A Inleiding

Vooraf

Communicatie speelt in alle terreinen van ons leven en in alle delen van de maatschappij een essentiële rol.
De manieren waarop we communiceren lopen uiteen van een direct gesprek, van mens tot mens, tussen twee personen, via brieven, boeken, kranten, telefoon, radio, tv, tot een chat-sessie of het versturen van een e-mail of een WhatsApp-bericht.
In veel gevallen is er sprake van communicatie tussen personen, maar communicatie is ook mogelijk tussen een persoon en een computer en tussen computers onderling.

De mogelijkheden voor communicatie ontwikkelen zich de laatste decennia in een snel tempo en hieraan lijkt voorlopig nog geen eind te komen.
SMS en e-mail zijn pas ca. 20 jaar voor een breed publiek beschikbaar. Facebook, Instagram, WhatsApp en Twitter zijn nog veel jonger.
We hebben eigenlijk geen idee welke van deze oplossingen over 20 jaar nog zullen bestaan.

Leerdoelen

Na verwerking van deze interactieve module kun je:

een aantal toepassingen van communicatie beschrijven;
aangeven hoe toepassingen met behulp van technische middelen gerealiseerd worden;
een aantal eigenschappen van communicatie beschrijven;
een aantal modellen van communicatie benoemen;
van de modellen de eigenschappen benoemen;
uitleggen wat symmetrische en asymmetrische communicatie is;
aan de hand van voorbeelden een aantal technische eigenschappen van communicatie benoemen;
uitleggen hoe fouten gedetecteerd kunnen worden;
de aspecten van beveiliging in communicatie kunnen benoemen;
uitleggen wat het betekent dat het internetprotocol als universele logische laag voor communicatie wordt gebruikt;
uitleggen aan welke voorwaarden moet worden voldaan om een universele logische laag te realiseren;
de functie en werking van het IP-protocol uitleggen;
de functie van de transportlaag in het internetprotocol uitleggen;
een aantal toepassingen op basis van internet noemen;
van de toepassing de protocollen en hun functie noemen;
uitleggen hoe communicatie over een fysiek kanaal gerealiseerd wordt;
een aantal verschillende technologieën van communicatie over een fysiek kanaal noemen;
van een aantal verschillende technologieën van communicatie over een fysiek kanaal noemen aangeven wanneer ze gebruikt worden.

Bijlagen

Voor deze module maken leerlingen gebruik van de volgende programma’s:

Klik op de link om het programma te downloaden.

Zo werkt het

Je bent begonnen in de module Communicatie en netwerken.
Deze module bestaat uit meerdere onderdelen.
In ieder onderdeel vind je, verdeeld over verschillende pagina's, informatie in de vorm van teksten, afbeeldingen en video's.

Daarnaast ga je zelf aan de slag.
Onder het kopje "Aan de slag" vind je steeds toepassingsopdrachten.
Deze opdrachten maak je alleen of met een klasgenoot.

Er zijn ook oefeningen. Deze herken je aan de blauwe knop met daarop "Oefening".
Een oefening bestaat uit meerdere vragen.
Dat kunnen gesloten vragen zijn, die door de computer worden nagekeken, of open vragen, die moet je zelf nakijken.
Bij een enkele vraag moet je een bestand uploaden.

Van de oefeningen wordt, als je ingelogd bent, de voortgang bijgehouden.
Het resultaat vind je onder de knop "Voortgang".
Deze voortgang is ook door je docent te bekijken.

Succes met de module Communicatie en netwerken.

B Communicatie

Universele infrastructuur

Voor telefoon en televisie zijn indertijd aparte netwerken aangelegd, maar deze toepassingen zijn tegenwoordig of binnenkort via het internet te gebruiken.
Dit geeft vaak een kostenbesparing, zowel voor de aanbieders als voor de gebruikers.
Maar dit zorgt er ook voor dat bedrijven die vroeger hun eigen afzonderlijke markten hadden, zoals tv-kabelbedrijven en telefoniebedrijven, ineens elkaars concurrent worden.
Bovendien maakt de overgang van deze communicatievormen naar het internet allerlei combinaties met andere internetdiensten mogelijk.
Het internet wordt op deze manier de infrastructuur voor bijna alle vormen van elektronische communicatie.
Het loont in veel gevallen niet meer om voor een specifieke vorm van communicatie, zoals telefonie, een apart netwerk te gebruiken.

★ Aan de slag 1

Geef drie vormen van klassieke communicatiemiddelen - ontwikkeld voor het jaar 1970.
Geef een aantal vormen van moderne communicatiemiddelen - ontwikkeld na het jaar 2000.
Welk systeem vormt de basis waarvan de vrijwel alle moderne communicatiemiddelen gebruik maken?
Geef twee voorbeelden van klassieke communicatiemiddelen die ook gebruik maken/gaan maken van het internet.
Welke overwegingen spelen daarbij een rol?

Internetverbinding tussen personen

Het internet is ontstaan als netwerk tussen computers, of eigenlijk als lange-afstandsnetwerk voor de verbinding tussen ("inter") lokale computernetwerken.
Een computer was in die tijd een grote kast met elektronica.

Tegenwoordig zijn computers ingebouwd ("embedded") in mobiele telefoons, printers, auto's, televisies en horloges, en deze ingebouwde computers zijn in veel gevallen verbonden met het internet.
In het vervolg kun je daarom overal waar we over "computer" spreken, ook denken aan een apparaat met een ingebouwde computer.

Doordat mobiele telefoons, in het bijzonder "smartphones", door het internet verbonden zijn, verbindt het internet tegenwoordig personen en computers.
Het is allang niet meer een netwerk voor alleen computers.

Internet of things

Een computer hoeft niet alleen ingebouwd te worden in een apparaat dat toch al veel elektronica bevat.
Het kan zin hebben om allerlei voorwerpen te voorzien van een dergelijke computer met een internetverbinding om daarmee deze voorwerpen te verbinden in het internet.
Het internet verbindt dan niet alleen computers en mensen, maar ook "dingen": het "Internet of Things".
Het voorbeeld van de koelkast met internetverbinding is misschien wat afgezaagd, maar het kan zeker zinvol zijn om een wasmachine aan het internet te verbinding, om deze in te schakelen als de elektriciteit een paar uur goedkoop is, omdat het hard waait of de zon fel schijnt.
Andere voorbeelden zijn: een weegschaal met internetverbinding, een bloeddrukmeter, een glucosemeter, of een voordeur.

Door deze ontwikkeling vormt het internet de communicatie-infrastructuur tot in de haarvaten van de maatschappij.

In het onderstaande filmpje wordt uitgelegd wat het “Internet of Things” inhoudt.
Bekijk het filmpje tot 2:24.

Internet wereldwijd

Het internet is een wereldwijd netwerk.
Het internet is eerst doorgedrongen in landen waar veel mensen toegang hebben tot computers, en in sommige landen hebben de meeste inwoners toegang tot "breedband" internet.
In andere, minder technisch ontwikkelde landen verspreidt het internet zich vooral via de mobiele telefonie en mobiel internet.
Soms geeft dat dergelijke landen een voorsprong boven meer ontwikkelde landen.
In sommige Afrikaanse landen is mobiel betalen even ingeburgerd als bij ons pinnen en internetbankieren via de computer.

★ Aan de slag 2

“Waar vroeger het internet voornamelijk een verbinding was tussen computers is het tegenwoordig ook een verbinding tussen personen.”
Leg deze zin met behulp van een voorbeeld uit.
Bekijk de onderstaande video
Film: Internet of Things

Wat wordt bedoeld met het “Internet of Things”?

Invloed van communicatie

Op de maatschappij

De beschikbaarheid van bepaalde communicatiemiddelen heeft een grote invloed op de maatschappij en de ontwikkeling daarvan.
De ontwikkeling van het schrift, van de boekdrukkunst, van de telegrafie, radio en televisie hebben grote gevolgen gehad voor de maatschappij.

Het internet maakt de wereld kleiner.
Het is nu eenvoudig om op afstand samen te werken, waarbij er, afgezien van een mogelijk tijdsverschil, nauwelijks verschil is tussen een afstand van 20 of 20.000 kilometer.

Op het persoonlijke leven

Mensen hebben altijd veel tijd besteed aan communicatie met anderen.
Door het gebruik van moderne communicatiemiddelen zijn de mogelijkheden hiervoor erg uitgebreid met alle voor- en nadelen die daarbij horen. Het goed kunnen gebruiken van moderne communicatiemiddelen helpt om deze nadelen te verminderen en de voordelen uit te buiten.

★ Aan de slag 3

Ook jij maakt gebruik van verschillende vormen van communicatie.

Maak een overzicht van de communicatiemiddelen (ofwel toepassingen) die je gebruikt
(Voorbeelden van communicatiemiddelen of -toepassingen zijn:
tv, krant, brief, twitter, Facebook, tekst-chat (MSN), sms, vaste telefonie, mobiele telefonie, ...).
Geef aan of je deze dagelijks, wekelijks, of minder vaak gebruikt.
Geef ook aan hoe lang je dit in de aangegeven periode gebruikt.

Toepassing	Frequentie	Duur
Krant	wekelijks	10 min
Televisie	dagelijks	120 min
Mobiele telefoon
E-mail
Brief/kaart	3 keer per jaar	10 min
Whatsapp
Instagram
..........

Maak eenzelfde overzicht voor de communicatiemiddelen die je ouders (en mogelijk je grootouders) gebruiken.
Welke communicatiemiddelen gebruik jij voor het communiceren met je ouders, met docenten, met school?

★ Aan de slag 4

De rol van internet in de communicatie wordt steeds belangrijker.

Welke communicatietoepassingen die jij nu gebruikt zijn gebaseerd op internettechnologie?
Welke zijn niet gebaseerd op internettechnologie?
Welke veranderingen verwacht je in de komende jaren?

★ Aan de slag 5

Hoeveel internetaansluitingen zijn er wereldwijd?
Hoe groot is de groei van het aantal internetaansluitingen tussen 2000 en 2018?
In welke delen van de wereld is de groei het grootst?

★ Aan de slag 6

Ga na welke fitness trackers met een internetverbinding momenteel aangeboden worden.
Welke aanvullende diensten zijn hiervoor beschikbaar?
Koop je een fitness tracker of koop je eigenlijk iets anders?
Wat gebeurt er met je gegevens?
Zou je een fitness tracker zelf willen gebruiken? Waarom wel/niet?

★ Aan de slag 7 (verdiepen)

Nieuwe vormen van communicatie kunnen aanleiding geven tot grote maatschappelijke veranderingen.
Probeer voor elk van de volgende uitvindingen tenminste één grote maatschappelijke verandering aan te geven die voor een belangrijk deel aan die uitvinding toe te schijven is:

de uitvinding van de boekdrukkunst.
de uitvinding van de telegraaf.
de uitvinding van de televisie.
de uitvinding van de radio en televisie.

★ Aan de slag 8 (verdiepen)

Er is een theorie (Stonier, 1983) die stelt dat wanneer het aantal telefoonaansluitingen groter wordt dan 20% van het aantal inwoners, het vrijwel onmogelijk wordt om een dictatoriaal regime in stand te houden.

Zoek tenminste twee artikelen waarin de invloed van de moderne communicatiemiddelen op recente revolutionaire gebeurtenissen besproken wordt.
Houd er rekening mee dat niet alles wat geschreven wordt en op het web gepubliceerd, waar is!

C Toepassingen van communicatie

Communicatie dient een doel

Om over communicatie te kunnen spreken, hebben we een aantal basisbegrippen nodig.
Hieronder bespreken we aan aantal algemene basisbegrippen.
Later gaan we in op een aantal technische begrippen, die overigens ook van belang zijn voor "niet-technische" vormen van communicatie.

Mensen communiceren met een bepaald doel. Een mogelijk doel is het overbrengen van een bepaalde boodschap.
Andere doelen zijn: vragen om informatie te krijgen, overleggen om een besluit te nemen, of gewoon "sociaal contact".

In de communicatiesituaties in deze voorbeelden hebben de deelnemers vaak verschillende rollen.

Middel

Communicatie heeft een middel nodig
Voor de eigenlijke communicatie moet je een geschikt middel kiezen.
Deze keuze bestaat uit twee delen, die niet onafhankelijk van elkaar zijn:

je moet kiezen voor het medium, of in informatica-termen, voor de toepassing waarmee je wilt communiceren;
je moet een formulering kiezen waarmee je via deze toepassing communiceert.

Voorbeelden van toepassingen zijn: telefonie, e-mail, krant, televisie, twitter, WhatsApp, Skype.
Voor de communicatie moet je een formulering kiezen, bijvoorbeeld voor een e-mailbericht.
In het geval van een telefoongesprek moet je eigenlijk een serie formuleringen kiezen, voor elke "beurt" in het gesprek.
Elke formulering vormt een bericht.
De toepassing verzorgt alleen het transport van het bericht, bij voorkeur zonder fouten.
In technische termen spreken we ook over het kanaal dat een bericht of een reeks berichten transporteert.
Voor het kanaal maakt het overigens niet uit wat het doel is van het bericht, zoals de PTT (TNT Post) het vroeger uitdrukte: “Wij hebben geen boodschap aan de boodschap.”

Voor mensen die via een toepassing communiceren, komen er altijd een paar stappen bij.
Je moet als "zender" een formulering ofwel representatie kiezen voor de boodschap, die je via een bericht wilt laten transporteren.
Als "ontvanger" van een bericht moet je proberen deze formulering te begrijpen.
Je moet het bericht interpreteren.

De keuze voor een bepaalde toepassing hangt af van het doel van de communicatie en van de omstandigheden van de communicatie.
Als je een persoonlijk verhaal wilt vertellen aan een vriend of vriendin zou je waarschijnlijk het liefst een persoonlijk gesprek willen, maar moet je vanwege de afstand kiezen voor een telefoongesprek.

Fysiek medium

Communicatie heeft een fysiek medium nodig
De gegevens die in de communicatie overgedragen worden, hebben een fysieke drager nodig.
Voorbeelden hiervan zijn papier, cd met optische putjes, magnetische laag van een harde schijf, flashgeheugen (usb-stick).
Maar ook golven kunnen gegevens overdragen: geluidsgolven, licht, radiogolven, elektrische golven (in de vorm van elektrische signalen in een draad).

Zoals we zullen zien maakt internetcommunicatie via veel verschillende media mogelijk op een manier dat gebruikers zich over deze media nauwelijks of geen zorgen hoeven te maken.
De eigenschappen van veel gebruikte fysieke communicatiemiddelen worden uitgebreider besproken in het gedeelte over de fysieke laag.

★ Aan de slag 9

Communicatie heeft een middel ofwel toepassing nodig.

Geef enkele voorbeelden van toepassingen waarmee je kunt communiceren.
Wat wordt bedoeld met het bericht?
Wat wordt bedoeld met het kanaal?

★ Aan de slag 10

Ga voor de volgende situaties na welke communicatiemiddelen je zou kunnen gebruiken.
(In sommige gevallen lijkt een direct gesprek de beste en eenvoudigste oplossing; ga er voor deze opgave vanuit dat door omstandigheden alleen contact op afstand mogelijk is.)

afspraak maken met de tandarts.
afspraak maken met een vriend(in).
afspraak maken met een groep vrienden.
vriend(en) vertellen over het afgelopen weekend.
contact houden met je ouders tijdens je vakantie.
grootouders/familie vertellen over de afgelopen vakantie.

Geef voor elke situatie aan welk communicatiemiddel jouw voorkeur heeft en leg uit waarom?

★ Aan de slag 11

Communicatie heeft een fysiek medium nodig.
Geef enkele voorbeelden van fysieke media.

E-mail

Communicatietoepassing: e-mail
In het geval van e-mail is er sprake van een duidelijke rolverdeling in de communicatie: er is een (af)zender en een ontvanger.
De communicatie bestaat uit het transporteren van een e-mailbericht van de zender naar de ontvanger.
De zender moet het bericht van de nodige extra informatie voorzien: het adres van de ontvanger, het adres van de zender, en het onderwerp.
Na het moment van versturen is de communicatie voor de zender afgelopen.
Je kunt een eenmaal verstuurd bericht niet meer beïnvloeden (hoewel je dat soms wel zou willen).
De ontvanger ontvangt dit bericht enige tijd later.

Je kunt niet voorspellen hoe lang een bericht onderweg is.
Omdat de momenten van zenden en ontvangen zo ver uit elkaar kunnen liggen, is er geen interactie tussen zender en ontvanger mogelijk.

Samengevat zijn de belangrijkste eigenschappen:

de eenheid van communicatie is het e-mail bericht;
een bericht is voorzien van de adressen van ontvanger en zender (en van een onderwerp);
het tijdstip van ontvangen valt niet samen met het tijdstip van zenden. Er is geen interactie tussen zender en ontvanger mogelijk.

E-mail verschilt in bovengenoemde eigenschappen nauwelijks van traditionele briefpost.
Net als in het geval van briefpost kun je op basis van e-mail andere communicatietoepassingen maken.

Enkele voorbeelden van toepassingen op basis van briefpost:

correspondentieschaak (elke brief/kaart bevat een zet);
briefwisseling (een conversatie met geruime denktijd voor de deelnemers);
schriftelijk onderwijs (materiaal en begeleiding via briefpost);
thuiswinkel (via postordercatalogus).

Merk op dat het karakter van de toepassing aan de ene kant beïnvloed wordt door de onderliggende toepassing, maar dat de toepassing ook een eigen karakter heeft.

Telefonie

Communicatietoepassing: telefonie
Een ander voorbeeld van een communicatietoepassing is telefonie.
Voor dit voorbeeld maakt het geen verschil of we te maken hebben met klassieke telefonie, mobiele telefonie of internettelefonie.

Telefonie maakt het mogelijk om een "gesprek op afstand" te voeren.
De communicatie verloopt voor de beide deelnemers gelijktijdig.
Dit betekent dat er interactie tussen de deelnemers mogelijk is.
Afgezien van het feit dat iemand het initiatief moet nemen tot de communicatie, zijn de rollen eigenlijk symmetrisch.
Beide deelnemers zijn afwisselend "zender" en "ontvanger".
Hoewel je tegelijk kunt spreken, is dat in de praktijk meestal niet zo handig.
De eenheid van communicatie is het telefoongesprek.
Deze bestaat eigenlijk uit twee continue geluidsstromen, voor elke deelnemer één.
De communicatie vindt voor beide deelnemers op hetzelfde moment plaats.
Hierdoor is het mogelijk om interactie te hebben, waarbij de een direct reageert op de ander.

Samenvattend:

de eenheid van communicatie is het (telefoon)gesprek;
voor een telefoongesprek moet een verbinding opgebouwd worden, waarbij de initiatiefnemer het telefoonnummer van de andere deelnemer(s) moet opgeven;
tijdens de communicatie weet iedere deelnemer met wie hij verbonden is. Er is geen verdere adressering nodig;
de communicatie vindt plaats door een continue geluidsstroom voor elke deelnemer, die door de andere deelnemer(s) ontvangen wordt;
aan het eind van de communicatie moet de verbinding verbroken worden;
door het gelijktijdige karakter van de communicatie is er interactie tussen de deelnemers mogelijk.

Ook op basis van telefonie zijn weer andere toepassingen mogelijk. Enkele voorbeelden daarvan zijn:

belspelletjes (in combinatie met radio);
telemarkering via call-centers;
dienstverlening op afstand (klantendienst etc.);
telefoonboom (populair bij scholen vóór de komst van internet).

Muziek en video

Communicatietoepassing: muziek en video
Voor de distributie van muziek zijn er tegenwoordig veel mogelijkheden naast de traditionele fysieke distributie via cd’s, langspeelplaten of cassettes.

De eerste mogelijkheid is het downloaden van een muziekstuk.
In dit geval wordt het gehele muziekstuk overgestuurd naar de computer van de ontvanger, waar dit vervolgens onafhankelijk van enige communicatie zo vaak je maar wilt afgespeeld kan worden.
De zender heeft in dit geval geen invloed meer op de inhoud en de kwaliteit.

Een tweede mogelijkheid is het op verzoek afspelen via het web, zoals in het geval van YouTube.
In dit geval wordt de inhoud op verzoek van de gebruiker (luisteraar) via het web verstuurd naar de computer.
Het afspelen begint zodra er voldoende lokaal gebufferd is om problemen in de communicatie op te vangen.
Het is in dit geval niet nodig om het totale muziekstuk op enig moment lokaal beschikbaar te hebben.

Een derde mogelijkheid is continue streaming, zoals in het geval van internetradio.
Dit biedt "real time" mogelijkheden.
Ook hier is weer buffering nodig om problemen in de communicatie op te vangen.

