwerken op verschillende niveau's.

ISP

Binnen de huidige netwerkstructuur, is het eerste netwerk buiten het lokale LAN, het netwerk van je ISP of Internet Service Provider. Voor de meeste leerlingen is dat in België Telenet, Proximus of Orange. Er zijn nog wat kleinere spelers en die maken gebruik van het basisnetwerk van Telenet of Proximus (Orange gebruikt het Telenet netwerk).

Telenet en Proximus zijn in België de enige aanbieders (access ISP) van een fysiek netwerk. Telenet gebruikt de oude broadcast televisie netwerken ("de distribusje") en Proximus gebruikt hiervoor de oude telefoonlijnen ("den telefongkabel"). Zo kan uw lokale netwerk connectie maken met een extern netwerk. Op dit punt kunnen klanten van Telenet met elkaar communiceren, maar nog geen klanten van Proximus bereiken. Om dit te kunnen aanbieden moeten beide providers een link (een netwerk) met elkaar vormen, en dan kunnen Telenet klanten communiceren met Proximus klanten. Telenet en Proximus betalen hiervoor een bijdrage aan de regional ISP (of Tier 2 ISP), die hun twee netwerken connecteert via hun netwerk. Dit wordt ook wel eens IP transit genoemd. Verder zal ook dit Tier 2 netwerk nog moeten connecteren naar netwerken in andere landen (Frankrijk: Orange, UK: Vodafone, Nederland: Ziggo of KPN). Dit gebeurt onderling tussen Tier 2 netwerken of via een Tier 1 ISP. Dit zijn top level ISP. Deze ISP connecteren ook de verschillende werelddelen met elkaar.

Je merkt het ondertussen wel, het internet is een gelaagde structuur, en dat is goed te zien op onderstaande afbeelding:

Alle huishoudens zijn aangesloten op een access ISP op een bepaalde manier (zie volgende twee secties). Als je weet hoeveel klanten Telenet heeft, en al die klanten een bepaalde bandbreedte hebben (en dan hebben we het nog niet over bandbreedte van bedrijven), dan moet die gecombineerde bandbreedte ook aangeboden kunnen worden door de ISP die Telenet verbindt met andere access ISP's. Het is dan ook de bedoeling dat die ISP's geen bottlenecks creëren om verkeer van één access ISP naar de andere access ISP te krijgen. Dat wil ook zeggen dat het netwerkmateriaal van die ISP's al een pak geavanceerder en duurder is. Trek dit nog eens door naar connecties tussen verschillende landen en werelddelen en je krijgt al een goed idee wat voor capaciteit er nodig is om al het netwerkverkeer op vandaag (219EB of 219 miljoen TeraBytes per maand) te faciliteren.

In de meeste landen maakt men gebruik van oude systemen zoals in België om tot bij de access ISP te komen (telefoonlijn of kabel). De netwerken van deze ISP's zelf zijn geëvolueerd van deze materialen naar glasvezel. De netwerken van de regional ISP en Tier 1 ISP's zijn al heel lang glasvezel. De Tier 1 ISP's connecteren bijvoorbeeld al lang verschillende werelddelen met elkaar via 'submarine cables' op de bodem van de oceaan. Als je wil weten hoeveel kilometer kabel dat is, kan je onderstaande afbeelding raadplegen.

Proximus

In deze en volgende sectie gaan we het netwerk van de huidige access ISP's in België gaan bekijken. Laten we starten met het eerste netwerk dat digitale data kon versturen. Proximus, of in die tijd nog Belgacom, dacht om op het analoge signaal (0-4KHz) wat digitale data te superponeren. Goed idee, digitale revolutie! Voor het eerst konden mensen die hiervoor een abonnement afsloten connectie maken met het wereldwijde web. Het systeem is nu wel wat aftands omdat gebruikers eigenlijk moesten inbellen (vandaar de inbelverbinding) naar een bepaald telefoonnummer (centrale) en een gebruikersnaam (@skynet.be) met bijhorend wachtwoord opgeven.

Toptechnologie op dat ogenblik maar men enkele nadelen. Godtergend traag, en internetten en bellen kon niet samen, want voor netwerkconnectiviteit moest je inbellen.

Gelukkig staat technologie nooit stil en kwam men al snel op de proppen met het verbeteren van de apparatuur dat het mogelijk maakte om het telefoonsignaal en de digitale up- en downloadfrequentiebanden (zie eerder in deze cursus) te splitsen bij het binnenkomen van het huis of bedrijf van de abonnee. Enter: de modem.