Samenvattend:

in de meeste gevallen speelt gelijktijdigheid van het optreden en het beluisteren geen rol.
Alleen streaming als bij internetradio leent zich hiervoor;
bij het downloaden van een muziekstuk ligt het initiatief bij de ontvanger.
Na het downloaden heeft de zender geen zeggenschap meer over het afspelen;
bij "video on demand" als YouTube ligt het initiatief bij de ontvanger.
Omdat de video bij elk afspelen opnieuw opgehaald moet worden, blijft de zender zeggenschap houden over het afspelen;
bij continue streaming ligt het initiatief bij de zender.
De ontvanger kan een dergelijke stroom alleen aan- of uitzetten.

Continue streaming is een vorm van "broadcast", als bij gewone radio en televisie.
De zender stuurt een bericht of een stroom data naar iedereen die dit wil gebruiken.

Protocollen en interactie

Een protocol is een verzameling regels voor de interactie tussen twee of meer deelnemers, met een bepaald doel.
Dit doel kan bijvoorbeeld zijn:

zorgen voor voortgang in de interactie;
standaardiseren van de interactie, zodat de deelnemers op elk moment weten wat er van hen verwacht wordt en wat ze van de andere deelnemers kunnen verwachten;
voorkomen dat er meer dan één persoon tegelijk spreekt (bijvoorbeeld in de klas);
voorkomen dat er een onveilige interactie tussen de deelnemers plaatsvindt.

Voorbeelden van protocollen vind je bij:

interactie tussen verkeersdeelnemers en verkeerslichten;
interactie tussen mens en geldautomaat;
interactie tussen personen in een klaslokaal;
interactie tussen personen in een telefoonconferentie.

Protocollen spelen een grote rol in de informatica, in het bijzonder bij computercommunicatie.

★ Aan de slag 12

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van de communicatietoepassing e-mail?
Verschillen de eigenschappen van e-mail wezenlijk met die van traditionele briefpost?
Licht je antwoord toe
Mag e-mail gebruikt worden als bewijs in een juridisch conflict?

★ Aan de slag 13

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van de communicatietoepassing telefonie?
Leg het bovenstaande schema uit.

★ Aan de slag 14

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen voor de “moderne” distributie van muziek en video?
Wat wordt bedoeld met continue streaming?
Zoek met behulp van het web op wat broadcast is.

★ Aan de slag 15

In veel communicatiesituaties worden rituelen en impliciete of expliciete afspraken gebruikt om de communicatie soepel te laten verlopen.
Een voorbeeld hiervan is een telefoongesprek.
Het is gebruikelijk dat degene die opgebeld wordt zich meldt met zijn naam of met een anoniem "Hallo".
Daarna meldt degene die opgebeld heeft zich en geeft aan waarvoor hij belt.

Dit vaste ritueel is een "protocol".
Dankzij dit protocol weet elke deelnemer op elk moment wat er van hem verwacht wordt en verloopt de communicatie zonder situaties waarin bijvoorbeeld beide deelnemers tegelijk spreken.

Geef één of meer voorbeelden van dergelijke protocollen die gebruikt worden in de dagelijkse communicatie.

Berichten versus Stromen

Berichten versus verbinding met stromen
In de voorbeelden hiervoor hebben we twee soorten communicatie gezien voor de communicatie tussen twee personen, of een kleine groep deelnemers.

Bij telefonie gaat het om een stroom gegevens die overgestuurd wordt, of zelfs om twee stromen: voor elke richting één.
Er is sprake van een verbinding, in elk geval in de ogen van de gebruiker.
Voor de communicatie moet de verbinding opgebouwd worden, waarbij een vorm van adressering een rol speelt, bijvoorbeeld in de vorm van telefoonnummers.
Tijdens de communicatie daarna is er geen adressering meer nodig.
Aan het einde van de communicatie moet de verbinding verbroken worden, wat ook het einde van de stroom(en) aangeeft.
Er is sprake van gelijktijdige en symmetrische communicatie.
Dit maakt interactie tussen de deelnemers mogelijk.

Bij e-mail, SMS, of de traditionele briefpost heb je te maken met berichten als eenheid van communicatie.
Een bericht heeft een duidelijk begin en einde.
Je moet elk bericht apart adresseren.
De communicatie is asymmetrisch.
Er is sprake van een afzender en een ontvanger.
Bovendien is de communicatie niet gelijktijdig voor de deelnemers.
Er is geen interactie mogelijk.

Deze modellen, berichten versus verbindingen met stromen, komen we op allerlei niveaus tegen.
We geven hier alvast een overzicht. Later zullen we dit in meer detail uitleggen:

Toepassingsniveau	Berichten	Verbindingen, stromen
Internet-niveau	IP: pakketten	TCP: verbindingen, stromen
Niveau van fysieke middelen	Ethernet: pakketten	Traditionele telefonie (POTS): geschakelde verbindingen (draden en schakelaars)

Wat we zullen zien, is dat we berichten op een bepaald niveau kunnen verwezenlijken met behulp van verbindingen op een lager niveau en omgekeerd.
Een fraaie illustratie hiervan vormt e-mail:

e-mail: berichten;
op basis van TCP: verbindingen en stromen;
op basis van IP: pakketten;
op basis van Ethernet: pakketten (frames).

Een ander voorbeeld is internettelefonie:

telefonie: verbindingen en stromen;
op basis van UDP: pakketten (datagrammen);
op basis van IP: pakketten;
op basis van Ethernet: pakketten (frames).

Later zullen we deze begrippen verder uitleggen, en zullen we proberen duidelijk te maken waarom we op een bepaald niveau kiezen voor berichten of juist voor verbindingen en stromen.

Als we een bericht (pakket) willen versturen over een verbinding, als onderdeel van een stroom, dan moeten we het begin en het einde van het bericht duidelijk aangeven en moeten we het bericht van de nodige adresgegevens voorzien.

Als we een stroom gegevens willen versturen door middel van pakketten, dan kunnen we deze stroom in segmenten splitsen, elk segment in een pakket versturen en aan de zijde van de ontvanger de segmenten weer samenvoegen tot één stroom.

Als de pakketten mogelijk in een andere volgorde kunnen aankomen dan ze verstuurd zijn, dan moeten we elk segment van een volgnummer voorzien zodat we bij de ontvanger de stroom weer kunnen reconstrueren.

In het geval van internettelefonie gebeurt dit splitsen, oversturen, en samenvoegen zo snel dat een gebruiker hier niets van merkt.

★ Aan de slag 16

Iedere communicatievorm kent bepaalde eigenschappen.
De eigenschappen van de toepassing bepalen voor een belangrijke deel de keuze van de gebruiker voor die toepassing.

Er kan sprake zijn van gelijktijdige (synchrone) of niet gelijktijdige (asynchrone) communicatie.
Geef van beide eigenschappen een voorbeeld.
Daarnaast is er ook een onderscheid tussen symmetrische en asymmetrische communicatie.
Leg beide eigenschappen uit.
Geef van beide eigenschappen een voorbeeld.

★ Aan de slag 17

Wanneer de communicatie bestaat uit een stroom van gegevens, dan moeten er extra voorzieningen worden getroffen om de communicatie goed te laten verlopen.
Leg uit welke voorzieningen er getroffen worden.

★ Aan de slag 18

Op school wordt gebruik gemaakt van een omroepsysteem om aan het eind van de les of tijdens pauzes boodschappen te versturen.

Welk model van communicatie is op dit systeem van toepassing?
Welke verschillende groepen/individuen in de school kun je onderscheiden?
Op welke manier kan de zender van het bericht de groep waarvoor het bericht bestemd is, attenderen op het bericht?

★ Aan de slag 19

In deze opdracht gaan we uit van de communicatie tussen twee personen.
We laten hiermee bijvoorbeeld radio, televisie, en YouTube, e.d., buiten beschouwing.

In sommige situaties is er sprake van een communicatie waarbij de verschillende deelnemers direct met elkaar in contact staan en direct op elkaar kunnen reageren.
In een dergelijke situatie vindt de communicatie gelijktijdig (synchroon) plaats en zijn de rollen vaak symmetrisch.
Voorbeelden hiervan zijn telefonie, en chat.

In andere situaties is er sprake van een bericht dat verstuurd wordt en dat enige tijd later bezorgd wordt.
In dit geval is er sprake van verschillende tijdstippen van communicatie voor zender en ontvanger (asynchroon), en van een asymmetrische rolverdeling:
het bericht wordt verstuurd door de (af)zender, en ontvangen door de bestemming of ontvanger.

Geef voorbeelden van middelen die gebruikt kunnen worden voor een directe communicatie

Geef voorbeelden van middelen die gebruikt worden (of aanleiding geven tot) een indirecte communicatie.

Direct: gelijktijdig, symmetrisch	Indirect: niet gelijktijdig, asymmetrisch

★ Aan de slag 20

Kies drie van de onderstaande communicatietoepassingen, en geef aan wat voor jouw gebruik de belangrijkste eigenschappen zijn van die toepassingen:
WhatsApp, Twitter, Facebook, vlog, wiki, radio, televisie, krant, een andere toepassing naar eigen keuze.

Toepassing

Eigenschappen

D Communicatie in netwerken

Inleiding

Bij communicatie is er vaak sprake van een netwerk waarover de communicatie plaatsvindt (We bedoelen hier het netwerk op het niveau van de menselijke communicatie, niet op het niveau van computernetwerken).
Hierbij kunnen we onderscheid maken tussen een symmetrisch netwerk, zoals het telefoonnetwerk, geschikt voor symmetrische communicatie en een asymmetrisch broadcastnetwerk, zoals het televisie- of radionetwerk.

Symmetrische netwerken

We beschouwen eerst symmetrische netwerken.
Als je wil communiceren met anderen via een bepaald netwerk, dan is het noodzakelijk dat iedere deelnemer toegang heeft tot dit netwerk.

Toepassingen als bijvoorbeeld WhatsApp en Skype vormen afzonderlijke netwerken.
Je kunt alleen communiceren met personen die toegang hebben tot hetzelfde netwerk.
Wat betreft veel communicatieaspecten hebben WhatsApp, Skype en Facebook daarmee het internet gesplitst in afzonderlijke deelnetwerken.

Voor e-mail geldt dit niet.
Er is sprake van een globaal netwerk.
Wanneer je het e-mailadres van iemand weet kun je die vanaf elke provider een bericht sturen.

De waarde van een netwerk hangt af van het aantal deelnemers dat toegang heeft tot dat netwerk.

Het aantal mogelijke communicatiepartners dat een willekeurig persoon in een netwerk heeft, is gelijk aan het aantal personen N in het netwerk, minus deze persoon zelf: (N-1).

Dit geldt voor elk persoon in het netwerk.
Er zijn dus N*(N-1) verschillende communicaties in het netwerk mogelijk.

Voor grote waarden van N is dit ongeveer N².
Volgens Metcalfe is de waarde van een communicatienetwerk daarom evenredig met het kwadraat van het aantal deelnemers in het netwerk (Wet van Metcalfe).

Als jij de enige bent die telefoon heeft, kun je er niet zoveel mee.

Als iedereen telefoon heeft, kun je er niet zonder.

Asymmetrische netwerken

In het geval van een broadcast netwerk is er sprake van 1 zender en N ontvangers.

Het aantal deelnemers dat (maximaal) bereikt kan worden is gelijk aan de omvang van het netwerk.
Daarom is de waarde van een broadcast netwerk evenredig met het aantal deelnemers in het netwerk (Sarnoff's Law).

Dit verandert niet als er meerdere zenders ("kanalen") zijn.
Elke ontvanger kan maar 1 zender (kanaal) tegelijk ontvangen.

Een onderdeel van de context van gebruik van een communicatie is de verzameling netwerken waar de deelnemers gezamenlijk (gemeenschappelijk) toegang tot hebben.

Verbinden en berichten in netwerken

In het geval van een telefoonnetwerk kun je met zeer veel mensen communiceren, maar niet op elk moment met iedereen.
Op het moment van gebruik maak je een tijdelijke verbinding.

In het oorspronkelijke analoge telefoonnetwerk was dit een elektrische verbinding.
Via de centrales in het netwerk, die als schakelpunten fungeren, worden de telefoondraden van de ene deelnemer verbonden aan de telefoondraden van de andere deelnemer.
Er ontstaat dan een elektrische verbinding, waarbij de trillingen in de microfoon aan de ene kant via een elektrisch signaal resulteren in trillingen in de luidspreker aan de andere kant.
Een dergelijke elektrische verbinding heet ook wel een circuit, vandaar dat we dit type netwerk een circuit-switched netwerk noemen.

Op het moment van het gesprek worden de hulpmiddelen (resources), in dit geval de draden en schakelaars die nodig zijn voor deze verbinding, vastgelegd.
Deze kunnen op dat moment niet door anderen gebruikt worden.
Na het verbreken van de verbinding kunnen deze hulpmiddelen weer vrijgegeven worden.
Het tijdelijk vastleggen van resources is één van de typische eigenschappen van een verbinding, op welk niveau deze ook voorkomt.

Als je te maken hebt met een netwerk waarin berichten verstuurd worden, of dit nu briefpost is of het e-mail netwerk, dan worden de hulpmiddelen niet langer gebruikt dan voor het eigenlijke transport nodig is.
Vaak vindt de communicatie in tussenstappen plaats, via schakelpunten (voor briefpost: sorteercentra).
Als een bericht van Z via A en daarna B naar O gestuurd wordt, dan is de verbinding (draad of auto) tussen A en B weer vrij voor andere berichten als het bericht in B aangekomen is.
Een dergelijke aanpak noemen we een packet-switched network.

★ Aan de slag 21

Wat houdt de wet van Metcalfe in?

★ Aan de slag 22

Waarom is de waarde van een broadcast-netwerk gelijk aan de omvang van het netwerk?

★ Aan de slag 23

Leg het verschil uit tussen een circuit-switched netwerk en een packet-switched netwerk.

★ Aan de slag 24

Veel van de communicatiemiddelen of -toepassingen die je gebruikt zijn georganiseerd als een netwerk.
Een voorbeeld hiervan is het telefoonnetwerk, maar je kunt ook e-mail als een netwerk beschouwen of WhatsApp.

Maak een overzicht van enkele van de communicatienetwerken die je gebruikt en geef aan hoe je de andere deelnemer(s), dan wel de bestemming in dit netwerk identificeert of adresseert.

Netwerk	Adres (identificatie)
Telefonie	Telefoonnummer
E-mail	E-mailadres
SMS
WhatsApp
Facebook
Skype

★ Aan de slag 25

Een dergelijk communicatienetwerk heeft de eigenschap dat je alleen kunt communiceren met partijen die op het netwerk aangesloten zijn.
Geef aan op welke netwerken jij aangesloten bent, en met wie je via dit netwerk wel, en met wie je niet kunt communiceren.

Netwerk	wel mee communiceren	niet mee communiceren
Mobiele telefoon
WhatsApp

★ Aan de slag 26

De waarde van een netwerk, zowel voor de aanbieder als voor de gebruiker, hangt samen met het aantal mensen (of andere partijen) die op het netwerk aangesloten zijn.
Als bijna niemand telefoon heeft, kun je niet zoveel met een telefoonaansluiting.
Als bijna iedereen telefoon heeft, kun je er nauwelijks omheen.

Een belangrijk deel van de waarde van een netwerk, en dus van een bedrijf dat een netwerk exploiteert, zit in het aantal aansluitingen.
Dit is een van de redenen waarom de waarde van bedrijven als Facebook zo hoog ingeschat wordt.

Geef van de netwerken waar je (door middel van aanmelding of abonnement) op aangesloten bent aan hoe hoog de waarde van dit netwerk voor jou is en waarom je er niet omheen kunt.

Als je voor dit netwerk een alternatief ziet, geef dat dan aan, ook als je daarop niet aangesloten bent.

netwerk	waarde	waarom?	alternatief
Telefonie	*****	Iedereen	Skype
WhatsApp
Facebook
Twitter

E Technische eigenschappen van communicatie

Inleiding

In het voorafgaande hebben we gekeken naar eigenschappen van communicatietoepassingen die voor een gebruiker direct van belang zijn. In dit gedeelte behandelen we een aantal technische aspecten van communicatie.
Dit betreft eigenschappen van communicatiemiddelen, zoals het telefoonnetwerk of het internet en eigenschappen van de verschillende soorten berichten en data die we via deze middelen willen transporteren.

Om over deze technische eigenschappen te kunnen spreken hebben we een communicatiemodel nodig.
Voor enkelvoudige communicatie gebruiken we het volgende model:
De zender construeert een bericht dat via het kanaal getransporteerd wordt naar de ontvanger.

In dit model is het kanaal de technische term voor het gebruikte communicatiemiddel.
Voorbeelden van een kanaal zijn:

het telefoonnetwerk (van toestel tot toestel);
de brievenpost (van brievenbus tot brievenbus);
een ethernetverbinding tussen twee computers;
een wifiverbinding tussen een computer en een audioset.

Door onderscheid te maken tussen zender, ontvanger, bericht, en kanaal, kunnen we ook de eigenschappen van deze onderdelen afzonderlijk bespreken.

Bij het onderstaande gaan we uit van digitale communicatie, waarbij er tussen zender en ontvanger bits uitgewisseld worden.
Omdat we vrijwel alle berichten die we over zouden willen sturen, in de vorm van bits kunnen representeren, gelden veel van de genoemde eigenschappen ook voor andere dan digitale communicatie, maar dat is niet het onderwerp van dit gedeelte.

Snelheid: bitsnelheid en vertraging

De eerste eigenschap van een kanaal die we bespreken is de snelheid.
Als we het hebben over de snelheid waarmee een bericht vanuit de zender bij de ontvanger aankomt, dan zijn hierbij twee aspecten van belang: de bitsnelheid en de vertraging. (Vertraging noemt men ook wel latency of delay).

Je kunt een digitaal communicatiekanaal voorstellen als een buis met knikkers, of als een snelweg met auto's.
De tijd die het een knikker kost voordat deze het andere eind van de buis bereikt heeft, hang af van de snelheid van de knikkers (de knikkersnelheid), en van de lengte van de buis (deze bepaalt, bij een gegeven knikkersnelheid, de vertraging).

Bij een daadwerkelijke communicatie speelt niet alleen de bitsnelheid van het kanaal een rol, maar ook de bitsnelheid van de zender en die van de ontvanger.
In het algemeen geldt dat we proberen een kanaal te kiezen dat tenminste even snel is als de zender en de ontvanger.
Dan belemmert het kanaal de communicatie niet.

Wat de vertraging betreft kunnen we deze belemmering niet altijd vermijden.
Door het gebruik van telecommunicatie introduceren we altijd een vertraging.
Naast de afstand zorgt de bewerking van het signaal (codering/decodering, compressie/decompressie, encryptie/decryptie), en mogelijke buffering onderweg, voor extra vertraging.
In veel gevallen speelt de afstand slechts een kleine rol.
Het hangt van de aard van communicatie tussen zender en ontvanger af, hoe hinderlijk deze vertraging is.
Voor mensen is een vertraging van 100-200 milliseconden duidelijk merkbaar.

Snelheid van zender en ontvanger

In het geval van de snelheid van de zender of van de ontvanger betreft het altijd de bitsnelheid.
De bitsnelheid van een spraaksignaal, van een "zender" in het geval van telefonie, wordt deze bepaald door het aantal malen per seconde dat het oorspronkelijke, analoge spraaksignaal bemonsterd ofwel gesampled wordt, en door de nauwkeurigheid (het aantal bits) per monster.

Het is soms mogelijk om dit signaal te comprimeren door gebruik te maken van herhalingen en andere vormen van redundantie (overtolligheid) die in het signaal voorkomen.
Omdat we gebruik maken van eigenschappen van de bron, wordt dit broncodering genoemd.
Hierdoor kan dit signaal over een kanaal met een lagere bitsnelheid verstuurd worden.
We moeten dan wel aan de kant van de ontvanger een decodering (decompressie) plaatsen.
De vertraging van het totale kanaal (broncodering, oorspronkelijk kanaal, brondecodering) neemt dan wel toe ten opzichte van die van het oorspronkelijke kanaal.

De vertraging van een kanaal speelt een grote rol voor communicatievormen waarbij interactie belangrijk is.
De snelheid van deze interactie wordt mede bepaald door de vertraging van het kanaal.

★ Aan de slag 27

Welke rol speelt het kanaal in de communicatie?
Geef twee voorbeelden van een kanaal.

★ Aan de slag 28

Stel je hebt twee kanalen met de volgende eigenschappen:

	kanaal A	kanaal B
bitsnelheid	10 Mbit/s	100 Mbit/s
vertraging	20 ms	30 ms

Je wilt een bestand van 100 kbit (10 kB) oversturen (ca. 10 kB, als we voor het rekengemak even aannemen dat 1 byte 10 bits is).

Hoelang duurt het voordat dit bestand door kanaal A overgestuurd is?
Hoelang duurt het voordat dit bestand door kanaal B overgestuurd is?

Hetzelfde doen we voor een bestand van 100 Mbit (ca. 10 MB).

Hoelang duurt het voordat dit bestand door kanaal A overgestuurd is?
Hoelang duurt het voordat dit bestand door kanaal B overgestuurd is?
Wat kun je hieruit concluderen?

★ Aan de slag 29

Geef een aantal oorzaken van vertraging die in een communicatie kan optreden.

★ Aan de slag 30

Als je spreekt over de snelheid van de zender of van de ontvanger betreft het altijd de bitsnelheid en niet de vertraging.
Waarom?

★ Aan de slag 31

Wanneer het signaal gecomprimeerd wordt dan neemt de vertraging van het totale kanaal toe ten opzichte van het oorspronkelijke kanaal.
Waarom zou je dan toch gaan comprimeren?

★ Aan de slag 32

Stel je een buis voor gevuld met knikkers.
De knikkers passen net door de buis en vullen de buis geheel.
We gebruiken dit als model voor een communicatiekanaal.

Je kunt de knikkers vervangen door bits of door samengestelde pakketten.

Als de buis geheel gevuld is en je duwt met een snelheid van 1 knikker per seconde nieuwe knikkers aan het ene eind de buis in, met welke snelheid komen de knikkers aan het andere eind dan uit de buis?
Stel de buis is 1 meter lang en een knikker is 1 cm in doorsnede.
Hoe lang doet een knikker in de bovenstaande situatie erover totdat hij er aan het andere eind uitkomt?
Je maakt de buis tweemaal zo lang.
Hoe lang doet een knikker er dan over van "invoer" tot "uitvoer"?
Wat betekent dit voor de snelheid van de knikkers in de buis?
Stel je legt twee buizen van 1 meter naast elkaar en je voert in beide buizen tegelijk de knikkers met 1 knikker per seconde in.
Wat is dan de effectieve snelheid (in knikkers per seconde) van deze combinatie?
Wat is de tijd die een enkele knikker onderweg is (de vertraging)?
Op welke andere manier zou je deze snelheid (in knikkers per seconde) kunnen bereiken?
Wat is in dit geval de tijd die een knikker onderweg is (de vertraging)?

★ Aan de slag 33

Voor mensen is een vertraging van 100-200 ms (0,1-0,2 s) duidelijk merkbaar.

Bij welke afstand merk je deze vertraging in het geval van de snelheid van het geluid in lucht (ca. 300 m/s, preciezer 343 m/s)?
Bij welke afstand merk je deze vertraging in het geval van de snelheid van licht in vacuum (ca. 300.000 Km/s, preciezer 299.792.458 m/s)?

★ Aan de slag 34

Bij het gebruik van een internetverbinding speelt de snelheid daarvan vaak een grote rol.
Om de snelheid te meten kun je verschillende programma’s gebruiken zoals speedtest.
Meer mogelijkheden vind je door te zoeken op "internet speed test".
Bij de testen wordt een verschil gemaakt wordt tussen de "download speed" en de "upload speed" (Bij een aantal van deze testen wordt, naast deze twee snelheden, ook een "ping"-tijd vermeld. Daar komen we in een volgende opgave op terug).

Ga na wat de snelheid (in bits per seconde) is van je internetaansluiting is.
Probeer deze test uit te voeren op een moment dat er geen of erg weinig andere gebruikers in het lokale netwerk zijn. Noteer zowel de "download speed" en de "upload speed".
Ga vervolgens na hoeveel tijd het kost om een bestand van ca. 10 Mbyte van een andere site te laden op je computer. Bepaal uit deze tijd en de grootte van het bestand de snelheid in bits per seconde.
Klopt dit (ongeveer) met de tijd die door het testprogramma bepaald werd?
Kloppen de tijden met de snelheid die de provider aangegeven heeft?
Als er verschillen zijn, hoe kun je die dan verklaren?

★ Aan de slag 35

Bij Deep Packet Inspection (DPI) wordt elektronisch dataverkeer tussen zender en ontvanger inhoudelijk geanalyseerd. Op basis van de inhoud kunnen de pakketjes dan verschillend behandeld worden: geweigerd, gekopieerd naar een andere ontvanger of met een andere prioriteit worden doorgestuurd.

Wanneer je de vergelijking trekt met briefpost dan wordt bij DPI de inhoud van de enveloppe gelezen. Voor de bezorging bevat de header (het adres op de enveloppe) alle informatie.

Een firewall kan, door gebruikmaking van deep packet inspection, ook beschermen tegen ongewenste inhoud zoals spam of computervirussen. Dit gebeurt door de gebruiker zelf.

Een andere toepassing, die vooral voor de film- en muziekindustrie van pas kan komen, is het blokkeren van pakketjes met bepaalde beschermde inhoud. In hoeverre de privacy daarmee geweld wordt aangedaan is een punt van aandacht.

Bij de snelheidstest in “Aan de slag 34” werd ook een zogenaamde ping-tijd vermeld.
Dit is de vertraging die het signaal ondervindt bij de communicatie.
Deze vertraging wordt onder andere bepaald door de afstand die het signaal af moet leggen.
Ook voor deze signalen geldt de lichtsnelheid als absoluut maximum.
Daarnaast zijn er extra hindernissen die onderweg voor extra vertraging zorgen, zoals routers, codeer/decodeerstappen, compressie/decompressie, encryptie/decryptie en filters, bijvoorbeeld voor "deep packet inspection".

Ga voor een aantal internetadressen na wat de ping-tijd is. Dit kun je op verschillende manieren doen:

met behulp van een programma op je computer. Het programma ping is aan te roepen vanaf de opdrachtregel:
ping nl.wikipedia.org;
met behulp van een programma elders op het web, bijvoorbeeld https://www.meter.net/ping-test/
In dat geval moet je wel weten waar dit programma uitgevoerd wordt.

Let op: het gaat hier echt om de zogenaamde ping-tijd.
Je kunt ook de reactietijd van bepaalde websites meten, maar dan heb je met veel meer vertragende factoren te maken dan alleen de vertraging van de communicatie.

Probeer na te gaan hoeveel van deze vertraging door de afstand verklaard kan worden (als je ervan uitgaat dat het signaal zich voortplant met de snelheid van het licht in vacuüm) en hoeveel van deze tijd door andere factoren veroorzaakt wordt.

★ Aan de slag 36

Geef voor de volgende voorbeelden aan wat de vertraging is die je verwacht.
Geef ook aan welke uiterste vertraging in jouw ogen nog redelijk is.

Communicatievorm	Verwachte vertraging	Grootste redelijke vertraging
SMS
E-mail
Chat
Brief
Krant
Televisie

★ Aan de slag 37

Heeft het zin om een groot tekstbestand eerst te comprimeren voordat je dit overstuurt?
Probeer dit uit met behulp van een compressieprogramma naar keuze.
Heeft dit zin voor een mp3-file, of voor een video?
Probeer dit uit met behulp van een compressieprogramma naar keuze.
Kun je het resultaat verklaren?

★ Aan de slag 38 (verdiepen)

In aan de slag 34 heb je de snelheid van de internetverbinding getest.
Je moest de test uitvoeren op een moment dat er geen of erg weinig andere gebruikers in het lokale netwerk zijn.

Probeer de bovenstaande testen uit te voeren met een groot aantal gebruikers tegelijkertijd.
Wat kun je nu zeggen over de resultaten?
Geef daarvoor een verklaring.

★ Aan de slag 39 (verdiepen)

In deze opdracht ga je de benodigde bandbreedte bepalen voor een aantal toepassingen.
Dit kun je doen door een file te nemen van een bepaald soort, bijv. een mp3-file, en de grootte van de file te delen door het aantal seconden dat voor het afspelen daarvan nodig is.

In het geval van een tekst-chat kun je uitgaan van de tijd die je nodig hebt om een tekst in te voeren, bijvoorbeeld aan de hand van het aantal tekens (inclusief spaties!) dat je in een minuut kunt invoeren ("aanslagen per minuut" omrekenen in "bits per seconde").

Bepaal de benodigde bandbreedte voor:

ongecomprimeerde audio (gesproken tekst, telefoongesprek);
gecomprimeerde audio (gesproken tekst);
gecomprimeerde audio (hoge kwaliteit muziek);
tekst-chatten (of SMS);
lage resolutie video (YouTube o.i.d.);
hoge resolutie video (YouTube HD o.i.d.)

Bepaal vervolgens hoeveel van dergelijke communicaties je tegelijkertijd zou kunnen voeren over je internetverbinding, gegeven de snelheid die je in Aan de slag 35 gemeten hebt.

F Foutgedrag en beveiliging

Betrouwbaarheid en foutgedrag

In het voorafgaande hebben we aandacht besteed aan de snelheid van een communicatiekanaal, in termen van bandbreedte (bits per seconde) en vertraging (seconde).
Tot nu toe hebben we verondersteld dat het kanaal perfect (ideaal) is: de bits doorstaan het transport altijd ongeschonden.
In de praktijk is die aanname te optimistisch en moeten we rekening houden met allerlei soorten verstoringen.
Bijvoorbeeld: als we een miljoen bits oversturen, hoeveel van deze bits worden dan in het kanaal verminkt?
Als een bit verminkt wordt, betekent dat in deze context dat het van een 1 in een 0 verandert, of omgekeerd.

Deze verstoringen of fouten kunnen op verschillende manieren optreden.
We maken gewoonlijk onderscheid tussen homogeen verdeelde fouten en fouten die in "bursts" (uitbarstingen) voorkomen: een groot aantal verstoringen in korte tijd.
In een kanaal kunnen beide soorten verstoringen voorkomen.

Een voorbeeld van een "burst" error bij de communicatie in een klaslokaal: een overvliegende straaljager die maakt dat spraak tijdelijk niet gehoord wordt.

Homogeen verdeelde bitfouten zijn een gevolg van "ruis" in het kanaal.
Afhankelijk van het ruisniveau van het kanaal, komen deze fouten vaker of minder vaak voor.
Sommige kanalen, zoals bedrade verbindingen, zijn redelijk tegen ruis af te schermen.
Voor verbindingen op basis van radiocommunicatie, zoals WiFi, is dat veel minder goed mogelijk.

Bij radiocommunicatie komen burstfouten door externe verstoringen ook veel vaker voor.
Een bekend voorbeeld is de magnetron, die in dezelfde radioband werkt als WiFi.

Er zijn twee manieren om de gevolgen van deze fouten te beperken, en de bits toch ongestoord over het kanaal te communiceren.

Foutherstel

Hertransmissie
De eerste manier om de gevolgen van fouten in de communicatie te beperken, is om fouten in een (deel)bericht te detecteren en in het geval van een fout dit (deel)bericht nogmaals over te sturen.
Deze methode wordt bijvoorbeeld in het geval van WiFi gebruikt.
Zoals we zullen zien, is deze aanpak ook de basis van het TCP-protocol.

Foutherstellende codes (kanaalcodering)
De tweede manier is om gebruik te maken van foutherstellende codes: de bits worden zo verpakt dat als er een verstoring plaatsvindt, deze gedetecteerd en hersteld kan worden met behulp van de andere bits die meegestuurd worden. ("Forward error correction")

Een voorbeeld van een foutherstellende code is de Hamming code (zie: Aan de slag 50).
Foutherstellende codering kan zowel gebruikt worden voor homogene bitfouten als voor burstfouten.
Een voorbeeld van dit laatste is de codering van de audio-CD.
Een burstfout doet zich daar bijvoorbeeld voor in de vorm van een beschadiging (kras) op het oppervlak.
Door de bits op de juiste manier te coderen en te verspreiden over het hele oppervlak, kun je ervoor zorgen dat deze fouten gedetecteerd en hersteld worden.
Het goed kunnen coderen en decoderen van signalen en bitstromen is een uitgebreide tak van de technische communicatiewetenschappen.

De codering die gebruikt wordt om problemen in het kanaal te compenseren, wordt wel kanaalcodering genoemd.
De kanaalcodering wordt afgestemd op de eigenschappen van het kanaal.

Vertraging

Foutvrije communicatie kost snelheid en levert vertraging op
Dankzij deze technieken is het mogelijk om een reeks bits door ieder kanaal foutvrij over te sturen.
Dit gaat echter wel ten koste van de snelheid.
Doordat er extra bits nodig zijn voor foutdetectie en -correctie, kunnen er minder databits per seconde overgestuurd worden. Ook neemt de vertraging toe.
Er is tijd nodig voor het herhaald overzenden of voor de codering en de decodering met eventuele foutcorrectie.

Niet voor alle vormen van communicatie is het nodig dat alle bits onverstoord bij de ontvanger aankomen.
In het geval van telefonie bijvoorbeeld is een verstoring niet fataal.
Op grond van de context kunnen mensen vaak nog wel verstaan wat er gezegd wordt en als het tijdelijk (door een burstfout) echt onverstaanbaar wordt, dan is dit voor de betrokkenen eenvoudig te detecteren en te herstellen.
Daarentegen is telefonie wel erg gevoelig voor een toename van de vertraging.
Het is daarom vaak handiger om bij telefonie fouten in enige mate toe te staan, wat resulteert in een kleinere vertraging en gemiddeld een betere kwaliteit.

Veiligheid

Een derde soort eigenschappen van het kanaal heeft betrekking op de veiligheid (security) van de communicatie.
Hieronder verstaan we de volgende aspecten:

authenticatie: weet je zeker met wie je communiceert?
integriteit: komt de boodschap bij de ontvanger zoals deze verstuurd is, zonder dat deze onderweg gemanipuleerd is?
bescherming tegen afluisteren: komt de boodschap alleen bij de bedoelde ontvanger(s) terecht en niet bij anderen?

Deze aspecten komen vaak in combinatie voor.
Het heeft bijvoorbeeld niet zoveel zin om een kanaal te hebben dat beschermd is tegen afluisteren, als je niet zeker weet met wie je communiceert.

Een bekende aanval op de veiligheid is de zogenaamde "Man in the Middle" aanval.

Terwijl Alice denkt dat ze een beschermde verbinding heeft met Bob en omgekeerd, is dit in werkelijkheid een beschermde verbinding met Max, die ook een beschermde verbinding heeft met Bob. Max kan alle berichten van Alice aan Bob doorgeven, zonder dat beiden iets in de gaten hebben en ondertussen de berichten zelf lezen en wellicht ook manipuleren.

Door middel van allerlei slimme coderingen is het mogelijk om voor de combinatie van deze aspecten een oplossing te construeren.
Voor de communicatie betekent dit overigens wel dat er extra bits nodig zijn voor deze codering en in het bijzonder dat er extra vertraging optreedt door de codering en decodering.

★ Aan de slag 40

In de tekst lees je: “Als een bit verminkt wordt, betekent dat in deze context dat het van een 1 in een 0 verandert, of omgekeerd” (het ongevallen bit).
Leg dat uit.

★ Aan de slag 41

Wat is het verschil tussen fouten die in bursts voorkomen en fouten die het gevolg zijn van ruis in het kanaal?

★ Aan de slag 42

Op welke twee manieren kunnen fouten in de communicatie hersteld worden?

★ Aan de slag 43

Een belangrijke eigenschap van een kanaal is de veiligheid van de communicatie.
De volgende aspecten spelen daarbij een rol:

authenticatie
integriteit
bescherming tegen afluisteren

Leg in je eigen woorden uit de rol van deze aspecten in de communicatie uit.

★ Aan de slag 44

Een eenvoudige manier om te controleren of een kleine rij bits mogelijk een transmissie fout bevat, is het toevoegen van een extra bit, een zogenaamd pariteitsbit, in het Engels paritybit.
Het pariteitsbit wordt zo gekozen dat het aantal enen in een woord afhankelijk van de afspraak even (even pariteit) of oneven (oneven pariteit) wordt.

Wanneer een pariteitsbit aan een ASCII-code wordt toegevoegd dan betreft het paritietsbit meestal het most-significant bit (MSB), dat meestal links geschreven wordt.

Bij bijvoorbeeld de 7 databits 1110101 wordt er bij gebruik van een even pariteit een 1 toegevoegd: 11110101, terwijl aan 1110001 een 0 wordt toegevoegd: 01110001.
Dit wordt traditioneel gebruikt om fouten bij de transmissie van 7-bits ASCII-tekens te detecteren.

Er wordt een oneven pariteit gebruikt. Verzonden wordt de 7-bits data 1101110.
Wat is het pariteitsbit dat je hieraan moet toevoegen?
Er wordt een oneven pariteit gebruikt. Verzonden wordt 1100110.
Wat is het pariteitsbit?
Welk nadeel kleeft aan dit systeem?

Het idee van de pariteit, namelijk dat de "som" (checksum) van een aantal waarden aan een speciale eis moet voldoen, kun je ook op een rij getallen loslaten, bijvoorbeeld 16-bits getallen die samengesteld zijn uit twee opeenvolgende (8-bits) bytes.

Er zijn verschillende manieren om een dergelijke som te bepalen. Hierbij is er sprake van een uitruil tussen rekentijd en het aantal fouten dat gedetecteerd wordt: een "som" die meer fouten detecteert, kost meer rekentijd.

★ Aan de slag 45

Als een ontvanger bij de ontvangst van een bericht detecteert dat dit fouten bevat, kan deze in veel gevallen uit het bericht niet meer bepalen waar deze fout zicht bevindt.
Eén van de benaderingen is dan om de zender te vragen dit bericht nogmaals over te sturen.
Beredeneer dat het verstandig is om een groot bericht in delen te splitsen, waarbij elk deel van een eigen checksum voorzien is.

★ Aan de slag 46

In het bovenstaande hebben we gezien dat de ontvanger kan concluderen dat een ontvangen bericht beschadigd is.
Er is echter een probleem als het bericht helemaal verloren geraakt is (Dit kan ook bij briefpost voorkomen, of bij e-mail).
In dat geval is alleen de zender op de hoogte dat er iets verzonden is.
Als je voorzieningen wilt treffen voor dit geval, dan is een gebruikelijke oplossing om de ontvanger te vragen een bevestiging van ontvangst te sturen.
Als de zender binnen een bepaalde tijd (de "time out" periode) na het versturen van een bericht geen bevestiging van ontvangst gekregen heeft, dan kan deze het bericht nogmaals versturen.

Ga na hoe de ontvanger deze ontvangstbevestiging kan gebruiken om de zender tot hertransmissie te bewegen, in het geval van een beschadigd ontvangen pakket.
Als de zender binnen de time-out-periode geen ontvangstbevestiging ontvangen heeft, wat kan er dan gebeurd zijn?
Welke overwegingen zijn van belang bij het kiezen van zo'n time-out-periode?

Bovenstaande situatie kan zich ook voordoen bij het versturen van e-mail of van briefpost.
Het kan helpen om te bedenken hoe jij in een dergelijk geval zou handelen, als het bijvoorbeeld om een belangrijk bericht gaat.

Hoe zou je dat probleem kunnen oplossen?
In het geval van e-mail kan het voorkomen dat de ontvanger zijn e-mail niet gelezen heeft.
Kun je dit als zender onderscheiden van een e-mail die niet aangekomen is?

★ Aan de slag 47

Er zijn grote verschillen in de beveiliging van netwerken, in het bijzonder van lokale netwerken.
Een netwerk kan op verschillende manieren beveiligd worden:

Je kunt indringers buiten de deur houden.
In het geval van een bedraad netwerk (Ethernet) is dat relatief eenvoudig: een indringer moet een fysieke (draad-)verbinding met het netwerk maken, wat in veel gevallen opvalt.
Dat valt overigens niet in alle gevallen op, denk aan een netwerk van een school of van een bedrijf.
In het geval van een draadloos netwerk kan dit afgeschermd worden door middel van WEP (of liever, één van de betere opvolgers: WPA, WPA2).
Dit beschermt het netwerk alleen tegen indringers, niet een gebruiker tegen de andere gebruikers van het netwerk.
Soms heeft een netwerk veel gebruikers, denk bijvoorbeeld aan een netwerk op school, of in een publieke omgeving zoals een station of een hotel.
In dat geval kunnen de andere gebruikers van het netwerk al het andere verkeer ontvangen en lezen, voor zover het niet versleuteld is (met TLS/SSL/https).

Als je een niet-versleuteld wachtwoord stuurt over een WiFi netwerk thuis, wie kunnen dit dan lezen?
Idem, over een WiFi netwerk op school?
Of op het station?