Op dit moment mogen we praten over de Digital Subscriber Line of kortweg DSL. Op het gebied van DSL zijn de afgelopen jaren een aantal standaarden ontwikkeld. De totale verzameling standaarden wordt ook wel samengevat onder de naam xDSL.

Let er wel op dat elk huishouden zijn eigen DSL lijn heeft vanaf de wijkcentrale. Er zitten geen twee huishoudens op één lijn!

Na de DSL lijn kwam in 1994 de HDSL (High-data-rate) technologie met een groter frequentiespectrum op de twisted pair kabel. Snelheden lopen op tot 1168kb/s en een maximale afstand van 18 km. Nadeel is dat er bij deze techniek gebruikgemaakt werd van de basisband (analoge telefonie) en connecties met deze technologie niet meer konden bellen. De volgende iteratie word ADSL (Asymmetric) genoemd. ADSL is ontwikkeld vanuit de idee dat de grootste hoeveelheid te transporteren gegevens afkomstig is van het netwerk en naar de gebruiker getransporteerd wordt. De gebruiker zelf stuurt veelal een verzoek om informatie, dus vaak een relatief klein bericht naar het netwerk, terwijl de te ontvangen hoeveelheid gegevens in verhouding relatief hoog is.

ADSL werd voornamelijk bij particulieren en kleine zelfstandigen gebruikt. De techniek die bij ADSL wordt toegepast, gebruikt geen basisband. Hierdoor kan het onderste gedeelte van de frequentieband ongemoeid blijven, waardoor ADSL en POTS perfect samen kunnen gebruikt worden. Een belangrijk detail is ook het feit dat het uitvallen van ADSL modem geen invloed heeft op het functioneren van de telefonie.

De maximale upstream-snelheid is 1 Mbit/s, de maximale downstream-snelheid 8 Mbit/s. De afstand tot de wijkcentrale is maximaal 8 km. Maar bij een grotere afstand dan 4 km neemt de kwaliteit van het signaal en daarmee ook de snelheid van de dataverbinding snel af!

VDSL (Very-high-data-rate) is gestandaardiseerd in 2001 en is een opvolger van ADSL waarbij een veel hogere downstream-snelheid (55 Mb/s) en upstream-snelheid (3 Mb/s) mogelijk is. Het grootste nadeel van VDSL is dat de afstand van de local loop maximaal 2100 meter mag zijn, terwijl dit bij ADSL meerdere kilometers kan zijn.

De volgende stap in de digitale wereld was om het zogenaamde 'triple play' aanbod (tv, internet en telefonie) te kunnen aanbieden. De snelheid, en opzet, van VDSL is op dat moment niet voldoende waardoor er nood komt aan een nieuwere versies. We zien ADSL2, ADSL2+ en VDSL2 de revue passeren. ADSL2 heeft een theoretische downstream-snelheid van 12 Mb/s. Een ADSL2+-verbinding heeft een theoretische downstream-snelheid tot 24 Mb/s. De effectieve downstream-snelheid is echter sterk afhankelijk van de afstand tussen de telefoonaansluiting en de wijkcentrale. In februari 2006 werd VDSL2 gestandaardiseerd en haalt men snelheden tot 100 Mbit/s (zowel upstream als downstream). VDSL2 wordt momenteel (standaard) door Proximus aangeboden. Onderstaande figuur toont het verband tussen snelheid van de verbinding en de afstand van de local loop.

Proximus probeert op vandaag (sinds 2017) de snelheid over een hogere afstand constant maximaal te houden door te werken aan een FTTH (Fiber To The Home) setup. Glasvezelverbindingen tot aan de thuismodem.

Telenet

Naast het telefonienetwerk kennen we in België ook een uitgebreid netwerk voor kabeltelevisie. Dit netwerk werd oorspronkelijk opgezet voor de distributie van radio- en TV-signalen en was dus unidirectioneel. Door dit netwerk ook bidirectioneel te maken, vormt het kabeltelevisienetwerk momenteel een uitstekend alternatief voor de traditionele telefonienetwerk.

Een kabeltelevisienetwerk bestaat uit twee delen. Ten eerste een coaxiaal toegangsnetwerk van de klant tot het wijkcentrum (maximaal enkele honderden meters). Dit is een bustopologie, dus iedereen ziet alle verkeer langskomen maar gaat enkel filteren wat voor hem bedoeld is. Ten tweede een glasvezel-transportnetwerk van het wijkcentrum naar het head end. Het totale netwerk heet derhalve een hybrid fibre-coaxial (HFC)-netwerk. Via de kabelmodem krijgt de gebruiker een aantal kanalen ter beschiking. De televisie, radio , telefoon of computer kunnen van deze kanalen gebruikmaken. Deze verschillende kanalen worden door middel van verschillende frequentiebanden op de coaxkabel gerealiseerd. In de wijkcentrale worden deze verschillende frequentiebanden en daarmee de gegevensstromen op de backbone geplaatst.

Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) is de standaard voor het transport van gegevens over het kabeltelevisienetwerk. Deze internationale standaard wordt vastgesteld door de Amerikaanse organisatie CableLabs. De Europese versie van DOCSIS wordt EuroDOCSIS genoemd. Het belangrijkste verschil is dat Europese kabelkanalen (PAL) 8 Mhz breed zijn, terwijl Noord-Amerikaanse kabelkanalen (ATSC) een kanaalbreedte van 6MHz hebben. Het certificeringslab voor EuroDOCSIS bevindt zich in Gent en heet Excentis.

De eerste versie van DOCSIS (v1.0) werd goedgekeurd in 1997. Aangezien de eerste versie enkele beperkingen kende is deze vrij snel (1999) door DOCSIS v1.1 vervangen. DOCSIS v2.0 werd in 2002 goedgekeurd en de voornaamste verbetering is een hogere doorvoersnelheid. In 2006 werd DOCSIS v3.0 vrijgegeven. De voordelen zijn onder meer hogere datasnelheden door het parallel gebruiken van downstreamkanalen (tot 340 Mb/s), ondersteuning van IPv6 en verbeterde beveiliging en monitoring. In 2013 kwam de huidige standaard DOCSIS v3.1 op de markt. Naast de doorvoersnelheid (tot 10 Gb/s) zijn er ook nieuwe mogelijkheden qua energiebeheer.

Telenet is nu reeds enkele jaren bezig aan de afbouw van het analoge spectrum op de kabel. De analoge radio is sinds April 2020 verdwenen en eind 2021 verdwenen ook de analoge TV zenders. De voornaamste reden is dat ze de vrijgekomen frequentiebanden kunnen gebruiken om data op te versturen om te voorzien in de benodigde toekomstige bandbreedte.

Schakelmethoden

Bij dit onderdeel kunnen we het alomgekende schema van communicatie er even bijsleuren:

Bij communicatie, al is die gesproken, analoog of digitaal, of nog in een andere vorm is er altijd een verzender en een ontvanger. Daarnaast wordt er een boodschap (bericht) over een medium verstuurd. Bij geproken communicatie zijn dit natuurlijk geluidsgolven door de lucht, bij digitale communicatie zijn dit bits en bytes doorheen één van de media besproken in deze sectie.

Bij het versturen van data gaat men natuurlijk dat bit per bit gaan gaan doen maar in de meeste gevallen is dit niet opportuun. Wanneer men data verstuurt gaat men bits groeperen tot logische eenheden. Denk bijvoorbeeld maar aan volgende vergelijking: een brief ga je ook niet letter per letter via de post versturen, maar ga je de volledige brief in één keer versturen, als geheel.

Doorheen de tijd zijn er ook weer verschillende benaderingen geweest om die berichten te versturen. We bespreken de drie meestgebruikte, afhankelijk van het pad er genomen wordt tussen verzender en ontvanger.

Circuit

In dit geval zie je dat er een circuit opgezet wordt, een één op één verbinding tussen verzendende host en ontvangende host, over verschillende netwerkapparaten. Dit principe steunt eigenlijk op de telefoonverbindingen van vroeger (POTS - Plain Old Telephone Service), waar men een één op één verbinding tussen twee telefoontoestellen moest maken zodat het analoge signaal de volledige weg in één keer kon afleggen.

Op vandaag spreken we natuurlijk over een digitale variant maar het principe blijft hetzelfde. Om data te versturen wordt er eerst een verbinding tot stand gebracht tussen verzender en ontvanger. Daarna wordt het te sturen bericht in één lange sliert informatie verstuurd.

Als je dit vergelijkt met een brief versturen zouden er, indien de brief 200 letters bevat, 200 mensen klaarstaan om die letters van bij jou naar de ontvanger te brengen. Daarna zouden die 200 mensen wachten totdat er opnieuw iets verstuurd wordt tussen de twee eindhosts.

De voordelen van deze verbinding zijn:

• Er is een directe (dedicated) verbinding tussen verzender en ontvanger.
• De verbinding is gedurende de gehele sessie aanwezig, dus ook tijdens de perioden dat er geen informatieoverdracht plaatsvindt.
• De verbinding is end-to-end.
• Deze verbinding is voor interactieve communicatie geschikt, met andere woorden er kan in beide richtingen gestuurd worden.