★ Aan de slag 48

Soms speelt de betrouwbaarheid van de verbinding een erg grote rol.
Ga na waarom aangeraden wordt om internettelefonie niet te gebruiken voor alarmlijnen, zoals voor een inbraakalarm of voor een persoonlijk alarm (alarmknop voor senioren).

★ Aan de slag 49

Stel dat de postdienst niet absoluut betrouwbaar is, en dat je geen garantie hebt dat je brief ook daadwerkelijk op tijd bezorgd wordt - maar dat de postdienst wel probeert om de meeste brieven op tijd bezorgd te krijgen.

Hoe zou je hiermee om kunnen gaan?
Kun je in de genoemde situatie onderscheid maken tussen een brief die niet bezorgd wordt en een brief die veel te laat bezorgd wordt?

★ Aan de slag 50 (verdiepen)

De bovengenoemde methode van hertransmissie vereist dat er een interactie plaatsvindt tussen zender en ontvanger.
Dit is een voorbeeld van een protocol.
Maar in sommige situaties is een dergelijke interactie met de ontvanger niet mogelijk, bijvoorbeeld aan situaties waarbij gegevens opgeslagen worden, in het geheugen (RAM), op een harde schijf of op een DVD.

Een alternatieve methode is dan om foutherstellende codes toe te passen: daarmee kun je niet alleen nagaan dat er iets is misgegaan bij de communicatie (of opslag), maar je weet precies welk bit beschadigd is.
Dit kun je dan herstellen. Een voorbeeld van een dergelijke foutherstellende code is de Hammingcode.

Een veel gebruikte vorm is de (4-7) Hamming code, waarbij er door het toevoegen van 4 bits in een 7-bits woord een fout gecorrigeerd worden.

Stel je wilt de volgende bitreeks verzenden: 1010101

In de onderstaande tabel wordt op de plaatsen die geen tweemacht zijn de bitreeks ingevuld.

positie	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
bitreeks			1		0	1	0		1	0	1

Op de posities van de tweemachten (1, 2, 4 en 8) komen de 4 extra bits voor het herstellen van de fout te staan.

Per bit dat verzonden wordt bepalen we de controlebits.

Het eerste bit staat op positie 3: 1.

We herschrijven drie als som van machten van 2: 2⁰ + 2¹ ofwel 1 + 2

In een matrix vullen we onder 1 en 2 het bit van positie 3 in: 1

positie	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
3	1	1

Het volgende bit staat op positie 5: 0.

We herschrijven vijf als som van machten van 2: 2⁰ + 2² ofwel 1 + 4

In een matrix vullen we onder 1 en 4 het bit van positie 5 in: 0

positie	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
3	1	1
5	0			0

Op dezelfde manier worden de controlebits van alle te versturen bits in de matrix gezet.

positie	1	2	4	8
3	1	1
5	0		0
6		1	1
7	0	0	0
9	1			1
10		0		0
11	1	1		1

Voor elke kolom van de matrix wordt het pariteitsbit bepaald.

positie	1	2	4	8
3	1	1
5	0		0
6		1	1
7	0	0	0
9	1			1
10		0		0
11	1	1		1
pariteitsbit	1	1	1	0

De bitreeks die verzonden moet worden is

positie	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
bitreeks	1	1	1	1	0	1	0	0	1	0	1

Hoe werkt nu de herstellende code?

Stel de ontvanger ontvangt niet 11110100101, maar 11111100101. Een bit is verkeerd aangekomen.

De ontvanger haalt uit de bitreeks de zeven bits die het eigenlijke woord moeten voorstellen. Die stonden op de posities 3, 5, 6, 7, 9, 10 en 11.
De ontvanger vindt 1 1 1 0 1 0 1

Om de gevonden data te corrigeren bouwt de ontvanger ook de matrix op:

positie	1	2	4	8
3	1	1
5	1		1
6		1	1
7	0	0	0
9	1			1
10		0		0
11	1	1		1

Van elke kolom wordt ook het pariteitsbit bepaald.

positie	1	2	4	8
3	1	1
5	1		1
6		1	1
7	0	0	0
9	1			1
10		0		0
11	1	1		1
pariteitsbit	0	1	0	0

Als we de zeven andere bits hierbij invullen is het resultaat: 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1

Dat verschilt met de bitreeks, die de ontvanger had ontvangen: 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1

Om de fout te herstellen kijken we naar de vier pariteitsbits.
We zien dat bit 1 en bit 4 verschillen.
Dat betekent dat bit 5 (1+4) verkeerd is aangekomen.

We kunnen het woord nu herstellen:

1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 → 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1

Dit resulteert in de oorspronkelijke 7 databits: 1010101.

Dergelijke foutherstellende codes vormden één van de belangrijke innovaties van de CD.
Hierdoor is het mogelijk om een CD met krassen in veel gevallen zonder verlies van kwaliteit af te spelen.

Toets 1

NOG INVOEGEN

G Het internet als universele logische laag

Inleiding

In het voorafgaande hebben we allerlei communicatietoepassingen gezien, zoals telefoon, e-mail, WhatsApp, televisie.
We hebben ook gezien dat er voor communicatie altijd een fysiek medium nodig is, bijvoorbeeld een elektrische verbinding voor de originele telefonie, een radiogolf voor radio- of televisieomroep of een geluidsgolf in lucht voor een goed gesprek.

In het geval van de oorspronkelijke telefonie en radio-omroep is er een sterke koppeling tussen het fysieke medium en de daarbij behorende technologie enerzijds en de toepassing anderzijds.
"Radio" heet zo omdat dit gebruik maakt van radiogolven, van zenders die op een specifieke frequentie hun signalen versturen.
Ook bij televisie is de verwevenheid van de toepassing met de technologie oorspronkelijk zeer sterk.
Elk beeldpunt op het scherm van een televisietoestel komt daar overeen met een beeldpunt in de camera en de volgorde van de beeldpunten in de camera, in het overgezonden signaal en in het televisietoestel is gelijk.

Tegenwoordig zijn de toepassingen en de fysieke realisaties in veel gevallen niet meer direct gekoppeld.
Dit geldt in het bijzonder voor toepassingen die op computers en op het internet gebaseerd zijn.
Het internetprotocol vormt een universele logische laag voor communicatie.
We gebruiken hier het begrip "logisch" als tegenstelling tot "fysiek":
het internetprotocol is voor een groot deel niets anders dan een verzameling afspraken over de manier waarop bepaalde fysieke componenten gebruikt moeten worden.

Het internet is als logische laag is universeel in twee opzichten:

Voor de toepassingen biedt deze een universele logische laag voor communicatie, onafhankelijk van de gebruikte fysieke verbindingen.
Eenzelfde toepassing, zoals e-mail, het web, of internettelefonie, kan gebruik maken van een combinatie van draadloze verbindingen, bedrade verbindingen en optische verbindingen zonder dat dit zichtbaar is op het niveau van de toepassing.
Voor de fysieke verbindingen vormt dit een universele logische laag, onafhankelijke van de mogelijke te gebruiken toepassingen.
Eenzelfde fysieke verbinding, zoals een stuk Ethernetkabel in een gebouw, kan tegelijkertijd gebruikt worden door een groot aantal verschillende toepassingen, zonder dat dit zichtbaar is op het niveau van de fysieke verbinding.

De universele logische laag van het internet ontkoppelt op deze manier de toepassingslaag en de fysieke verbindingen.
We spreken in dit verband over de toepassingslaag en de fysieke laag.

Deze ontkoppeling van de toepassingslaag en de fysieke laag heeft vergaande consequenties:
de ontwikkeling van de toepassingen is onafhankelijk geworden van de ontwikkeling van de fysieke communicatiemiddelen en -technologie en omgekeerd.
Dit betekent enerzijds dat een nieuwe toepassing, zoals Skype of Twitter, ontwikkeld en ingevoerd kan worden zonder investeringen in fysieke communicatiemiddelen.
Anderzijds betekent dit dat elke nieuwe fysieke communicatietechnologie in principe vanaf het begin al een grote markt heeft, namelijk van alle internet gebaseerde toepassingen.

De logische laag is wel universeel, maar kan geen wonderen verrichten.
Een toepassing stelt vaak minimumeisen aan de fysieke communicatie, alleen een technologie die daaraan voldoet kan gebruikt worden voor deze toepassing.

Bovenstaande heeft tot gevolg dat bedrijven die verschillende communicatienetwerken beheren, die vroeger voor verschillende toepassingen gebruikt werden, nu ineens elkaars concurrenten geworden zijn.
Zowel de kabeltv-bedrijven als een telefoonbedrijf als de KPN bieden internet, telefonie, en televisie.

Digitale codering

We gaan we op een aantal principes van het internet en proberen we duidelijk te maken wat ervoor nodig is om een universele logische laag te realiseren.
Dankzij digitale codering kunnen we alle mogelijke soorten signalen en data transporteren: geluid, beeld, computerdata, software, DNA-codes.
Dit is een belangrijke eerste stap, maar niet alle digitale verbindingen zijn universeel.
Een netwerk voor digitale televisie of voor digitale telefonie is meestal alleen daarvoor ingericht.

Multiplexing

De universele laag zal meerdere toepassingen tegelijk moeten ondersteunen of preciezer meerdere instanties tegelijk van verschillende toepassingen.
Zo kunnen er over een bepaald stuk Ethernetkabel 5 telefoongesprekken gevoerd worden, terwijl er 3 mensen een YouTube filmpje bekijken en tien anderen zitten te surfen.
Om ervoor te zorgen dat dit mogelijk is moeten we de digitale signalen van deze verschillende instanties multiplexen over dezelfde kabel.
Hiervoor zijn verschillende oplossingen mogelijk.
Een relatief eenvoudige is het gebruik van time-multiplexing.
Laten we veronderstellen dat er met elke instantie een stroom bits overeenkomt.
We segmenteren nu elke stroom en laten de segmenten van de verschillende stromen elkaar afwisselen.
Dit levert geen problemen op, als de som van de bandbreedte (ofwel doorvoer) van de verschillende stromen maar kleiner is dan de bandbreedte van de verbinding.

Een belangrijke vraag is, hoe groot we deze verschillende segmenten moeten kiezen.
Omdat we voor elk segment wat extra data nodig hebben, bijvoorbeeld om de verschillende stromen te kunnen onderscheiden, willen we graag zo weinig mogelijk en dus lange segmenten hebben.
Anders hebben we teveel extra bits nodig voor de segmentadministratie. Aan de andere kant kan een lang segment de vertraging van andere segmenten vergroten, wat voor sommige toepassingen een probleem is.
Voor een redelijke bovengrens aan de vertraging moeten de segmenten niet te lang zijn.
Voor het internet is uiteindelijk een compromis gekozen dat tot nu toe goed voldoet.
Dit compromis moet voldoen voor verbindingen met zeer uiteenlopende snelheden, van glasfiber tot WiFi.

Een belangrijke observatie is dat de stromen van de verschillende toepassingen niet homogeen verdeeld zijn.
In een gesprek kunnen stiltes vallen, in het geval van een websurfende gebruiker vindt het laden van pagina's onregelmatig plaats (maar dan liefst wel zo snel mogelijk).
Het is daarom verstandig geen segment te versturen als dat niet nodig is en de grootte van de segmenten niet al te uniform te kiezen.
Dit betekent dat we liever niet werken met een vaste afwisseling van de verschillende stromen, maar dat we in elk segment aangeven bij welke stroom dit hoort.

We zijn zo bijna aangekomen bij het principe van internet: pakketgebaseerde communicatie.
We hebben nog een kleine extra verfijning nodig.

Twee lagen model

De toepassingen waar we mee te maken hebben stellen verschillende eisen.
Voor een deel zijn deze eisen tegengesteld en strijdig.

Voor sommige toepassingen zijn bandbreedte en minimale vertraging van belang.
Een verstoring vormt geen probleem en kan eenvoudig elders opgevangen worden.
Denk bijvoorbeeld aan telefonie: voor een gebruiker is een kleine verstoring geen groot probleem en zelfs bij een grotere verstoring kan een gebruiker dit wel opvangen.
Maar, voor telefonie is vertraging erg vervelend.
Een vertraging van 100-200 ms is merkbaar.

Voor andere toepassingen is elke verstoring één teveel, maar zijn vertraging en bandbreedte minder kritisch.
Voorbeelden hiervan zijn de meeste datatoepassingen, zoals e-mail, gebruik van het web, tekst-chat.

Het internet komt aan deze tegengestelde eisen tegemoet door het gebruik van een tweelagenmodel:
de onderste laag, het IP-protocol (Internet Protocol), vormt een best-effort pakketcommunicatie, "zo dicht mogelijk op de onderliggende hardware".
"Best effort" wil in dit geval zeggen dat pakketten getransporteerd worden zo goed (en kwaad) de hardware dit toestaat.
Er zijn geen garanties voor correcte aflevering of voor aflevering in de juiste volgorde.
Als een pakket niet aankomt, of in de verkeerde volgorde, of beschadigd, dan moet dat probleem elders opgelost worden.

Voor sommige toepassingen is dit goed genoeg, denk aan het telefonievoorbeeld.
Voor andere toepassingen is betrouwbaarheid essentieel.
Hiervoor moet de tweede laag in het protocol zorgen, in de vorm van het TCP-protocol (Transmission Control Protocol).
Dit zorgt, op basis van de best-effort pakketcommunicatie, voor betrouwbare verbindingen (datastromen).
Deze betrouwbaarheid wordt gerealiseerd door in het geval van ontbrekende of beschadigde pakketten te zorgen voor hertransmissie.

Toepassingen waarvoor het best-effort model van de IP-laag voldoende is, kunnen gebruik maken van het UDP-protocol (User Datagram Protocol) in de tweede laag in plaats van TCP.

We moeten in staat zijn om de verschillende datastromen van de segmenten voor de verschillende toepassingsinstanties te identificeren.
Dit kan op basis van de gecombineerde IP+TCP of IP+UDP header-informatie. Een TCP- of UDP-header bevat een poort nummer.
De identificatie van een stroom is dan: ((IP-adres zender, poortnrzender), (IP-adres ontvanger, poortnr ontvanger)).
Hierop komen we later terug.

Het gelaagde IP-model

Het eindresultaat is een gelaagd systeem, waarbij, afgezien van de fysieke laag, de onderste laag gevormd wordt door de internetlaag, met best-effort IP-pakketcommunicatie, daarop de transportlaag, met UDP-datagrammen en TCP-segmenten en daarboven de toepassingslaag.
Deze laatste is meestal niet in pakketten georganiseerd.
Een e-mail bericht bestaat voor TCP uit een stroom data, die op TCP-niveau in segmenten verdeeld wordt.
Deze stapeling van lagen vinden we terug als een nesting van pakketten.
Een TCP-segment is bevat in een IP-pakket, dat weer bevat is in een bijvoorbeeld een Ethernetpakket (ofwel frame).
Voor de behandeling op een bepaalde laag bestaan de bovenliggende lagen uit "data", die zonder verdere interpretatie getransporteerd worden.
Alleen de (header) informatie uit de laag zelf, en soms van de direct onderliggende laag, wordt gebruikt voor de behandeling op die laag.

★ Aan de slag 51

De titel van deze paragraaf luidt: “Het internet als universele logische laag.”

Wat wordt bedoeld met logische laag?
Waarom is de logische laag universeel?

★ Aan de slag 52

Welk voordeel biedt het ontkoppelen van de toepassingslaag en de fysieke laag voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen, zoals Skype en Twitter?

★ Aan de slag 53

Aan welke drie voorwaarden moet worden voldaan om een universele logische laag te realiseren?

★ Aan de slag 54

Het internet onderscheidt zich van andere digitale communicatiesystemen in het feit dat er veel verschillende toepassingen ondersteund worden, en zelfs tegelijkertijd.
Dit betekent dat de toepassingsinstanties gemultiplexed worden over eenzelfde verbinding.
Ga voor een eenvoudig netwerk, bijvoorbeeld je netwerk thuis, na welke toepassingsinstanties tegelijkertijd via dit netwerk communiceren.

★ Aan de slag 55

Wat is de rol van IP in de communicatie?
Wat is de taak van TCP?
Wanneer wordt gebruik gemaakt van UDP?

Internet als universele laag

In dit gedeelte gaan we in op het internet ("TCP/IP") als universele laag tussen de toepassingen aan de ene en de hardware aan de andere kant.
Deze laag ontkoppelt de toepassingen van de hardware.
Op basis van het internet zijn zeer veel toepassingen mogelijk, onafhankelijk van de hardware die voor de verbindingen gebruikt wordt.
Aan de andere kant ontkoppelt deze internetlaag de hardware van de toepassingen.
Als de hardware internetcommunicatie mogelijk maakt, dan kan een groot aantal toepassingen direct van deze hardware gebruik maken. (Dit laatste met enkele kanttekeningen - zie aan de slag 59)

★ Aan de slag 56

Maak een overzicht van een aantal toepassingen, dat je gebruikt of die in je omgeving gebruikt worden
Geef aan welke eisen deze toepassingen stellen met betrekking tot bandbreedte, vertraging, en verstoring of verminking van het afgeleverde bericht.
(Voorbeelden van dit laatste: in een e-mail is elk teken van belang, in het geval van telefonie mag er wel wat storing optreden.)

Toepassing	Bandbreedte	Vertraging	Verstoring?
E-mail	laag	minuten/uren	Niet acceptabel
Telefonie	midden	<100 msec	Enigszins acceptabel
Web
WhatsApp
Internet radio
Downloaden software

★ Aan de slag 57

Een deel van het universele karakter ontleent het internet aan de digitale codering.
Je kunt alle toepassingen op een digitale manier coderen en daarmee is een digitale verbinding in principe universeel.
Er zijn communicatiesystemen die digitaal zijn, maar die maar voor een enkele toepassing gebruikt worden.

Een toepassing kan meerdere instanties hebben die tegelijk actief zijn: een telefoongesprek is een instantie van de toepassing telefonie, een file-download is een instantie van de toepassing filetranser, het ophalen van een webpagina is een instantie van de web-toepassing.

Noem hiervan drie voorbeelden.
Geef aan wat in die gevallen het voordeel is van het gebruik van digitale technologie.

★ Aan de slag 58

De verschillende toepassingen die tegelijk van dezelfde internetverbinding gebruik maken, stellen niet allemaal dezelfde eisen aan de verbinding.
(Zie Aan de slag 56)
In het internet wordt dit probleem opgelost door een stapeling van twee protocollen:
het basisprotocol, IP, verzorgt een "best effort" verbinding van pakketten.
Deze "best effort" verbinding heeft de laagste vertraging, maar is niet absoluut betrouwbaar:
er kunnen, bijvoorbeeld door transmissiefouten, of door een tijdelijke opstopping van een verbinding, pakketten verloren gaan.

Het TCP-protocol verzorgt betrouwbare verbindingen op basis van dit IP-protocol.
Dit gaat ten koste van extra vertraging.

Het UDP-protocol vormt een dun laagje op basis van het IP-protocol, waarbij de eigenschappen met betrekking tot geringe vertraging, en niet-gegarandeerde aflevering gehandhaafd blijven.

Ga voor de toepassingen in “Aan de slag 56” na welk soort protocol het meest wenselijk lijkt: TCP of UDP, en waarom.

Toepassing	Protocol	Reden
E-mail
Telefonie
Web
WhatsApp
Internet radio
Downloaden software

★ Aan de slag 59

De internetlaag schermt de specifieke eigenschappen van de hardware af voor de toepassingen.
Op het niveau van de toepassing hoef je niet te weten of de communicatie via een draadloos netwerk verloopt, via een bedraad netwerk, of via een glasvezel of via alle drie tegelijk.
Maar de internetlaag kan geen wonderen verrichten.
De eigenschappen van de hardware, bijvoorbeeld met betrekking tot snelheid (bandbreedte, vertraging) en foutgedrag, zijn op het niveau van de toepassing te merken.

Geef enkele toepassingen die problemen hebben met een verbinding van 10 kbit/s
Geef enkele toepassingen die daar geen probleem mee hebben.
Geef enkele toepassingen die problemen hebben met een verbinding met een vertraging van 1 seconde.
Geef enkele toepassingen die daar geen probleem mee hebben.

★ Aan de slag 60

Geef voor de onderstaande begrippen aan in welke laag deze thuishoren:

Toepassing	Laag
Zoekmachine
IP
UDP
e-mail
TCP
UTP
WiFi base station
Router
Switch
Web
Modem
ADSL
SMS
Ethernet

H Het IP-protocol

Inleiding

Het internet vormt een netwerk van netwerken.
Het internet verbindt lokale computernetwerken (waarbij we lokaal soms met een korrel zout moeten nemen).
Het kan ook gaan om een lange afstandsverbinding, maar dat maakt voor de structuur van het internet niet uit.
Elke computer in het internet, ook wel host genoemd, is in eerste instantie verbonden aan een lokaal netwerk, dat op zijn beurt weer verbonden is met andere lokale netwerken in het internet.
De verbindingen tussen de lokale netwerken worden gelegd door speciale computers, routers, die twee of meer lokale netwerken verbinden.

In de bovenstaande figuur stellen de rondjes (met letters) computers en routers voor. Wolken (met nummers) zijn de netwerken.
Een pijl stelt de verbinding tussen een computer en een netwerk voor.
Een enkele pijl (hier alleen "3") verbindt rechtstreeks twee computers.
Een dergelijke verbinding beschouwen we als een afzonderlijk netwerk, mogelijk in de vorm van een lange afstandsverbinding.

Voorbeeld
Het transport van een pakket van host (computer) F naar host K verloopt als volgt:

F stuurt het pakket via het netwerk 4 naar router E.
Deze stuurt het via netwerk 3 (een enkele kabel) naar router J.
Vandaar gaat het in het lokale netwerk 5 naar host K.

Routers

Een router verbindt twee of meer netwerken en verzorgt de communicatie tussen die netwerken.
Een router heeft een netwerkinterface voor elk netwerk waarin deze verbonden is.

Een router opereert op het niveau van de internet(IP)-laag en daaronder.
De gegevens van de hogere laag protocollen worden zonder verdere interpretatie doorgegeven als ware het een gesloten enveloppe.

Bovenstaande figuur geeft een deel van een netwerk weer: een verbinding tussen twee eindpunten (computers) via twee routers.
De daadwerkelijke fysieke verbinding wordt gevormd door de fysieke of link-laag.
De netwerklaag of internetlaag (IP) zorgt voor de communicatie over en tussen de verschillende verbindingen.
De transportlaag (TCP, UDP) zorgt voor de aanpassing van de internetlaag aan de toepassing.
Zoals gezegd is deze aanpassing alleen in de computers in de eindpunten aanwezig.

End-to-end principe

Het netwerk verzorgt daarmee alleen het relatief eenvoudige best-effort transport van IP-pakketten.
De complexere afhandeling van de hogere niveaus van het internetprotocol, zoals de afhandeling van fouten door het TCP-protocol, vindt plaats in de eindpunten van het netwerk.
Deze aanpak heet wel het end-to-end principe.

In het geval van het internet is deze aanpak mogelijk doordat de eindpunten veelal redelijk krachtige computers zijn, zelfs in het geval van een mobiele telefoon.

Dit end-to-end principe is fundamenteel anders dan de keuze die bijvoorbeeld bij het oorspronkelijke telefoonnetwerk gemaakt is.
Daar was het van belang om de eindpunten, de telefoontoestellen, zo eenvoudig en goedkoop mogelijk te houden.
Dit betekende vaak meer complexiteit in het netwerk, dat bovendien overal aangepast en geoptimaliseerd was voor telefonie.

Een van de gevolgen van dit principe is dat elke functionele uitbreiding van het netwerk in de eindpunten kan plaatsvinden.
Daarvoor is geen aanpassing van het netwerk nodig en geen toestemming van een netwerkbeheerder.
Dit geeft een ongekende flexibiliteit voor gebruikers en ontwikkelaars.

Adressering

Zoals eerder uitgelegd maakt pakketcommunicatie het mogelijk om een verbinding te gebruiken voor meerdere computers en meerdere toepassingen tegelijk.
Maar we moeten dan wel een mechanisme hebben om deze pakketten op de juiste plaats bezorgd te krijgen, bij de juiste computer en bij de juiste toepassing.

De elementen hiervoor zijn adressering en routering (bezorging).
We beschouwen eerst het probleem van de adressering van computers in het internet en bezorging bij de juiste computer.
Het adresseren van de toepassing en het bezorgen bij de juiste toepassing komt later aan bod (bij de transportlaag).

Adressering computers in het internet
De adressering en de bezorging staan in het internet niet los van elkaar.
Een adres in het internet (IP-adres) identificeert een computer, of beter gezegd, een netwerkinterface van een computer.
Een router is in meerdere netwerken verbonden, via verschillende interfaces. Een router heeft dus ook meerdere IP-adressen.
Een IP-adres bestaat uit twee gedeelten: het netwerkadres en het adres van het computer-netwerkinterface in dat netwerk.
De bezorging van een pakket vindt in twee stappen plaats: eerst wordt dit pakket bij het juiste netwerk afgeleverd en vervolgens wordt het bij het juiste computer-netwerkinterface in dat netwerk afgeleverd.
Een gevolg van deze aanpak is dat het IP-adres van een computer afhangt van het netwerk waar deze computer in verbonden is.
Eenzelfde laptop die in het netwerk van school verbonden is, zal daar een ander IP-adres hebben dan deze laptop in het netwerk thuis.
Een ander gevolg is dat een computer die in meerdere netwerken tegelijk verbonden is, voor elk van die verschillende netwerken een eigen IP-adres heeft.
Dit geldt in het bijzonder voor de routers.
Deze zijn tegelijk in verschillende netwerken verbonden.

Bezorging pakket in een lokaal netwerk
De bezorging van een pakket binnen het lokale netwerk van de bestemming maakt gebruik van de fysieke laag van het betreffende netwerk, bijvoorbeeld Ethernet of WiFi.
Dit mechanisme bespreken we in het gedeelte over de fysieke laag; hier gaan we ervan uit dat dit een opgelost probleem is.
De bezorging van een pakket bij het lokale netwerk van de bestemming heet ook wel routering; hier komen we later in dit gedeelte op terug.

IP-adressen: IPv4 en IPv6
We gaan nu verder in op de adressering en de vorm van adressen. Hierbij maken we verschil tussen IPv4 en IPv6.
Er zijn momenteel twee versies van het IP-protocol in gebruik: IPv4 en IPv6.
Een belangrijk verschil tussen deze twee is de vorm van het adres.
In het geval van IPv4 bestaat een adres uit 32 bits, waarmee maximaal 2³² (ca. 4 miljard) computers geadresseerd kunnen worden.
Door de sterke toename van het aantal computers, inclusief ingebouwde computers en mobiele telefoons, zijn de IPv4 adressen op.
Dit is een belangrijke reden om over te gaan op IPv6, waar een adres bestaat uit 128 bits - wat voorlopig voldoende lijkt.

Een IPv4 adres wordt meestal weergegeven in groepen van 8 bits, gescheiden door een punt.
Elke 8 bits worden door een decimaal getal (tussen 0 en 255) voorgesteld.
Een typisch IPv4 adres is dan 92.212.13.193.
De hoogste bits geven het adres van het netwerk weer, de laagste het adres van de computer.
De grens tussen deze twee varieert van netwerk tot netwerk.

De grens tussen het netwerkadres en het computeradres wordt vaak weergegeven door een getal dat het aantal bits in het netwerkadres aangeeft.
In het geval van 92.212.12.193/24 vormen de eerste 24 bits het netwerkadres: 92.212.12.0, en de laatste 8 bits het adres van de computer in dat netwerk: 0.0.0.193.
In plaats van deze / ofwel CIDR-notatie wordt ook wel een zogenaamd subnetmasker gebruikt dat de bits van het netwerk door middel van een 1 weergeeft. /24 komt dan overeen met het subnetmasker 255.255.255.0. (Dit is de decimale representatie van het bitmasker 11111111.11111111.11111111.00000000.)

Een IPv6 adres wordt weergegeven als een serie van 8 16-bits hexadecimale getallen gescheiden door een dubbele punt, bijvoorbeeld:

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Een serie nullen aan het begin van een 16-bits getal kan weggelaten worden.
Er moet tenminste één cijfer overblijven. We kunnen dit adres dan afkorten als:

2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334

Eén gedeelte met alleen nullen kan afgekort worden tot "::", waardoor dit adres afgekort kan worden tot:

2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

Deze laatste afkorting van opeenvolgende nullen is maar op één plaats in een adres toegestaan, om dubbelzinnigheden te voorkomen.
In het geval van IPv6 vormen de eerste 64 bits het netwerkadres en de laatste 64 bits het adres van de computer in het netwerk.
Deze grens ligt vast en hangt dus niet van het netwerk af.

IP-adres

Hoe komt een computer aan een IP-adres
Voor de goede werking van het IP-protocol moet een computer in het internet een adres hebben dat aan twee eisen voldoet.

Het netwerkdeel moet overeenstemmen met het IP-adres van het lokale netwerk.;
Het computer- of hostdeel moet uniek zijn in het lokale netwerk.

In veel netwerken krijgt een computer een IP-adres door een verzoek aan een DHCP-server.
Een dergelijke server is meestal ingebouwd in de router die als gateway voor het netwerk fungeert.
Deze DHCP-server kan de betreffende computer een vast adres toewijzen, op basis van een lokale tabel in de server of een adres dat op dat moment vrij is in het lokale netwerk: een dynamisch adres.

Een MAC-adres (Media Access Control) is een uniek identificatienummer dat aan een apparaat in een ethernetnetwerk is toegekend.
Het wordt ook wel het hardware-adres genoemd.

Het zorgt ervoor dat apparaten in een ethernetnetwerk met elkaar kunnen communiceren.
Vrijwel ieder netwerkapparaat heeft een vast, door de fabrikant bepaald MAC-adres. MAC-adressen zijn alleen lokaal relevant, zodra een pakket een router passeert verandert zowel het bron- als bestemmings-MAC-adres.

In het geval van IPv6 kan een computer zelf een uniek hostadres bepalen, door voor het hostdeel het eigen MAC-adres in te vullen. In dat geval is DHCP overbodig.

Routering

Hoe kunnen we op grond van het IP-adres van een netwerk een pakket in het juiste netwerk bezorgen?
Zoals gezegd spelen de routers hierbij een belangrijke rol.
Elke router heeft een routeringstabel op grond waarvan de volgende stap in de bezorging van een pakket kan plaatsvinden.
Voor elk netwerk is daarin te vinden welke router in één van de direct verbonden netwerken een niet-lokaal pakket dichter bij de bestemming brengt.
Als het pakket vanuit een ander netwerk is aangekomen bij het netwerk van de bestemming, zorgt de router van dit bestemmingsnetwerk voor de bezorging van het pakket.

Omdat het aantal netwerken erg groot kan worden en daarmee de tabel, worden de netwerken bij voorkeur hiërarchisch ingedeeld.
Alle netwerken van een bepaalde provider beginnen dan met een gemeenschappelijk deel.
In de routeringstabel van de routers buiten de netwerken van deze provider hoeft dan alleen dit gemeenschappelijke deel opgenomen te worden.
Pas als een pakket in een van de netwerken van deze provider aankomt, is er meer detail nodig.

Het vraagstuk van de routering is daarmee nog niet echt opgelost.
Waar komt de inhoud van deze routeringstabel vandaan en wie bepaalt deze inhoud?

Dit betreft het vraagstuk van de routeringsalgoritmen.
Hiervoor verwijzen we naar het achtergrondmateriaal op het internet.
Er zijn verschillende algoritmen in gebruik.
Hierbij is er onder andere een verschil tussen de routering binnen de netwerken van een provider en tussen de netwerken van de verschillende providers.

NAT
Eén van de manieren om zuinig om te springen met IP-adressen, in het geval van IPv4, is om alle computers in het lokale netwerk hetzelfde IP-adres te laten delen.
Dit levert op andere plaatsen wel weer complicaties op, maar in veel voorkomende gevallen valt daarmee te leven.

De vertaling van de externe adressen in de internetadressen van het lokale netwerk vindt plaats in een zogenaamde NAT-router, op de grens tussen het externe internet en het lokale netwerk.
Deze NAT-routerfunctie is vaak gecombineerd met een firewall die het lokale netwerk deels afschermt van het internet (en omgekeerd).

Deze NAT-aanpak wordt beschreven in het achtergrondmateriaal op het internet.

Pakketten in IP

Een IP-pakket bestaat uit een header gevolgd door de data ("payload").
De header kun je vergelijken met de gegevens op een enveloppe, de data met de inhoud van de enveloppe.

De header van een IP-pakket (IPv6) bevat onder andere de volgende elementen:

version: versie van het IP-protocol, tegenwoordig 4 (IPv4) of 6 (IPv6)
payload lenght: de lengte van de data
next header: geeft aan met welk hogere orde protocol je te maken hebt, bijvoorbeeld TCP of UDP;
hop limit: wordt verlaagd door elke router die onderweg gepasseerd wordt.
Als deze de waarde 0 bereikt, wordt het pakket weggegooid (om eindeloos rondsturen van een pakket te voorkomen)
source address: het adres van de afzender (128 bits)
destination address: het adres van de bestemming (128 bits)

Een pakket voor IPv4 bevat ongeveer dezelfde velden.
Het belangrijkste verschil is dat in dat geval de adressen 32 bits groot zijn.

version

payload
length

next
header

hop
limit

source
address

destination
adress

payload

★ Aan de slag 61

Wat wordt bedoeld met een host?

★ Aan de slag 62

Wat is de functie van een router?
Van welke lagen uit het internetprotocol maakt een router gebruik?

★ Aan de slag 63

Leg uit wat er bedoeld wordt met het end-to-end principe.

★ Aan de slag 64

Wat is de functie van het IP-adres?

Een internetadres (IP adres) bestaat uit twee gedeelten: een netwerkadres en een computer(interface)adres (dit laatste wordt ook wel het hostadres genoemd).

Wat is het IP-adres van de computer waar je werkt?
Je kunt het ip-adres vinden door bijvoorbeeld vanaf de command-prompt het commando ipconfig/all in te typen.
Welk deel van het adres is het netwerkadres?
Welk deel van het adres is het computeradres?

★ Aan de slag 65

Welke twee versies van het IP-protocol zijn er in gebruik?
Geef de belangrijkste verschillen van beide versies.

★ Aan de slag 66

Geef twee verschillende manieren waarop een een computer aan een IP-adres kan komen.
Aan welke eisen moet een IP-adres voldoen?

★ Aan de slag 67

Welke rol speelt een router in de bezorging van een IP-pakket?

Filius

Tijdens de volgende opdrachten werken we met het programma Filius.
Vraag aan je docent waar je het programma kunt vinden.

Het kan voorkomen dat Filius geen verbinding maakt, terwijl je het netwerk toch goed gebouwd hebt.
Als dat het geval is, sla dan je werk op en start Filius opnieuw.

In het programma vind je aan de linkerkant de componenten voor het bouwen van het netwerk.
Wanneer je dubbelklikt op een apparaat dan kun je de instellingen van het apparaat aanpassen.
Wanneer je het netwerk gebouwd hebt dan kun je met de knop de simulatie van het netwerk starten.
Met de knop keer je weer terug in het ontwerpscherm.

★ Aan de slag 68

Bouw het onderstaande netwerk na.

Geef als netmask 255.255.255.0 op.
De server krijgt IP-adres 192.168.1.1
Geef de host computers een correct IP-adres
Start vervolgens de simulatie.

Hoeveel apparaten kunnen maximaal geadresseerd worden in dit netwerk?
Wanneer je dubbelklikt op een van de hosts dan heb je de mogelijkheid om software te installeren: Software Installation.
Installeer op elke host een webbrowser.

Installeer op de Server Enigma een webserver.
Let op! Na de installatie van de webserver moet je de server starten: klik op Webserver à Start.

Het is nu tijd om het netwerk te testen:

Klik op de webbrowser van een van de hosts.
Vul als url 192.168.1.1 in.
Klik op Start.
Als je alles goed gedaan hebt, krijg je het scherm hiernaast te zien:

★ Aan de slag 69

In de vorige opdracht hebben we één lokaal netwerk gebouwd.
In deze opdracht gaan we twee netwerken koppelen, waarbij de host computers in het eerste netwerk zitten en de server in een ander netwerk.

a Bouw het onderstaande netwerk na:

De router heeft 2 NIC’s (netwerkkaarten) nodig om een verbinden te maken met beiden netwerken. De eerste NIC krijgt IP-adres 192.168.1.10, de tweede NIC krijgt adres 192.168.2.10
Het netmask is weer 255.255.255.0

De host computers bevinden zich in het eerste netwerk. Geef alle computers een correct IP-adres. Aan de computers moet “verteld” worden dat ze via de router naar een ander netwerk kunnen. De router is de gateway.
Vul bij de host computers achter Gateway het IP-adres van de router in: 192.168.1.10
De server krijgt IP-adres 192.168.2.1
Vul bij de server de gateway in.
Start vervolgens de simulatie.

Installeer op elke host een webbrowser.
Installeer op de Server Enigma een webserver en start de webserver op.
Test het netwerk:

Klik op de webbrowser van een van de hosts.
Vul als url 192.168.2.1 in.
Klik op Start.

★ Aan de slag 70 (verdiepen)

We hebben in opdracht 64 gezien dat een internetadres (IP adres) bestaat uit twee gedeelten:
een netwerkadres en een computer(interface) adres.
Eén van de gevolgen is dat als een computer in een ander netwerk verbonden wordt, deze een ander internetadres krijgt.

Probeer dit uit door een computer in verschillende netwerken te verbinden, bijvoorbeeld:

verbind een laptop (of een iPod/tablet computer) in het netwerk thuis, en in het netwerk op school;
verbind een computer in het netwerk op school, en in een mobiel netwerk.

Wat zijn de IP-adressen die je zo tegenkomt?
Wat is voor elk van deze IP-adressen het netwerkadres?

★ Aan de slag 71 (verdiepen)

Een router verbindt twee netwerken.
Dit betekent dat een router (tenminste) twee IP-adressen heeft.

Ga voor een willekeurige router, bijvoorbeeld je thuisrouter, na welke IP-adressen deze heeft.
Zijn deze adressen gelijkwaardig?

★ Aan de slag 72 (verdiepen)

De verschillende netwerken die gebruik maken van NAT, gebruiken intern vaak hetzelfde soorten netwerkadres.
Een netwerkadres van een van de vormen 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, of 192.168.0.0/16 is een lokaal ("private") netwerk dat waarschijnlijk NAT gebruikt.

Ga na of je netwerk thuis of op school ook een dergelijk NAT-netwerk is.

★ Aan de slag 73 (verdiepen)

Bij deze opdracht maken we gebruik van het programma Wireshark.
Vraag aan je docent waar je het programma kunt vinden.
Met Wireshark kun je het netwerkverkeer van je computer bekijken.
Log het netwerkverkeer over een korte periode waarin je verschillende programma's gebruikt.
Maak een overzicht van de IP-adressen en de protocollen in deze logfile.

I De transportlaag

Inleiding

We hebben gezien dat het basisprotocol van het internet, het IP-protocol, een best-effort pakketcommunicatie biedt.
Dit protocol biedt dus geen garantie dat elk pakket binnen een bepaalde tijd aankomt of dat de pakketten bij de ontvanger aankomen waarin ze door de afzender verzonden zijn.

De transportlaag zorgt onder meer voor de aanpassing van het IP-protocol aan de verschillende toepassingen.
Hiervoor zijn vooral de UDP- en TCP-protocollen van belang.
De IP-laag bezorgt de data van het IP-pakket bij het juiste protocol in de transportlaag met behulp van het "next header" veld in het IP-pakket (voor IPv6; voor IPv4 heet dit het protocol-veld.)

De transportlaag is verantwoordelijk voor de bezorging van de data bij de toepassing.
We moeten een manier hebben om een toepassing te adresseren. In het internet wordt daarvoor het poortnummer gebruikt.
Voor veel standaardtoepassingen zijn poortnummers toegewezen, zoals 20 voor file transfer (FTP), 25 voor mail (SMTP), en 80 voor HTTP (web).
Daarnaast zijn er nog veel vrije poortnummers beschikbaar.
Met behulp van het poortnummer bezorgt de transportlaag de data via het operating system bij de juiste toepassing

UPD-protocol

Het UDP-protocol (User Datagram Protocol) vormt een minimale aanpassing van het IP-Protocol.
Het biedt voor de toepassing dezelfde best-effort pakketcommunicatie, op dit niveau vaak datagramdienst genoemd.
Daarnaast voegt het UDP-protocol nog de volgende elementen toe:

een checksum, om bij aankomst te controleren of de headers en de pakketinhoud het transport zonder fouten overleefd hebben;
een poortnummer (port number), als identificatie van de toepassing op de betreffende computer.

Doordat elk pakket (datagram) onafhankelijk van de andere verzonden wordt, heeft het UDP-protocol geen toestand bij te houden in de eindpunten van de communicatie.

Het UDP-protocol wordt vooral gebruikt voor toepassingen waarbij een maximale bandbreedte en een minimale vertraging van belang zijn, en waarbij de toepassing het eventuele verlies van een pakket, of de bezorging van de pakketten in een andere volgorde dan waarin deze verzonden zijn, eenvoudig kan compenseren.
Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn telefonie en streaming van beeld of geluid.