Maar er zijn ook nadelen:

• Netwerkelementen worden inefficiënt gebruikt. Dat wil zeggen dat, als er geen communicatie is tussen de bron en de ontvanger, er eigenlijk capaciteit (bandbreedte) gereserveerd wordt op de netwerkapparaten die niet gebruikt kan worden voor andere, of nieuwe verbindingen, ook al staan er in wacht.

Bericht

Bij message-switching maakt men gebruik van het zogenaamde 'store-and-forward'-principe. Bij message-switching moeten de centrales uitgerust zijn met een aantal voorzieningen om een bericht te kunnen ontvangen en voor een korte tijd te bewaren, vooraleer het bericht weer naar de volgende centrale wordt doorgezonden.

We kunnen stellen dat wanneer met message-switching een bericht wordt verstuurd, we ervan uitgaan dat het bericht op de juiste plaats van bestemming arriveert, maar dat we niet direct geïnteresseerd zijn in de tijd die het bericht hiervoor nodig heeft, als het maar toekomt.

Ook hier kunnen we de analogie maken met een brief. We zitten nu eigenlijk op het concept van de post. Je maakt je gehele brief, deponeert hem in de brievenbus en je wacht totdat die brief over verschillende stadia (postkantoren en sorteercentra) bij de ontvanger aantkomt.

Samengevat kan van message-switching worden gesteld:

• Berichten worden getransporteerd volgens het 'store and forward'-principe.
• De netwerkelementen worden efficiënt gebruikt. Bandbreedte wordt gebruikt tijdens het versturen van een bericht, maar zodra dat bericht aangekomen is kan die bandbreedte weer gebruikt worden voor een ander bericht.
• De gebruiker kan altijd berichten aan het netwerk aanbieden, zelfs indien de bestemming niet ingeschakeld is.

Aan de andere kant kan je ook het volgende vertellen:

• De communicatie is niet interactief. Het is eerst wachten op een bericht, om er dan ééntje terug te sturen.
• Het netwerk is traag.
• Er is geen end-to-end controle.

Pakket

De laatste vorm om berichten te versturen is packet-switching of pakket switching. Deze vorm combineere van circuit-switching (snelle communicatie) met het voordeel van messageswitching (efficiënt gebruik van de netwerkelementen).

De algemene functie van packet-switching is het transparant (zonder enige verandering) uitwisselen van data in kleine pakketjes (packets) tussen terminals (zender en ontvanger). Het routeren van de pakketjes door het netwerk wordt verzorgd door de nodes (netwerkelementen). De terminals specificeren enkel de bestemming van de pakketjes.

Om het nogmaals te hebben over de brief van daarnet, zullen we in dit geval de brief opdelen in paragrafen en die paragrafen meegeven aan (eventueel verschillende) postbedrijven. Al die losse stukjes (pakketjes) komen uiteindelijk wel aan bij de ontvanger. De mensen die instaan voor het leveren van de losse stukjes worden na het afleveren weer ingezet om een ander pakketje te bezorgen.

Over packet switching kunnen we het volgende vertellen:

• De berichten worden opgedeeld in pakketjes en volgens het 'store and forward'-principe door het netwerk gerouteerd.
• Het netwerk is snel.
• Communicatie kan interactief zijn.
• Het netwerk wordt efficiënt gebruikt.

Zoals je kan zien combineert deze laatste vorm van berichten versturen alle voordelen van de andere. Maar, het is niet zo dat de twee andere vormen helemaal niet meer gebruikt worden. Zo bestaat analoge telefonie nog steeds, zeker in bepaald regio's op deze aardbol, en wordt het message switching nog gebruikt bij e-mailprotocollen op vandaag.

Protocollen

Menselijk

En zo komen we naadloos uit bij het woord protocollen. Om dit woord beter te begrijpen moeten we nogmaals gaan kijken naar afbeelding 2.56.

Het hoofddoel van enig netwerk is om een communicatiemethode aan te bieden en informatie te delen. Van de eerste mensen in het begin der tijden tot de wetenschappers van vandaag, informatie delen met anderen is cruciaal voor de menselijke vooruitgang.

Alle communicatie begint met een bericht, of informatie, dat verstuurd moet worden van de een persoon of apparaat naar een ander. De methodes die gebruikt worden om te verzenden, ontvangen en interpreteren van die berichten verandert doorheen de tijd door technologische vooruitgang.

Alle communicatiemethoden hebben wel drie gelijke elementen. De eerste is dat er een verzender is. Verzenders zijn mensen of elektronische apparaten die een bericht willen communiceren naar anderen of andere apparaten. Het tweede element is de ontvanger van dat bericht, die het bericht interpreteert. En het derde en laatste element is het transmissiemedium of transmissiekanaal. Het voorziet de verbinding waarover het bericht van zender naar ontvanger kan reizen.