TCP-protocol

Het TCP-protocol (Tansmission Control Protocol) biedt, op bases van het IP-protocol, betrouwbare verbindingen aan, in de vorm van bytestromen in beide richtingen.
Dit protocol vormt de basis voor veel van de toepassingen op het internet, bijvoorbeeld e-mail en het web.

Hoe kun je op basis van een best-effort pakketcommunicatie betrouwbare bytestroom-verbindingen realiseren?

Deze vraag is een voorbeeld van een probleem dat veel vaker in de informatica voorkomt: hoe kun je op basis van onbetrouwbare onderdelen, een betrouwbaar systeem maken?

Bij het realiseren van een betrouwbare bytestroom-verbinding hebben we te maken met verschillende deelproblemen, die door verschillende onderdelen van het protocol opgelost worden.

Deelprobleem	Onderdeel van het protocol
Betrouwbaar transport van pakketten	Checksum, ontvangstbevestiging, time-out, hertransmissie
Van bytestroom naar pakketten v.v.	Genummerde segmenten
Efficiënt gebruik van het transportkanaal	Sliding window protocol
Opzetten van een verbinding	3-way handshake

We zullen deze verschillende deelproblemen en de manier waarop deze in TCP opgelost worden kort bespreken.
Voor een uitgebreidere bespreking verwijzen we naar het achtergrondmateriaal.

De computers in de eindpunten die het TCP-protocol uitvoeren, moeten de toestand hiervan bijhouden.
Naast de complexiteit die dit met zich meebrengt, moeten ook de nodige middelen hiervoor gereserveerd worden, bijvoorbeeld voor bufferruimte.
Als een TCP-verbinding niet volgens de regels afgesloten wordt, moet voorkomen worden dat deze middelen gereserveerd blijven, want dat vereist weer de nodige extra administratie en activiteiten.

Betrouwbaar transport van pakketten

Zoals gezegd biedt het IP-protocol een best-effort pakketcommunicatie:
er kunnen pakketten verloren raken of de pakketten kunnen in een andere volgorde aankomen dan ze verzonden zijn.

Soms kan de ontvanger concluderen dat er iets mis is gegaan, namelijk doordat een beschadigd pakket afgeleverd wordt.
De ontvanger kan dit herkennen aan de checksum die door de zender berekend en met het pakket meegestuurd is.
De ontvanger berekent de checksum over de data in het pakket en vergelijkt deze met de meegestuurde checksum.
Als deze niet gelijk zijn, concludeert de ontvanger dat het pakket beschadigd is.
Als de berekende en meegestuurde checksum gelijk zijn, is er slechts een zeer kleine kans dat het pakket beschadigd is.
Deze kans is zo klein dat we deze in de praktijk verwaarlozen.

Een beschadigd pakket wordt beschouwd als een pakket dat niet aangekomen is.
Eenzelfde soort beschadiging kan onderweg plaatsvinden, in de fysieke laag.
Daar wordt meestal dezelfde methode gebruikt.
Beschadigde pakketten worden gewoon weggegooid.

In andere gevallen, waarbij er niets aankomt, kan de ontvanger niet eenvoudig concluderen dat er iets mis is.
Hij weet niet of er iets verzonden is. Alleen de zender kan uiteindelijk deze conclusie trekken. Hij weet wat er verzonden is.
Hij heeft alleen nog informatie nodig over wat ontvangen is.
Het mechanisme dat we hiervoor gebruiken is dat van de ontvangstbevestiging met time-out, en hertransmissie:
de ontvanger verstuurt zodra deze een pakket ontvangen heeft een ontvangstbevestiging naar de afzender.
Als deze laatste niet binnen een bepaalde tijd, de "time-out", na het verzenden van een pakket een ontvangstbevestiging gekregen heeft, dan stuurt deze het pakket nogmaals.

Pakketcommunicatie met ontvangstbevestiging.
De ontvangstbevestiging komt binnen de time-out periode bij de ontvanger.

Pakketcommunicatie met ontvangstbevestiging.
De ontvangstbevestiging komt na de time-out periode bij de zender en deze heeft het pakket al opnieuw verzonden.
Voor de zender is het op het moment van de time-out niet mogelijk onderscheid te maken tussen een ontvangstbevestiging die te laat aankomt, en een die niet aankomt, omdat het oorspronkelijke pakket of de ontvangstbevestiging verdwenen zijn.

De keuze van deze time-out periode is nogal kritisch.
Als we deze te kort kiezen, dan wordt een pakket mogelijk te vaak verstuurd, als we deze te lang kiezen, vertraagt dit de communicatie tussen zender en ontvanger.
Verdwenen of beschadigde pakketten worden dan sterk vertraagd opnieuw verzonden.

Als er meerdere pakketten van zender naar ontvanger onderweg zijn, moet elk pakket een identificatie hebben, bijvoorbeeld in de vorm van een volgnummer.
Aan de hand van de ontvangstbevestiging in combinatie met deze identificatie kan de zender dan nagaan welk pakket aangekomen is en, op grond van de time-out, welke mogelijk niet.

De zender zal na een time-out het pakket opnieuw versturen.
Maar een time-out hoeft niet te betekenen dat de ontvanger het oorspronkelijke pakket niet gekregen heeft.
Het kan zijn dat de ontvangstbevestiging te lang onderweg is of dat deze bevestiging verloren is geraakt.
Hierdoor kan een pakket mogelijk dubbel bij de ontvanger aankomen.

Van Bytestroom naar pakketten

Door middel van dit mechanisme hebben we een betrouwbare pakketcommunicatie gerealiseerd.
Maar we willen communiceren met een stroom van bytes, zonder arbitraire grenzen daarin, in plaats van met pakketten.
Aan de zendzijde moeten deze stroom opdelen in opeenvolgende pakketten.
Aan de ontvangstzijde moeten we die pakketten weer in de goede volgorde zetten om deze te combineren tot de oorspronkelijke stroom bytes.
Om de oorspronkelijke volgorde van de pakketten te kunnen reconstrueren, voorzien we de pakketten van een volgnummer (segmentnummer).
Dit volgnummer kunnen we ook gebruiken voor de identificatie van een pakket bij de ontvangstbevestiging.

Een bytestroom wordt door de zender gesplitst in genummerde segmenten, die in afzonderlijke pakketten getransporteerd worden.
Door de ontvanger wordt de oorspronkelijke bytestroom gereconstrueerd aan de hand van de volgnummers van de segmenten.

Transportkanaal

Het efficiënt gebruik van transportkanaal
Het transportkanaal van pakketten tussen zender en ontvanger kan een grote vertraging hebben.
Het kan "lang" zijn ten opzichte van de lengte van een enkel pakket.
Als de zender in een dergelijk geval wacht met het versturen van het volgende pakket totdat de ontvangstbevestiging van het vorige pakket ontvangen is, dan wordt de capaciteit van het kanaal onderbenut.
Het is geen probleem als er meerdere pakketten tussen zender en ontvanger onderweg zijn.
Als deze pakketten van een volgnummer voorzien zijn, kan de ontvanger de juiste bevestigingen sturen en de oorspronkelijke volgorde weer herstellen, bijvoorbeeld in het geval van hertransmissie van pakketten.

Je kunt deze situatie vergelijken met een lopende band of met een weg: je wacht daar ook niet totdat de vorige auto bij de volgende plaats aangekomen is, voordat je de volgende de weg op stuurt.

Verbinding

Het opzetten en afsluiten van een verbinding
Voor het opzetten van een TCP-verbinding wordt een zogenaamde 3-way handshake gebruikt.
Bij het opzetten van de verbinding kan er van alles misgaan.
Er kunnen berichten wegvallen of dubbel aankomen.
Het normale TCP-mechanisme om die problemen op te vangen is dan nog niet actief.
Deze 3-way handshake is een subtiel protocol om de basiselementen die nodig zijn voor de verbinding, zoals de segmentnummers voor beide richtingen, uit te wisselen en de verbinding aan beide zijden tot stand te brengen.
In elk geval moet voorkomen worden dat de ene partij concludeert dat de verbinding tot stand gekomen is, terwijl de andere partij concludeert dat er geen verbinding is.

Het is niet gegarandeerd dat een verbinding netjes afgesloten wordt: de fysieke verbinding kan wegvallen, of de communicatiepartner kan ermee ophouden, doordat de gebruiker de computer uitschakelt of doordat deze crasht.
In de administratie van de verbinding moet met dergelijke verschijnselen rekening gehouden worden om te voorkomen dat de middelen voor de verbinding, zoals bufferruimte, willekeurig lang bezet blijven.

TCP-pakketten

Een TCP-pakket (segment) bevat onder meer de volgende onderdelen:

poortnummer voor de afzender en poortnummer voor de bestemming als identificatie van de toepassing op de betreffende computers;
een checksum om te kunnen controleren of het pakket zonder bitfouten overgestuurd is (controle van header en data);
sequence number (segmentnummer);
velden voor acknowlegement (ontvangstbevestiging). Bij de ontvangstbevestiging geeft de ontvanger aan wat het nummer is van het eerstvolgende byte dat nog niet ontvangen is (acknowledgement number).

Naamgeving

Hoewel voor computers het gebruik van IP-adressen in de vorm van getallen geen enkel probleem is, ligt dit voor menselijke gebruikers anders.
Daarom is een naamgeving voor computers ingevoerd die beter hanteerbaar is voor mensen, in de vorm van het Domain Name System.
Dit is een hiërarchisch systeem van namen, waarbij de verschillende onderdelen van specifiek naar algemeen vermeld worden gescheiden door een punt.
Dit is dezelfde volgorde als bijvoorbeeld een adres op een brief: eerst de naam van de persoon of het bedrijf en als laatste het land.
Bekende "top level" domeinen zijn .nl, .com, .net, .edu, .org.
Organisaties of personen kunnen een domein in zo'n top-level domein aanvragen, met enkele beperkingen.
Enkele voorbeelden van adressen volgens deze naamgeving zijn:

www.omroep.nl
nl.wikipedia.org
www.infvo.nl
www.cisco.com
www.enigma-online.nl

Het DNS-systeem zorgt voor de koppeling tussen deze namen en de bijbehorende IP-adressen.
Elke computer die hiervan gebruik wil maken, moet toegang hebben tot een zogenaamde nameserver.
Deze nameserver kan eventueel andere nameservers raadplegen als de informatie over het opgevraagde domein niet lokaal bekend is.

Het gebruik van deze namen heeft nog een ander voordeel: een domeinnaam hoeft niet altijd naar dezelfde computer te verwijzen.
Dit betekent bijvoorbeeld dat het eenvoudig is om een andere computer als backup te gebruiken, wanneer de oorspronkelijke buiten gebruik is.
Het is zelfs mogelijk om eenzelfde domein naar verschillende computers te laten verwijzen, afhankelijk van de fysieke locatie van de computer die het IP-adres bij de naam opvraagt.
Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt door Wikipedia om bezoekers in Europa een server in Europa (Amsterdam) te laten gebruiken en bezoekers in de USA, een server daar.
Dit helpt om bezoekers snel te kunnen bedienen.

★ Aan de slag 74

Wat is de functie van de transportlaag?
Welke rol speelt het poortnummer daarin?

★ Aan de slag 75

Wat is het belangrijkste verschil tussen UDP en TCP?
Waarvoor wordt UDP gebruikt?
Waarvoor wordt TCP gebruikt?

★ Aan de slag 76

Op welke manier zorgt TCP voor een betrouwbaar transport van pakketten?

★ Aan de slag 77

De informatie wordt verstuurd in de vorm van een stroom bytes.
Door middel van TCP kan een betrouwbare pakketcommunicatie gerealiseerd worden.
Leg uit hoe aan de ontvangstzijde uit de pakketten weer de stroom bytes gerealiseerd kan worden.

★ Aan de slag 78

Wat is de functie van het Domain Name System?

★ Aan de slag 79

In het geval van normale briefpost weet je niet of en wanneer een brief aangekomen is.

Geef aan hoe je dit probleem op kunt lossen met medewerking van de ontvanger.
Kun je daarbij onderscheid maken tussen een brief die niet bezorgd is en een brief die tijdens de vakantie van de ontvanger bezorgd is?
Hoe kun je dit oplossen zonder medewerking van de ontvanger?

★ Aan de slag 80

Soms is het ook handig om een ontvangstbevestiging te gebruiken bij het versturen van e-mail of SMS-berichten.

Geef aan of je, als afzender, onderscheid kan maken tussen een bericht dat niet aankomt en een bericht dat de ontvanger wel gekregen heeft, maar nog niet gelezen?
Maakt dit onderscheid voor de ontvanger wat uit?
Maakt dit voor de zender wat uit?

★ Aan de slag 81

De identificatie van een TCP-verbinding bestaat uit de combinatie van IP-adres en poortnummer, voor beide betrokken computers:
((IPadres-afzender, poortnr-afzender), (IPadres-bestemming, poortnr-bestemming)).
Beschrijf hoe je hiermee vanuit een clientcomputer meerdere verbindingen met eenzelfde toepassing op een enkele servercomputer kunt hebben, waarbij de toepassing op de server door een vast poortnummer geïdentificeerd wordt.
Denk hierbij bijvoorbeeld aan de situatie waarbij je meerdere browserverbindingen naar dezelfde webserver hebt.

★ Aan de slag 82

In deze opdracht werken we weer met Filius. In deze opdracht gaan we een Domain Name Server (DNS) gebruiken.
Net als in opdracht 76 zitten de host computers in het eerste netwerk en de server en nu ook de Domain Name Server in het andere netwerk.

a Bouw het onderstaande netwerk na:

De router heeft 2 NIC’s (netwerkkaarten) nodig om een verbinden te maken met beiden netwerken.
De eerste NIC krijgt IP-adres 192.168.1.10, de tweede NIC krijgt adres 192.168.2.10
Het netmask is 255.255.255.0
Plaats in het tweede netwerk een Domain Name Server met IP-adres 192.168.2.2 Denk ook aan de gateway.

De host computers bevinden zich in het eerste netwerk. Geef alle computers een correct IP-adres en vul de gateway en de Domain Name Server in.
De webserver krijgt IP-adres 192.168.2.1. Denk daar ook aan de gateway en Domain Name Server.
Start vervolgens de simulatie.

Waarom moet je het IP-adres van de Domain Name Server weten. Is het niet voldoende om de domeinnaam daarvan te gebruiken?
Installeer op elke host een webbrowser
Installeer op de Server Enigma een webserver en start de webserver op.
Installeer op de Domain Name Server een DNS Server
Dubbelklik op het icoon DNS Server.
Vul het onderstaande schema in en klik op Add
Klik op Start om de DNS Server te activeren.
Test het netwerk:

Klik op de webbrowser van een van de hosts.
Vul als url http://www.enigma.nl in.
Klik op Start.

★ Aan de slag 83 (verdiepen)

Bekijk via Wireshark de pakketten die uitgewisseld worden bij het ophalen van een (verse) webpagina.

Kun je het DNS-protocol herkennen?
Welk basis-protocol wordt gebruikt door DNS?

★ Aan de slag 84 (verdiepen)

Bekijk via Wireshark de pakketten die uitgewisseld worden bij het ophalen van een (verse) webpagina.

Kun je het opzetten van de TCP-verbinding herkennen?
Wat zijn de volgnummers van de segmenten die gebruikt worden?
Kun je de ontvangstbevestiging herkennen (ack)?
Wordt de verbinding afgesloten?

★ Aan de slag 85 (verdiepen)

Bekijk via Wireshark de pakketten die uitgewisseld worden bij het gebruik van Skype (of een andere vorm van internet telefonie).

Welk basis-protocol wordt gebruikt?
Vindt er encryptie van het signaal plaats?

J Toepassingen op basis van het internet

Inleiding

In het voorafgaande hebben we de basisprotocollen van het internet beschreven, waarmee je een best-effort datagram-communicatie op kunt zetten (UDP) of een betrouwbare verbinding (TCP).
Op basis van deze protocollen kun je allerlei toepassingen definiëren.
Daarvan bespreken we enkele in dit hoofdstuk.

Een belangrijk punt is dat iedereen een nieuwe toepassing voor het internet kan maken: er zijn daarvoor geen technische of wettelijke beperkingen.
In dat opzicht kun je het internet vergelijken met een PC: er is geen beperking op de programma's die je daarvoor kunt maken.

Afhankelijk van het soort toepassing zijn de benodigde investeringen vaak beperkt, zeker als je dit vergelijkt met het opzetten van een complete communicatie-infrastructuur.

De Internet Engineering Task Force of IETF is een grote, open, internationale gemeenschap van netwerkontwerpers, -operators, -leveranciers en -onderzoekers die zich bezighoudt met de evolutie van de internetarchitectuur en de soepele werking van het internet.

Sommige toepassingen op het internet maken deel uit van de internet infrastructuur en zijn als onderdeel daarvan gestandaardiseerd door de IETF.
Voorbeelden hiervan zijn e-mail, internet-relay-chat (IRC), XMPP chat (Jabber).
Ook het HTTP-protocol voor het world wide web hoort hierbij.
Het gebruik van deze toepassingen is vrij, maar voor het goed functioneren is het wel nodig om de regels van de standaard te volgen.

Voor het maken van een toepassing voor internettelefonie, zoals Skype, hoef je niet een heel netwerk aan te leggen.
Het is voldoende als je voor de verschillende platformen (operating systems) die in de eindpunten gebruikt worden, een versie van de betreffende toepassing aanbiedt.

Deze situatie vormt een groot verschil met andere communicatienetwerken uit de historie.
In het geval van het telefoonnetwerk is het lange tijd niet toegestaan om daar andere apparatuur dan die van de eigenaar van het netwerk aan te verbinden

Andere toepassingen zijn eigendom van een organisatie of een bedrijf en zijn daarmee "proprietary".
Deze toepassingen en de gebruikte protocollen zijn niet publiek gestandaardiseerd en het gebruik ervan is aan de regels van de organisatie of van het bedrijf gebonden.
Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn Skype en WhatsApp.

In het geval van het internet en het web is er een sterke traditie om het vrije gebruik van de standaarden mogelijk te maken.
In andere omgevingen is dat niet altijd het geval.
Een voorbeeld van een standaard waarbij het gebruik niet vrij is, is MPEG - met als voorbeeld MP3. Makers van MP3-apparatuur en -software moeten licentiekosten betalen.

E-mail

E-mail is één van de oudste toepassingen van het internet. E-mail biedt de asynchrone aflevering van berichten.
Je kunt dit beschouwen als de elektronische vorm van de traditionele post of als een vorm van pakketcommunicatie op het niveau van de toepassing.
Er is geen sprake van een verbinding tussen zender en ontvanger.
Een gevolg hiervan is dat deze niet noodzakelijk op hetzelfde moment aan het internet verbonden zijn.
Zoals we zullen zien heeft dit gevolgen voor de opzet van het e-mailsysteem.

We beginnen aan de kant van de ontvanger. Een complicatie bij het afleveren van e-mail is dat het niet gegarandeerd is dat de ontvanger op elk moment aan het internet verbonden is.
Daarom wordt een oplossing gebruikt die te vergelijken is met de postbus voor de traditionele brievenpost.
Het e-mail bericht wordt afgeleverd bij een computer die (vrijwel) altijd in het internet verbonden is: de "post office" server.
De ontvanger controleert regelmatig, via het post-office protocol (POP) van zijn e-mail programma, of er berichten voor hem aangekomen zijn.
Als dat het geval is, worden deze via dit protocol naar de computer van de ontvanger gekopieerd.
De ontvanger kan vervolgens via een e-mail programma op zijn computer deze berichten lezen.
Het POP-protocol is een "pull" protocol: het initiatief ligt bij de ontvanger van de berichten.

Tegenwoordig wordt in plaats van het POP-protocol ook wel een ander protocol gebruikt: IMAP.
Ook daarbij is het principe dat de ontvanger bij de inkomende-post-server controleert of er nog berichten klaar staan.

Bij het verzenden van e-mail is de situatie enigszins verschillend.
In elk geval is de computer van de afzender op het moment van verzenden verbonden met het internet.
Het mail-programma verstuurt de berichten naar de uitgaande-post-server van de afzender, via het SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) protocol.
Deze server buffert deze berichten en zet deze in de rij om ze naar de inkomende-post-server van de ontvanger te sturen.

Zoals je uit deze figuur ziet heb je als gebruiker te maken met twee soorten mailservers:
een server voor de binnenkomende berichten ("post office", POP-server, of IMAP-server) en een server voor de uitgaande berichten (SMTP-server). In de praktijk worden deze servers soms gecombineerd op één computer.