Communicatie in ons dagelijkse leven kan veel vormen aannemen in evenveel omgevingen. We hebben andere verwachtingen al naar gelang we chatten via het internet of als we een sollicitatie interview hebben. Elke situatie heeft z'n bijhorende verwachte gedrag en stijl.

Voor we binnen met communiceren leggen we enkele regels of afspraken vast in het gesprek. Deze regels, en je mag ze nu gerust al protocollen noemen, moeten sequentieel gevolgd worden opdat het bericht succesvol afgeleverd en begrepen wordt. Enkele voorbeelden van protocollen die voor succesvolle menselijke communicatie zorgen zijn:

• Een geïdentificeerde zender en ontvanger.
• Een overeengekomen methode om te communiceren (face-to-face, telefoon, brief, foto).

• Een gelijke taal en grammatica.

• Snelheid en tijdstip van afleveren.

• Bevestigings- of afleveringsvoorwaarden.

De technieken die gebruikt worden in netwerkcommunicatie wijken niet zoveel af van menselijke communicatie. Denk aan de geaccepteerde regels om sms berichten naar je vrienden te sturen. Voor elke vriend zal je een andere, meer afgestemd op de ontvanger, manier van communiceren hebben. Als je ooit een sms stuurt naar je docent zal dat ook wel iets beschaafder zijn dan tegen je vrienden.

Digitaal

Net zoals mensen gebruiken computers regels, of protocollen, om te communiceren. Protocollen zijn nodig voor computers om te kunnen communiceren over het netwerk. In zowel een bedraad, als in een draadloos netwerk, is een lokaal netwerk gedefinieerd als een gebied waar alles eindapparaten (hosts) dezelfde 'taal' moeten spreken. Bij computers heet dat dat hetzelfde 'protocol' spreken. Bij elk protocol hoort ook een interface die deze communicatie ondersteund.

Netwerkprotocollen defini¨eren vele aspecten van communicatie over het lokale netwerk waaronder:

• Formaat
• Grootte (van een pakket of bericht)
• Timing (verzendsnelheid)
• Codering (elektrische puls of lichtpuls, draadloos)
• Inkapseling (heel belangrijk, zie verder)
• Patroon (welke informatie eerste, wat komt daarna, ...)

Netwerkstandaarden

Allemaal goed en wel, maar met alle nieuwe apparaten die er dagelijks bijkomen, en alle nieuwe netwerkservices die aangeboden worden of geupdated worden, hoe is het mogelijk om al die wijzigingen te managen en toch betrouwbare services aan te bieden zoals email? Het antwoord zijn internet- of netwerkstandaarden.

Een standaard is een combinatie van regels die vertellen hoe iets gedaan moet worden. Netwerk- en internetstandaarden zorgen ervoor dat alle apparaten die met het netwerk connecteren dezelfde set van regels of protocollen bij zich hebben. Door standaarden te gebruiken is het mogelijk voor verschillende types van apparaten (IoT device, smartphone, PC, ...) om informatie naar elkaar te sturen over het internet.

Neem nu volgend voorbeeld, de manier waarop een e-mail is opgesteld, doorgestuurd en ontvangen is bij alle apparaten gedaan via eenzelfde standaard. Als een persoon een e-mail stuurt via een persoonlijke computer kan een andere persoon z'n mobiele telefoon gebuiken om die e-mail te lezen zolang dat die mobiele telefoon dezelfde standaard gebruikt als de persoonlijke computer.

Een internetstandaard is het eindresultaat van een cyclus van discussies, problemen oplossen en testen. Vele verschillende standaarden zijn ontwikkeld, gepubliceerd en onderhouden door een aantal organisaties. Enkele van deze organisaties kan je in onderstaande afbeelding zien:

Wanneer er een nieuwe standaard voorgesteld wordt, wordt elke stap van het ontwikkelings- en goedkeuringsproces bijgehouden in een genummerd Request for Comments of RFC document zodat de evolutie van de standaard volledig te volgen is. RFC's voor internetstandaarden zijn gepubliceerd en onderhouden door de Internet Engineering Task Force (IETF). Je kan de IETF website vinden op http://ietf.org.

Gelaagde modellen

Wel, alles in kannen en kruiken. We hebben protocollen en we kunnen communiceren van één apparaat naar een ander apparaat. Maar hier begint toch wel een klein probleempje de kop op te steken. Stel dat je een apparaat maakt, en je een netwerk gebruikt op basis van glasvezel, dan ga je daar een volledig protocol van maken. Dat wil zeggend dat je een softwareprogramma gaat schrijven je alles moet doen, van interface met de gebruiker, tot het schrijven van drivers en de controller om de glasvezelpulsen te versturen. Wanneer je daarnaast een machine hebt die werkt met koper dan zijn de user interface, het software programma en de driver eigenlijk gelijk. Het enige wat anders is, is de manier waarop de pulsen verstuurd worden, zijnde dit keer elektrisch met een bepaalde spanning. Je begrijpt vast wel dat het opportuun is om die gelijke delen overal hetzelfde te houden, en enkel het stukje dat instaat voor het versturen van digitale bits anders te maken. Zo hoef je geen twee volledige protocollen te maken, maar ga je die opdelen in stukjes, waarbij het stukje voor het versturen van data uitwisselbaar is en al de rest blijft gelijk. Zo is ook geredeneerd bij het maken van protocollen voor netwerkcommunicatie. Laten we geen tien dezelfde dingen doen, maar één iets dat werkt voor verschillende andere protocollen, daar moeten we naartoe.

Sinds het ontstaan van netwerken had je natuurlijk ook weer bedrijven die hun eigen netwerkprotocollen maakten, en zo de gebruikers ervan dwongen om nieuwe machines bij hen aan te kopen aangezien die niet overweg konden met netwerkprotocollen van andere aanbieders. Gelukkig werd dit nog vrij snel ingezien en werd er een algemene standaard (of protocolstack) ontwikkeld die we op vandaag nog steeds gebruiken, de TCP/IP suite (zie hoofdstuk tcp/ip).

Een goede analogie voor deze sectie is hoe een postdienst in elkaar zit.

Wanneer directeur A een brief wil sturen naar directeur B onstaat er een hele weg dat die brief aflegt voordat die bij de ontvanger aankomt. In eerste instantie zal directeur A de brief zelf schrijven en afgeven aan secretaresse A, of zal hij hem dicteren. Dit gebeurt op een bepaalde manier (protocol tussen directeur en secretaresse). Daarna doet de secretaresse de brief in een een omslag, en geeft hem mee met de binnenpost (ook weer een protocol). De binnenpost, op zijn beurt, weet wat hij/zij ermee moet doen en zal alle binnenpost combineren zodat het postbedrijf alles samen komt ophalen (je snapt het al, is ook een protocol).

Het postbedrijf zorgt er vervolgens voor dat de brief via sorteercentra en transport terechtkomt bij bedrijf B. Vanaf daar zie je dat de brief in omgekeerde volgorde bij directeur B aanbelandt. Merk vooral op dat langs beide zijden veel gelijke items zitten en dat wanneer de directeur zijn secretaresse ontslaat hij daar de volgende dag een nieuwe zet en dat die dezelfde functies biedt.

En dan het belangrijkste stuk van deze sectie:

Elke laag in een gelaagd model heeft bepaalde functies die enkel die laag gaat uitvoeren en een dienst levert aan de hogere lagen.

Het voordeel is dat een laag die hoger gelegen is gebruik kan maken van deze functies om zijn eigen functies en diensten opnieuw aan te bieden aan de laag erboven. In de meeste gevallen zijn de onderste lagen de basislagen. Deze zijn technisch complex. Hoe hoger op de ladder, hoe abstracter, en soms eenvoudiger een laag wordt. Lagen kunnen makkelijk vervangen worden, zolang dezelfde functies aangeboden worden aan de laag erboven.

OSI

Voordat we TCP/IP van dichterbij bekijken moeten we het nog even hebben over het OSI model.

In de beginjaren van datacommunicatie was er vooral sprake van leveranciersgebonden oplossingen. Bedrijven kozen voor een oplossing van een bepaalde leverancier en men bleef aan deze leverancier gebonden (vendor lock-in). De International Organization for Standardization (ISO) heeft dan rond 1980 een model ontwikkeld om structuur en standaardisatie in de wereld van datacommunicatie en netwerken aan te brengen. Dit referentiemodel wordt het Open System Interconnection (OSI) genoemd. Het doel van dit model is de mogelijkheid realiseren om elk willekeurig gegevensverwerkend systeem in staat te stellen te communiceren met elk ander gegevensverwerkend systeem door gebruik te maken van OSI-standaarden.

Het geheel van afspraken rondom communicatie wordt een protocol genoemd. Een protocol is een verzameling van regels voor de indeling en betekenis van berichten die tussen de gelijkwaardige entiteiten in een laag worden uitgewisseld.