Bij het versturen van post wordt gebruik gemaakt van het Domain Name System, om te bepalen wat de inkomende-postserver voor een bepaald domein is.

Er wordt gebruik gemaakt van een server voor de uitgaande post, omdat het niet gegarandeerd is dat een bericht op elk moment afgeleverd kan worden.
Deze server zal, als het niet direct lukt, meerdere malen proberen om dit bericht te versturen.
Als het na meerdere pogingen niet lukt, krijgt de afzender daarvan een bericht.
De afzender hoeft maar een korte tijd aan het internet verbonden te zijn, voldoende om de uitgaande berichten naar deze server te kopiëren.

Het protocol om berichten van de afzender naar de server te kopiëren en om dit vervolgens naar de volgende server(s) te verzenden, is het SMTP protocol.
Dit is één van de oudste protocollen van het internet.

Het POP-protocol is veel recenter. In de begintijd van het internet was de ontvangende server meestal een "time sharing" computer met een groot aantal gelijktijdige gebruikers.
Een gebruiker las zijn e-mail via een programma op deze computer, een "e-mail reader".

Webmail
Het is tegenwoordig vaak ook mogelijk om e-mail te lezen en te versturen via het web. In dat geval is bevat de webserver de e-mailcliënt. Omdat deze webserver altijd verbonden is met het internet, kan deze ook gecombineerd worden met de servers voor uitgaande en voor binnenkomende e-mail. Voor de gebruiker gebeurt dit achter de schermen.

Het onderliggende protocol

Secure Sockets Layer (SSL) en Transport Layer Security (TLS) zijn encryptie-protocollen die communicatie op het Internet beveiligen.

Een voorbeeld van de toepassing van deze protocollen is HTTPS, bijvoorbeeld ter beveiliging van creditcardgegevens.

De SMTP- en POP-protocollen maken voor het uitwisselen van berichten gebruik van betrouwbare verbindingen tussen de verschillende computers. Voor deze betrouwbare verbindingen wordt TCP gebruikt of als beveiliging van belang is TLS (vroeger SSL genoemd).

Veel e-mail wordt tegenwoordig nog onbeveiligd over het internet verstuurd.

MIME
Het komt vaak voor dat in een e-mail bericht een document bijgesloten wordt.
Om ervoor te zorgen dat de ontvanger weet hoe de betreffende reeks bits geïnterpreteerd moet worden, is de beschrijving en de representatie van deze documenten gestandaardiseerd in de vorm van de MIME typering.
De ontvanger kan op basis van deze MIME-typering bepalen welke programma's deze reeks bits kan interpreteren.

Merk op dat je in het geval van communicatie een dergelijke afspraak nodig hebt, omdat het operating system van de afzender kan verschillen van dat van de ontvanger.
Je hebt een afspraak nodig die onafhankelijk is van de gebruikte operating systems.

Deze MIME-typering wordt tegenwoordig niet alleen voor e-mail gebruikt, maar bijvoorbeeld ook in het HTTP-protocol voor het web.

Het World Wide Web

De meest gebruikte toepassing van het internet is het World Wide Web, meestal kortweg het web genoemd.
(Dit is niet noodzakelijk de toepassing die het meeste internetverkeer genereert. Waarschijnlijk is dat BitTorrent.)

Het web is veel recenter dan het internet.
De eerste webserver van Tim Berners-Lee, de geestelijke vader van het web, dateert van 1991.
De eerste veel gebruikte webserver, Mosaic, van 1992.
In eerste opzet maakte het web het voor iedereen mogelijk om hypertekstdocumenten te publiceren, zodat iedereen met internettoegang die eenvoudig kon raadplegen.

Aan de basis van het web staan twee standaarden:

het HTTP-protocol (HyperText Transfer Protocol), voor de communicatie tussen een webcliënt (browser) en een webserver;
de HTML-standaard (HyperText Markup Language), die de taal vastlegt waarin de hypertekstdocumenten beschreven worden.

Een andere belangrijke standaard beschrijft de naamgeving op het internet in de vorm van URIs (uniform resource identifiers).
Deze worden in de context van het web ook vaak URLs (uniform resource locator) genoemd.
Een URI identificeert een document op het web, in de "hyperlinks" tussen de documenten.

Het HTTP-protocol is gebaseerd op TCP. Als er een beveiligde verbinding nodig is, (HTTPS) gebeurt dit op basis van een beveiligde laag op TCP: TLS. Tegenwoordig wordt het web niet alleen gebruikt voor relatief onveranderlijke hypertekstdocumenten, maar zijn er allerlei vormen van interactie mogelijk. Webtoepassingen zijn te vinden voor vrijwel alles wat je ook op een PC-desktop kunt doen. De browser wordt hiermee de gebruikersinterface voor toepassingen waarvoor de kern op servers elders uitgevoerd wordt ("cloud computing"). Een uitvoeriger beschrijving van het web voert te ver voor dit hoofdstuk. Meer informatie is te vinden in de achtergrondinformatie.

Een uitvoeriger beschrijving van het web voert te ver voor dit hoofdstuk.
Meer informatie is te vinden in de achtergrondinformatie.

Het web vormt ook de basis voor talloze andere toepassingen.
Enkele voorbeelden hiervan zijn:

Facebook, Instagram,
Webwinkels (met Amazon als de grootste)
Webveilingen (Marktplaats, eBay)
Webbankieren
Webmail
Google docs, Office 365
Wiki's
Wikipedia

Andere internettoepassingen

Naast e-mail en het web zijn er nog zeer veel andere toepassingen van het internet.
Enkele van de meer bekende zijn:

Skype (en andere vormen van internet-telefonie)
BitTorrent (en andere vormen van P2P file-uitwisseling)
Spotify
WhatsApp
Twitter
Multiplayer games

Internettelefonie

De eisen die internettelefonie stelt met betrekking tot de onderliggende communicatie verschillen wezenlijk van de eisen die bijvoorbeeld e-mail en het web stellen.
Voor mondelinge communicatie is het van belang dat de vertraging (latency) klein blijft.
De communicatie zelf mag wat minder betrouwbaar zijn.
Het is geen probleem als er zo nu en dan een klein deel van het spraaksignaal wegvalt.
Voor een deel kunnen we dat met ons gehoor compenseren.
Het spraaksignaal bevat behoorlijk wat redundantie.
Als het tijdelijk al te erg wordt kunnen we onze gesprekspartner vragen een zin te herhalen.
Vanwege deze combinatie van kleine vertraging en enige tolerantie voor verstoring van het spraaksignaal, wordt voor internettelefonie gewoonlijk het UDP-protocol gebruikt.

Er zijn verschillende systemen voor internettelefonie.
Veel diensten maken gebruik van de internetstandaarden RTP en SIP.
Skype maakt gebruik van een eigen "proprietary" protocol.

★ Aan de slag 86

Welk voordeel heeft het ontwikkelen van toepassingen op basis van het internet?

★ Aan de slag 87

E-mail maakt gebruikt van een aantal protocollen.
Geef van de onderstaande protocollen aan waarvoor ze gebruikt worden.

POP
SMTP
TLS
MIME

★ Aan de slag 88

Ook het world-wide web maakt gebruikt van een aantal standaarden.
Geef van de onderstaande standaarden aan waarvoor ze gebruikt worden.

HTTP
HTTPS
HTML

★ Aan de slag 89

Wat is een URI/URL?

★ Aan de slag 90

Geef drie voorbeelden van toepassingen op basis van het web.
Geef drie voorbeelden van toepassingen op basis van het internet.

★ Aan de slag 91

De eisen die aan internettelefonie gesteld worden met betrekking tot de communicatie verschillen van de eisen die aan andere toepassingen, zoals e-mail en web gesteld worden.

Wat zijn de verschillen in de eisen?
Van welk onderliggend protocol maakt internettelefonie gewoonlijk gebruik?
Van welk onderliggend protocol maken e-mail en web gebruik?

★ Aan de slag 92

In deze opdracht werken we weer met Filius.
Het tweede netwerk wordt uitgebreid met een e-mailserver.

Bouw het onderstaande netwerk:
- De basis voor dit netwerk is het netwerk van Aan de slag 82.
- Plaats in het tweede netwerk een e-mailserver met IP-adres 192.168.2.3
  Vul de gateway in.
- Start vervolgens de simulatie.
Installeer op de E-mail Server de applicatie Email server.
Dubbelklik op het icoon Email server.
Wijzig Mail domain: naar enigma.nl.
Maak voor elke host een account aan:
Klik op Start
Installeer op iedere host de applicatie Email program.
Klik op de accountknop en vul de volgende informatie in:

Klik op Save
Stuur een e-mail van Host A naar Host B.
Ga naar Host B en kijk of de e-mail is aangekomen:

★ Aan de slag 93

Wijzig in de instelling van de e-mailaccounts de IP-adressen voor de POP3 server en de SMTP-server in de domeinnamen pop.enigma.nl en smtp.enigma.nl.
Voeg beide namen toe aan de Domain Name Server en stel ook de DNS voor de E-mail Server in.

★ Aan de slag 94 (verdiepen)

Het web maakt gebruik van het HTTP-protocol. Dit bestaat uit een begindeel, mogelijk gevolg door een document, bijvoorbeeld een HTML-pagina.
De eerste regel van het begindeel is een verzoek (van de browser aan de server) of een respons (van de server aan de browser).
Het verzoek GET staat voor het ophalen van een pagina.
De volgende regels vormen de zogenaamde headers.
Deze headers geven bijvoorbeeld aan welke taal voor de gebruiker de voorkeur heeft, welke browser hij gebruikt, etc.

Start een browser, en laad via deze browser een pagina van een eenvoudige website (bijvoorbeeld www.javaeditor.org).
Volg de pakketten die overgestuurd worden met Wireshark, en beschrijf wat er gebeurt.
Laad via de browser een pagina waarbij je moet inloggen (bijvoorbeeld Hyves, Facebook, etc.).
Bekijk de pakketten die overgestuurd worden met Wireshark.
Worden je gebruikersnaam en wachtwoord versleuteld overgezonden?
Als de vorige opdracht, maar nu met een pagina van een beveiligde website (met https), bijvoorbeeld van een bank.
Vindt er nu versleuteling plaats?
Voor de website van Bits of Freedom, www.bof.nl, wordt ook https gebruikt.
Wat is daarvoor de reden?

★ Aan de slag 95 (verdiepen)

Maak een chat-verbinding en inspecteer de pakketten die overgestuurd worden met Wireshark.
Wordt de verbinding versleuteld?

★ Aan de slag 96 (verdiepen)

Maak een skype-verbinding, en inspecteer de pakketten die overgestuurd worden met Wireshark.
Wordt een gesprek versleuteld overgezonden?
Waaraan zie je dat?
Waarom wil je bij internet-telefonie liever niet werken met hertransmissie van pakketten?
Inspecteer de technische gegevens die Skype verschaft in het venster over "Technische gespreksinfo".
Leg uit wat de verschillende elementen hierin betekenen en wat de mogelijke gevolgen zijn voor de gesprekskwaliteit.
Het spraaksignaal wordt in het geval van internettelefonie overgestuurd in IP-pakketten, meestal met behulp van het UDP-protocol.
Ga na in welke tijdsegmenten het spraaksignaal typisch verdeeld wordt.
Anders gezegd: hoe groot is het gat in het spraaksignaal dat ontstaat als een pakket verloren gaat?

K De fysieke laag

Inleiding

Zoals we eerder gezien hebben, heb je voor communicatie een fysieke drager nodig.
Dit kan een materieel object zijn waarop je informatie vastlegt, waarna dit object naar de bestemming getransporteerd kan worden.
Voorbeelden hiervan zijn de brief en de krant, maar ook de CD of DVD en zelfs de harde schijf wordt op een dergelijke manier voor communicatie gebruikt.
In dit gedeelte zullen we op deze manier van fysieke communicatie niet verder ingaan.
Andere fysieke dragers van communicatie zijn bijvoorbeeld bedrade verbindingen (elektrisch en tegenwoordig ook optisch: glasvezel) en draadloze verbindingen (gebaseerd op radio, maar ook mogelijk met licht, bijvoorbeeld infrarood en geluid).
In al deze gevallen gaat het om een signaal dat via een medium getransporteerd wordt.
Dit signaal is een tijdelijk verschijnsel, meestal in de vorm van een golf, die na korte tijd ook weer verdwenen is.

Digitale communicatie

Digitale communicatie over een analoog medium
In principe is elk communicatiemedium universeel, dat wil zeggen dat je er alle soorten informatie over kunt transporteren.
Je kunt dit op een praktische manier realiseren door digitale communicatie over het betreffende medium mogelijk te maken.
Hiervoor moet een digitaal signaal omgevormd worden in een signaal dat efficiënt door het betreffende medium getransporteerd wordt.
Meestal is daarbij sprake van een of andere vorm van modulatie: het digitale signaal wordt in golfvormen omgezet.
Aan de andere kant van het kanaal moet dan demodulatie plaatsvinden.
Een apparaat dat deze modulatie- en demodulatiefuncties combineert heet een modem.
Deze combinatie is nodig om communicatie in twee richtingen mogelijk te maken.

Een eenvoudige vorm van modulatie is FSK: frequency shift keying, waarbij gewoonlijk twee verschillende frequenties gebruikt worden: een "0" wordt dan voorgesteld door een golf met de ene frequentie, en een "1" door een golf met de andere frequentie.
Je hebt daarnaast nog een manier nodig om de duur van een bit ("1" of "0") te bepalen.
De klokken hiervoor moeten bij de zender en de voldoende gelijk lopen.

Als wij spreken doen we iets vergelijkbaars als een modem.
We coderen de verschillende letters, of preciezer gezegd, fonemen, in verschillende soorten geluidsgolven.
Soms is daarbij sprake van verschillende klanken (combinaties van frequenties), zoals bij de klinkers, soms van overgangsgeluiden zoals bij de medeklinkers.
Ruisklanken als de s en de z nemen een tussenpositie in.
Ook de toonhoogte, in het bijzonder de veranderingen daarin, draagt betekenis.
Onze mond fungeert in dit proces als de modulator en ons oor als de demodulator.

Technologie

Multiplexing
Als je een communicatiemedium wilt gebruiken als universeel medium voor meerdere communicaties tegelijk, dan hebben we naast deze digitale communicatie nog een vorm van multiplexing nodig.
Zoals we gezien hebben, is pakketcommunicatie daarvoor één van de handige methodes.
Om het uiterste uit een fysiek medium te halen worden daarnaast ook andere vormen van multiplexing gebruikt.

Evolutie
Om informatie op een efficiënte manier over een fysiek kanaal te transporteren heb je technologie nodig.
Deze technologie ontwikkelt zich de laatste decennia razendsnel.
We kunnen nu veel meer bits per seconde over een telefoondraad transporteren dan 20 jaar geleden.
Veel communicatietechnologieën ontwikkelen zich op een exponentiële manier, dat wil zeggen dat bijvoorbeeld de bitsnelheid in een aantal jaren verdubbelt.

Merk op dat de bitsnelheid, en daarmee de capaciteit van de verbindingen snel groter wordt, terwijl de vertraging grotendeels gelijk blijft.
Deze wordt onder andere bepaald door de fysieke afstand en de beperkte snelheid van het licht.

Deze exponentiële ontwikkeling wordt voor een deel mogelijk gemaakt door de exponentiële ontwikkeling van de digitale elektronica die in deze communicatiesystemen gebruikt wordt, maar ook de ontwikkeling van nieuwe materialen en van nieuwe algoritmen voor communicatie spelen een rol.

Verschillende technologieën

Er zijn veel verschillende fysieke vormen van communicatie in gebruik.
Waarom hebben we al die verschillende oplossingen nodig?

Deze fysieke vormen verschillen in een aantal opzichten.
In de eerste plaats hebben ze verschillende technische eigenschappen met betrekking tot communicatie, zoals de bitsnelheid, vertraging, foutgedrag en betrouwbaarheid, beveiliging, en dergelijke.
In de tweede plaats hebben ze eigenschappen die van invloed zijn op de mogelijke omstandigheden van gebruik: de maximale afstand waarover gecommuniceerd kan worden, of er een fysieke verbinding (kabel) nodig is of niet.
Daarnaast is er een verschil in de kosten, zowel van de technische voorzieningen (apparatuur, kabels) als voor de aanleg. Bijvoorbeeld in het geval van aansluitingen van woonhuizen op een glasvezelnet spelen deze laatste kosten een grote rol.

Soms zijn er verschillende oplossingen naast elkaar in gebruik vanwege historische redenen.
Zo zijn er voor distributie van radio- en televisiesignalen kabelnetten aangelegd, naast het telefoonnet dat toen beschikbaar was.
Het was indertijd niet mogelijk om een tv-signaal via een telefoonlijn te transporteren.
Momenteel is het via beide verbindingen mogelijk om internetcommunicatie aan te bieden, vaak in combinatie met telefoon en televisie.

In het onderstaande bespreken we een aantal verschillende technologieën die momenteel in gebruik zijn.
Van deze technologieën geven we naast een algemene beschrijving, ook de belangrijkste technische eigenschappen voor de communicatie.
Daarnaast noemen we eigenschappen die van belang zijn voor de situatie waarin de communicatie plaatsvindt.

We behandelen de verschillende technologieën in de volgorde van opklimmende afstand die overbrugd moet worden en de bijbehorende rol in de communicatie.
Verder proberen we voor elke afstand oplossingen een draadloze en een bedrade oplossing aan te geven.

Waar we in het onderstaande spreken over "computer" mag je als in de voorafgaande hoofdstukken, ook denken aan een apparaat met een ingebouwde computer.
In het bijzonder kan dit ook een mobiele telefoon zijn.

Randapparatuur

Communicatie tussen randapparatuur en computer
De kortste afstand (afgezien van de interne communicatie in een computer) is die tussen computer en de bijbehorende randapparaten, zoals toetsenbord en externe harde schijf.
Dit is een punt-punt verbinding tussen randapparaat en computer, waarbij andere computers geen directe toegang hebben tot het betreffende randapparaat.
Je kunt een computer met de randapparaten eromheen beschouwen als een sternetwerk, waarbij de computer de ster in het midden is en de randapparaten de satellieten van deze ster.
Het is ook mogelijk om de verbinding tussen computer en randapparaat via een lokaal netwerk te leggen en daarbij gebruik te maken van het internetprotocol.
Een dergelijk apparaat is dan een netwerkapparaat, bijvoorbeeld een netwerkprinter.
Deze is via het netwerk door andere computers aan te sturen.

Voor de bedrade verbinding tussen computer en randapparaat wordt tegenwoordig meestal USB gebruikt; voor de draadloze verbinding Bluetooth.

USB
Een USB-verbinding dient voor de communicatie tussen computer en randapparaat. Dit loopt uiteen van toetsenbord en muis tot videocamera en harde schijf.

De bitsnelheid van de verschillende generaties USB-verbindingen:

versie	jaar van introductie	snelheid
USB 1.0	1996	1.5 Mbit/s
USB 1.1	1998	12 Mbit/s
USB 2.0	2001	480 Mbit/s
USB 3.0	2010	5 Gbit/s
USB 3.1	2013	10 Gbit/s
USB 3.2	2017	16 Gbit/s

Uit deze tabel blijkt dat een dergelijke universele technologie een snelle ontwikkeling doormaakt en daarmee een aantal andere technologieën naar een niche-markt dringt. Een voorbeeld is Firewire, dat vanouds een snellere verbinding biedt dan USB, bijvoorbeeld voor de verbinding tussen een computer en snelle harde schijven. Door de grotere snelheid van de nieuwere generaties USB is het aantal gevallen waar het gebruik van Firewire een duidelijk voordeel biedt, aanzienlijk kleiner geworden.

Een nieuwe ontwikkeling op het gebied van de verbindingen tussen computers en randapparaten is Thunderbolt. Hiermee is een snelheid van 10 Gbit/s (versie 1) tot 40 Gbit/s (versie 3) in twee richtingen mogelijk. Een dergelijke verbinding kan zowel voor snelle schijven als voor displays gebruikt worden.

Een andere standaard, die vanaf 2014 zijn intrede heeft gedaan, is USB-C. Dit is een op USB gebaseerd verbindingssysteem met een symmetrische 24 pins-connector. Dit type connector biedt de mogelijkheid om data te versturen met een snelheid van maximaal 10 Gbit/s, terwijl daarnaast een smartphone, tablet en zelfs een laptop kan worden opgeladen via dezelfde kabel. Ook biedt het de mogelijkheid om video en audio te versturen waarmee het een concurrent wordt van de HDMI-standaard.