Applicatielaag (laag 7)

In de applicatielaag vinden we de eindgebruikers terug. Onder eindgebruikers worden in de OSI-terminologie applicatieprogramma's, terminals, terminalgebruikers, randapparatuur, databanken en processen verstaan. De applicatielaag vormt de bron van alle gegevens die uiteindelijk verzonden worden. Samengevat kan worden gesteld dat de belangrijkste functies in de applicatielaag dienen voor het uitwisselen van informatie tussen de verschillende applicatieprocessen.

Presentatielaag (laag 6)

De functies in de presentatielaag zorgen ervoor dat de informatie bestemd voor de eindgebruikers in de juiste vorm wordt aangeboden. Veel toegepaste functies zijn:

• Het converteren van karaktercodes
• Het converteren van commando's
• Karaktercompressie
• Opmaken van gegevens
• Encrypteren van gegevens

Sessielaag (laag 5)

De sessielaag is verantwoordelijk voor het opzetten, onderhouden en verbreken van de dialoog tussen de beide communicerende partijen. De sessielaag bestuurt de dialoog en zorgt ervoor dat knelpunten en problemen met andere dialogen worden opgelost. Daarnaast zorgt deze laag ervoor dat de communicerende partijen zich aan het afgesproken type (simplex, half-duplex of full-duplex) dialoog houden. Ook het gebruik van wachtwoorden wordt in de sessielaag afgehandeld.

Transportlaag (laag 4)

Het kan gebeuren dat het bericht dat door de sessielaag wordt aangeboden te lang is om ineens te worden getransporteerd. De transportlaag zorgt er dan voor dat het bericht in twee of meer delen opgedeeld wordt. Deze handeling wordt segmenteren genoemd. Aan de ontvangstzijde zal de transportlaag ervoor moeten zorgen dat de delen weer worden samengesteld tot het oorspronkelijk bericht vooraleer het daar aan de sessielaag wordt aangeboden. Verder heeft de transportlaag nog een end-to-end taak. Dit wil zeggen dat de transportlaag de controle heeft op het verloop van het transport van bron (eindapparaat) tot bestemming (eindapparaat). De transportlaag controleert namelijk of het volledig bericht foutloos en onveranderd is overgedragen.

Netwerklaag (laag 3)

De netwerklaag heeft één belangrijke taak en dat is het snel en effici¨ent routeren van datapakketten via het netwerk van de ene eindpunt naar de andere eindpunt. Hiervoor zijn de nodes uitgerust met routeringstabellen die aangeven wat de volgende datalink is op weg naar de bestemming.

Datalinklaag (laag 2)

De datalinklaag zorgt voor het tot stand brengen, onderhouden en verbreken van de logische verbindingen tussen twee stations. Bij communicatie waar van één eindpunt naar een ander eindpunt drie tussenliggende apparaten zitten, worden er vier datalinks gelegd. PC - kabel/datalink - switch - kabel/datalink - router - kabel/datalink - switch - kabel/datalink - PC.

Fysieke laag (laag 1)

De fysieke laag beschrijft de mechanische en signaalkarakteristieken die gebruikt worden om de fysieke verbinding tussen de zender en de ontvanger tot stand te brengen.

TCP/IP

Het OSI model is natuurlijk maar een referentiemodel. Het vertelt wat elke laag moet kunnen maar het vertelt je niet hoe je dit technisch moet gaan implementeren. Daarom is er nood aan een uitgewerkt model. Bij alle netwerkprotocollen of -stacks zal je zien dat ze hier grotendeels aan voldoen. Ook voor de uniforme TCP/IP protocolstack heeft men beslist om hieraan te voldoen.

Het TCP/IP internetmodel bestaat slechts uit vier lagen (in plaats van zeven). Het gaat hier (van onder naar boven) over de:

• Netwerktoegangslaag: controleert de hardware (routers, switches, NIC, etc) en de transmissiemedia (kabels, wireless, etc).
• Internetlaag: staat gelijk aan de netwerklaag in OSI = op een zo efficiënt mogelijke manier data versturen over verschillende tussenstations van verzender naar ontvanger.
• Transportlaag: verzorgt de communicatie tussen verschillende apparaten over verschillende netwerken. Deze laag zorgt voor een zo complete mogelijke communicatie, met andere woorden, dat alles volledig en zonder fouten aankomt.
• Applicatielaag: is alles wat met de gebruiker te maken heeft. Het representeert de verstuurde data aan de gebruikers, het zorgt voor coderen, decoderen, encrypteren etc. Wanneer je het OSI model en het TCP/IP model naast elkaar legt dan zie je dat het TCP/IP model zeker en vast het OSI referentiemodel volgt, zij het door enkele zaken te gaan combineren.

In bovenstaande afbeelding zie je hoe het TCP/IP model gebruikmaakt van de 7 standaardlagen van het OSI model. Laag 5, 6 en 7 worden gecombineerd in de Applicatielaag van het TCP/IP model. Daarbij moet je weten dat alle functies beschreven in die drie lagen van het OSI model vervat moeten zitten in elk van de protocollen (FTP, HTTP, ...) die je ziet staan in de Applicatielaag van het TCP/IP model. Hetzelfde geldt voor de Transportlaag, die in beide modellen gelijk is. De netwerklaag stemt 1 op 1 overeen met de internetlaag. Als laatste zijn laag 1 en 2 uit het OSI model gecombineerd in de netwerktoegangslaag van het TCP/IP model. De functies, services en/of diensten in die twee lagen worden gecombineerd in 1 laag van het TCP/IP model.

Een goede vergelijking is hier terug te vinden.

Inkapseling

Uit het voorbeeld op afbeelding 2.65 zien we dat elke stap of laag zo z'n eigen protocol bezit. En bij elk protocol hoort natuurlijk een hoop informatie (zie eerder in deze cursus: patroon, encryptie, ...). Het uiteindelijke doel is dat verzender en ontvanger kunnen praten met elkaar en dan moeten ze dezelfde taal spreken. Als directeur A Engels spreekt en z'n brief zo laat uittikken, dan vermoeden we dat directeur B ook Engels spreekt. Wanneer directeur B Frans zou praten zal er niet veel communicatie zijn.

Om dit te bewerkstelligen gaan we in elke laag een beetje informatie toevoegen aan het te versturen bericht. Zo gaan we bijvoorbeeld meegeven dat de brief in het Engels opgesteld is. Daarnaast wordt er zeker informatie meegeven wanneer de brief het bedrijf verlaat, en dat is het adres. Waar moet die brief ook juist naartoe. Weet dat dit ook een protocol is en er wordt informatie toegevoegd, want dat adres wordt altijd opgesteld in een bepaald formaat.

Goed om weten is dat het te sturen bericht steeds van een andere verpakking wordt voorzien. Alleen de buitenste verpakking is interessant voor de laag die service moet verlenen. Wat er in de verpakking zit is voor deze laag niet interessant. Elke laag werkt volgens bepaalde afspraken. Een reorganisatie binnen één bepaalde laag heeft geen invloed op de omringende lagen. In het algemeen geldt dat laag N slechts weet heeft van Laag N+1 en van laag N-1.

Alle andere lagen zijn voor laag N verborgen. M.a.w. de secretaresse moet niet weten waar het postkantoor zich bevindt.

Laten we ons nu richten op de zeven lagen van het OSI-model. In voorgaande figuur kan je zien dat station A data aanbiedt aan laag 7. Laag 7 pakt de data in door er een header aan toe te voegen. Laag 6 doet hetzelfde en de volgende lagen eveneens. Steeds geldt dat slechts de buitenste verpakking relevant is. Wat daarin zit, is tijdelijk data geworden. Tijdelijk, want tijdens het uitpakken komt de echte door A verzonden informatie weer te voorschijn.

Het is goed te weten dat de pijlen in de figuur geen daadwerkelijk transport van data voorstellen. Het inpakken geschiedt ter plaatse. Slechts als de gegevens het fysiek medium benutten is er sprake van beweging. Het fysiek medium wordt ook wel eens laag nul genoemd. Het is de koperkabel, glasvezel of radioverbinding.

Ook bij het TCP/IP model is deze inkapseling zeer belangrijk. Elk hoofdstuk in deze cursus gaat tot in detail het gebruikte protocol op de onderste drie lagen bespreken en de bijhorende header. Raak er dus maar aan gewend.

Let erop dat in bovenstaande afbeelding laag 1 en 2 eigenlijk samen de netwerktoegangslaag vormen! Belangrijkste aan deze afbeelding is de benaming en het feit dat er laag per laag gecommuniceerd wordt. Er is geen communicatie tussen laag 3 links en laag 2 rechts, het is communicatie met laag 3 rechts.

Bij de inkapseling krijgt het te sturen bericht op elke laag een header. Binnen netwerktechnologie krijgt ook elke combinatie (hogere data + header) een bepaalde benaming:

• In de applicatielaag spreekt men over een message/bericht.
• In de transportlaag ook over een message maar de benaming segment of datasegmenten zal je ook veel zien.
• Op de internetlaag over een datagram, of over een packet/packet.
• Op de netwerktoegangslaag spreken we over frames.

De volgende hoofdstukken behandelen bovenstaande items laag per laag, startend vanaf de netwerktoegangslaag.