Bluetooth
Bluetooth vormt een draadloze verbinding tussen een computer en een randapparaat. Doordat de snelheid van Bluetooth veel beperkter is dan USB, is het aantal soorten randapparaten wat je hiermee kunt aansluiten ook beperkt. Het grote voordeel van een draadloze verbinding zorgt ervoor dat Bluetooth in voldoende gevallen een voordeel biedt ten opzichte van USB. Voorbeelden hiervan zijn: draadloze toetsenborden, muizen, koptelefoons en headsets. Een nadeel van veel van deze draadloze Bluetooth-oplossingen is dat er een lokale stroomvoorziening (batterij) nodig is. De batterijlevensduur speelt voor de gebruiker een grote rol.

Recent is er een nieuwe variant van Bluetooth geïntroduceerd, Bluetooth Low Energy, die het mogelijk maakt om randapparaten aan te sluiten die weinig energie verbruiken, en slechts af en toe een lage-bitrate verbinding nodig hebben. Voorbeelden van dergelijke "randapparaten" zijn: personenweegschaal, stappenteller/bewegingsmeter, bloeddrukmeter, glucosemeter, etc. Het batterijverbruik van Bluetooth Low Energy is veel kleiner dan van de normale Bluetooth, waardoor met een veel kleinere batterij volstaan kan worden (knoopcel). Met een normale batterij is in dat geval een zeer lange levensduur te bereiken.

Lokale netwerken

De volgende klasse van afstanden betreft de lokale netwerken.
Dit kan uiteenlopen van een huisnetwerk tot een campusnetwerk van een universiteit of een groot bedrijf.
De meest gebruikte oplossing voor bedrade lokale netwerken is Ethernet.
Voor draadloze lokale netwerken wordt meestal WiFi gebruikt.

Ethernet
Vrijwel elk bedraad lokaal computernetwerk is tegenwoordig gebaseerd op Ethernet.
Ethernet maakt gebruik van pakketcommunicatie en sluit goed aan op de pakketcommunicatie in de IP-laag.
Hierdoor is in veel gevallen de ontwikkeling van Ethernet hand-in-hand gegaan met het gebruik van internet in lokale netwerken.

Deze technologie heeft zich in de loop van de jaren sterk ontwikkeld, zoals de onderstaande tabel laat zien:

Versie Ethernet	Jaar van introductie	Snelheid
10Base5 thick coax	1983	10 Mbit/s
10BaseT	1990	10Mbit/s
100Base	1995	100Mbit/s
1000Base	1998	1 Gbit/s
10GBase	2003	10Gbit/s
40GBase	2010	40 Gbit/s
100GBase	2010	100 Gbit/s

In de begintijd van Ethernet werd voor de verbinding tussen de computers in het lokale netwerk een gemeenschappelijke kabel gebruikt, in de vorm van een coaxkabel.
Deze vormt als het ware de gemeenschappelijke "ether" waar de verschillende computers hun pakketten overheen kunnen sturen.
Bij deze aanpak kan het voorkomen dat twee computers tegelijk een pakket versturen.
Deze pakketten "botsen" (collision) waardoor deze vervormd raken en niet meer correct ontvangen kunnen worden.

In het Ethernetprotocol zijn voorzieningen getroffen om dergelijke collisions te voorkomen door voor het zenden te luisteren of de "ether" vrij is en om collisions te detecteren (twee computers kunnen onafhankelijk van elkaar besluiten dat de ether vrij is voor hun eigen pakket).
Door met deze gevallen slim om te gaan kan de kans op dergelijke collisions aanzienlijk ingeperkt worden.

Deze techniek werkt als er relatief weinig computers in het netwerk verbonden zijn en het verkeer veel kleiner is dan de capaciteit van de verbinding.
Als het netwerk groter wordt, en het verkeer veel drukker, levert deze aanpak met een gemeenschappelijke ether problemen op.
Dit is een belangrijke reden waarom tegenwoordig meestal punt-punt verbindingen gebruikt worden.

De meest gebruikte variant van Ethernet maakt gebruik van kabels met "unshielded twisted pair" draden (UTP).
Deze kabels combineren een relatief lage prijs met hoge prestaties.
Deze kabels worden meestal aangelegd in de vorm van punt-punt verbindingen, waarbij de betreffende punten computers zijn of schakelpunten in het netwerk (switches).
Door deze punt-punt verbindingen is de kans op botsende pakketten in het netwerk (collisions) veel kleiner dan in het geval waarbij een gemeenschappelijke kabel gebruikt wordt.
Zoals we later zullen zien heeft een switch eenzelfde functie als een IP-router, maar dan op het niveau van de fysieke laag.

Bij Ethernet is de kans dat een pakket niet correct overkomt door een bitfout of door een botsing (collision) relatief klein.
De correcte aankomst van een pakket (in het geval van Ethernet "frame" genoemd) kan gecontroleerd worden aan de hand van de checksum in het pakket.
Een pakket met een foute checksum wordt genegeerd door de ontvanger:
Ethernet levert een best-effort pakketcommunicatie zonder garanties met betrekking tot de aflevering van een pakket.

Adressering in ethernet

Elk interface waarmee een computer aan een Ethernet verbonden kan worden, heeft een uniek 48-bits adres, het MAC-adres.
Dit adres is uniek doordat de nummers hiervoor via de fabrikanten van de interfaces uitgedeeld worden.

Een computer kan via meerdere interfaces aan één of meer Ethernetsegmenten verbonden worden.
In dat geval heeft deze computer meerdere MAC-adressen.
Een interface kan ook in een andere computer geplaatst worden.
In dat geval krijgt deze andere computer het MAC-adres van de betreffende interface.

Een Ethernetpakket, gewoonlijk frame genoemd, bevat onder meer de volgende onderdelen:

MAC-adres van de bestemming
MAC-adres van de afzender
identificatie van het payload-protocol (o.a. IP, maar ook DECnet, AppleTalk, etc.)
data (payload)
CRC (checksum) van het frame (om te controleren of dit onbeschadigd afgeleverd is)

Via het Ethernet-netwerkinterface worden alle Ethernetframes die over het aangesloten Ethernet langskomen en die een passend bestemmingsadres hebben, aan het operating system afgeleverd en daarmee aan het betreffende payload-protocol, meestal IP.

IP via ethernet

Tegenwoordig maken vrijwel alle computers voor de onderlinge communicatie gebruik van het IP-protocol, zowel voor de lokale communicatie, als voor de communicatie buiten het netwerk.
Voor dit laatste speelt de internetroutering een belangrijke rol.
Hoe vindt de bezorging van een IP-pakket in het lokale netwerk plaats?
Hiervoor moet eerst voor dit lokale IP-adres het bijbehorende MAC-adres gevonden worden.
Vervolgens kan dit pakket via het lokale Ethernet verstuurd worden, waarbij de Ethernet-"routering" via switches, zoals hieronder beschreven, een rol speelt.

Om het MAC-adres van een lokaal IP-adres als bestemming te vinden gebruikt de afzender het zogenaamde ARP-protocol.
De afzender stuurt een broadcast over het lokale Ethernet met de vraag naar het MAC-adres van het gegeven IP-adres.
Elke computer in het lokale netwerk ontvangt dit bericht, inclusief de computer met dit IP-adres.
Deze weet zeker het eigen MAC-adres en stuurt dit als antwoord terug.
Op basis van dit antwoord kan de oorspronkelijke afzender de eigen administratie van IP-adressen en MAC-adressen bijwerken.
In het vervolg kan deze administratie gebruikt worden, in plaats van de broadcastvraag.

Om dit algoritme te laten werken is het nodig en voldoende dat elke computer een uniek IP-adres heeft in het lokale netwerk.
In het geval van IPv4 wordt daarvoor vaak DHCP gebruikt, waarmee een computer een IP-adres aanvraagt bij een DHCP-server, meestal de router/gateway van het netwerk.
In het geval van IPv6 kan een computer een uniek IP-adres kiezen door voor het computerdeel van het IP-adres het eigen MAC-adres in te vullen.
Deze aanpak maakt zowel het DHCP als het ARP-protocol overbodig.

Ethernetswitches

Een Ethernet netwerk bestaat tegenwoordig uit een groot aantal segmenten, waarbij elk segment meestal een punt-punt verbinding is tussen een computer en een switch.
Een switch verbindt een aantal segmenten.
Hij vervult de functie van een router op het fysieke (MAC) niveau. Een switch levert pakketten die voor een bepaald MAC-adres bestemd zijn, af op het segment waar die computer direct of via een ander segment /switch aan verbonden is.
Deze functie is veel eenvoudiger dan in het geval van internetrouters, omdat het aantal aangesloten computers veel kleiner is, en omdat in het geval van twijfel, een frame naar alle aangesloten segmenten gekopieerd kan worden.

Overigens is er geen enkele logische relatie tussen een MAC-adres van een interface en het segment waaraan het interface verbonden is.
Switches bepalen op grond van het verkeer dat voorbijkomt, welk MAC-adres in welk deel van het netwerk te vinden is.
Als een computer verplaatst wordt, zal een switch dat uiteindelijk detecteren en zal hij de eigen routeringsinformatie bijwerken.

Wifi

Voor draadloze verbindingen in een lokaal netwerk is WiFi de meest gebruikte technologie.
WiFi is een draadloze variant van Ethernet en maakt gebruik van dezelfde principes, zoals pakketcommunicatie en het voorkomen van botsingen (collisions).
Een verschil met Ethernet is dat het niet mogelijk is om botsingen te detecteren.
Dit lijkt inherent aan het gebruik van radiotechnologie, waarbij er een zeer groot verschil in signaalsterkte is tussen de zender en de ontvanger.
Daardoor kan een zender niet eenvoudig concluderen dat zijn signaal door een andere zender verstoord wordt.

Een ander verschil met Ethernet is dat, typisch voor een radioverbinding, de kans op verstoring veel groter is.
Dit geldt zowel voor normale bitfouten als voor "burst errors".
Een gevolg is dat de kans dat een pakket ongeschonden aankomt relatief klein is.
Om deze reden maakt WiFi in de fysieke laag gebruik van aankomstbevestiging en het herzenden van pakketten.
Overigens kan hiermee nog van alles misgaan.
WiFi doet zich aan de hogere lagen voor als een best-effort pakketcommunicatie, te vergelijken met Ethernet.

De magnetron werkt in de 2.4 GHz band omdat golven in deze frequentie het best door water geabsorbeerd worden.
Deze band is dan minder goed bruikbaar voor communicatie.
Dat is waarschijnlijk de reden dat deze band vrij te gebruiken is.
Eén van de gevolgen van het gebruik van 2.4 GHz voor WiFi (en Bluetooth) is dat de signalen verstoord kunnen worden door water, ook als dit zich bevindt in planten, dieren of mensen.

Glasvezelverbinding in lokale netwerken

Als er in het lokale netwerk behoefte is aan verbindingen met een zeer grote capaciteit, dan is tegenwoordig een glasvezelverbinding een goede oplossing, bijvoorbeeld in de vorm van Ethernet over glasvezel.

De laatste kilometer

De verbinding naar het lokale netwerk wordt vaak de laatste kilometer ("last mile") genoemd.
Dit is de verbinding tussen een redelijk lokaal distributie- of schakelpunt en het lokale netwerk.
In de wereld van de telefonie betreft dit bijvoorbeeld de wijkcentrale.
Voor de bedrade versie van de laatste kilometer bespreken we twee veel voorkomende oplossingen:
internet via de tv-kabel en internet via de telefoonkabel.
Een andere oplossing die we steeds vaker tegenkomen is internet via glasvezel.
Een dergelijke verbinding heeft een zodanig grote capaciteit dat deze voor een groot aantal diensten gebruikt wordt, zowel internet als telefonie en televisie.

Een andere oplossing voor de laatste kilometer is mobiel internet: internet via de mobiele telefoon.

Internet via de tv-kabel: DOCSIS

De tv-kabel is indertijd aangelegd voor de distributie van tv- en radiosignalen, vooral naar woonhuizen.
Omdat alle aangesloten woningen hetzelfde tv-signaal nodig hebben, kan er gebruik gemaakt worden van een gemeenschappelijke kabel waarop meerdere woningen aangesloten zijn.
Om deze tv-kabel geschikt te maken voor internet zijn er verschillende voorzieningen getroffen.
In de eerste plaats is de kabel geschikt gemaakt voor signalen in beide richtingen, waar deze voorheen alleen geschikt was voor signalen van de centrale distributie naar de aangesloten woningen.
Daarnaast is de kabel is segmenten verdeeld waardoor het aantal woningen met een gemeenschappelijke kabel en daarmee een gemeenschappelijk signaal beperkt is.
Tenslotte moet aan weerszijden van de kabel, zowel in het centrale distributiepunten als in de aangesloten woningen, een modem geïnstalleerd worden om de digitale internetsignalen over de kabel te transporteren.
Een dergelijk kabelmodem voldoet aan de zogenaamde DOCSIS standaard.
Ook hier zie je weer een ontwikkeling in de richting van steeds snellere communicatie:

DOCSIS versie	jaar van specificatie	snelheid
1.x	1997	40 Mbit/s (down), 10 Mbit/s (up)
2.0	2001	40 Mbit/s (down), 30 Mbit/s (up)
3.0 (IPv6 support)	2006	1,2 Gbit/s (down), 200 Mbit/s (up)
3.1	2013	10 Gbit/s (down), 2 Gbit/s (up)
3.1 Full Duplex	2017	10 Gbit/s (down en up)

Een voordeel van de kabelverbinding is dat deze een grote capaciteit heeft.
Voor het distribueren van analoge tv-signalen is een grote bandbreedte nodig.
Een nadeel is dat deze capaciteit gedeeld moet worden met alle woningen die op hetzelfde kabelsegment aangesloten zijn.
De beschikbare capaciteit hangt dan ook af van het internetgebruik van de buren.

Internet via de telefoonkabel xDSL

Een andere kabel die aangesloten is op vrijwel elke woning is de telefoonkabel.
Hoewel deze in principe een veel kleinere capaciteit heeft dan de tv-kabel, omdat voor een telefoonsignaal een veel kleinere bandbreedte nodig is, heeft deze kabel het voordeel dat dit een punt-puntverbinding is, die niet met de buren gedeeld hoeft te worden.
Bovendien is deze kabel altijd geschikt geweest voor signalen in beide richtingen.

Om de kabel geschikt te maken voor het transport van internet-data moet er aan weerszijden van de kabel een modem toegevoegd worden.
In het geval van telefoonkabels wordt daarvoor de xDSL (ADSL, etc.) standaard gebruikt.
Onderstaande tabel laat de ontwikkeling van de xDSL-technologie zien.
Ook hier valt de snelle technologische ontwikkeling op.

xDSL versie	standaardisatie	snelheid down	snelheid up
ADSL	1998	8 Mbit/s	1 Mbits/s
ADSL	2001	12 Mbit/s	1.3 Mbit/s
ADSL2	2002	12 Mbit/s	1,3 Mbit/s
ADSL2+	2003	24 Mbits/s	1,3 Mbit/s
VDSL		52 Mbit/s	13 Mbit/s
VDSL2		100 Mbits/s verdeeld in down en up

De gegeven snelheden zijn meestal theoretische maximumsnelheden.
Veel aanbieders gebruiken een lagere snelheid om bijvoorbeeld onderlinge verstoring te verminderen.
De capaciteit van de telefoonkabel naar een woning, en daarmee de xDSL-snelheid, wordt sterk bepaald door de afstand van de woning tot het eerstvolgende centrale punt en door de kwaliteit van deze kabel.
Beide kunnen sterk variëren, waardoor niet voor elke woning dezelfde prestaties bereikt kunnen worden.

Glasvezel tot aan huis

In steeds meer plaatsen in Nederland wordt glasvezel tot in het huis aangeboden.
Hierbij worden meestal snelheden van 100-200 Mbit/s aangeboden (symmetrisch voor download en upload).
De maximale snelheden die in de toekomst via deze verbindingen mogelijk zijn liggen nog aanzienlijk hoger.

Mobiel internet

Het is al enige tijd mogelijk om via mobiele telefonie een internetverbinding te krijgen.
De eerste wereldwijd genormeerde standaard voor digitale telefonie was GSM, waardoor het mogelijk werd om dezelfde telefoon en simkaart over de hele wereld te gebruiken.
De huidige standaard (4G) biedt aanzienlijk hogere snelheden voor internetverkeer (100 Mb/s), waar de huidige smartphones met uitgebreide internetvoorzieningen dankbaar gebruik van maken.

Voor de nabije toekomst is het 5G-netwerk aangekondigd, dat snelheden van 1 Gb/s mogelijk moet maken.
Daarmee worden toepassingen als het zelfsturende auto’s, de slimme stad, het internet of things mogelijk.

Als basisprotocol van de verbinding wordt het IP-protocol genomen en ook de originele toepassing, telefonie, vindt over dit IP-protocol plaats.
Deze overgang betekent een vereenvoudiging op veel plaatsen in het netwerk en daarmee een reductie van de kosten van de aanbieder.
Het betekent ook dat de mobiele telefoon daarmee een steeds volwaardiger positie in het internet inneemt.
Het gebruik van IPv6 wordt daarmee ook noodzakelijk, gezien de grote aantallen mobiele telefoons in de wereld.

De onderstaande tabel geeft de ontwikkelingen van mobiel internet weer:

versie	snelheid
2G GSM	9,6 kbit/s
2.5G GPRS	52 kbit/s (EDGE: 384 kbit/s)
3G UMTS	384 kbit/s
3.5G HSDPA	14 Mbit/s
4G LTE	100 – 1000 Mbit/s
5G	1 Gbit/s

Verbindingen

Grote landelijke en internationale verbindingen

De volgende afstanden betreffen de verbindingen tot de regionale schakel- en distributiecentra, en verderop.
Hiervoor wordt tegenwoordig, in verband met de benodigde capaciteit, meestal een glasvezelverbinding gebruikt.

Bij de verbindingen voorbij de laatste kilometer wordt meestal onderscheid gemaakt tussen Tier3, Tier2, en Tier1 netwerken, waarbij de laatste de meest globale is en de grootste capaciteit heeft.
Tier3 is de wereld van de ISP (Internet Service Provider) waar je direct mee te maken hebt. Soms is dit een Tier2-aanbieder.
Tier1 betreft de wereld van de grote communicatiebedrijven met internationale verbindingen met een zeer grote capaciteit.

Zie:
T ier 2

T ier 1

Voor de uitwisseling van data tussen deze netwerken worden vaak grote schakelcentra gebruikt.
Een voorbeeld hiervan is de Amsterdam Internet Exchange.
Hij verwerkt piekverkeer in de orde van 1 Terabit per seconde en is daarmee één van de drukste ter wereld. (Tera=10¹²)

A msterdam Internet Exchange

★ Aan de slag 97

Wat is de functie van een modem?

★ Aan de slag 98

Communicatie tussen randapparatuur en computer
	type	toepassing
bedraad
draadloos

Vul het bovenstaande schema in.

★ Aan de slag 99

Wat zijn collisions?
Op welke manier probeert het ethernetprotocol collisions te voorkomen?

★ Aan de slag 100

Hoe worden Ethernetpakketten geadresseerd?

★ Aan de slag 101

Wat is de functie van een switch?
Hoe werkt een switch?

★ Aan de slag 102

Wat is de draadloze variant van ethernet?

★ Aan de slag 103

De laatste kilometer
	type netwerk	voordeel	nadeel
DOCSIS
xADSL
Glasvezel tot aan huis
Mobiel internet

Vul het bovenstaande schema in.

★ Aan de slag 104

Ga na op welke manier het netwerk van je thuisnetwerk op het internet is aangesloten.

In sommige gevallen zijn modem, router, switch en draadloos basestation in een enkel apparaat gecombineerd.

Waar bevindt zich het modem in het netwerk?
Waar bevindt zich de router vinden in het netwerk?
Wordt er ook gebruik gemaakt van een switch?
Waar wordt UTP bekabeling gebruikt?
Waar een ander soort bekabeling?

★ Aan de slag 105

Ga na hoeveel draadloze netwerken je thuis kunt ontvangen.
Kunnen deze netwerken elkaar verstoren?

★ Aan de slag 106

Draadloze netwerken worden ook gebruikt als "bakens" voor het bepalen van je positie.
Op een bepaalde positie kun je meerdere netwerken ontvangen.
Op grond van de onderlinge sterkte van de verschillende netwerken kun je je positie nog nauwkeuriger bepalen.

Deze methode is gebruikt door Google en Apple om via een apparaat (mobiele telefoon) met WiFi, maar zonder GPS, toch je positie ongeveer te kunnen bepalen.
Google heeft met behulp van de auto's die ook de foto's voor Google Streetview gebruikt worden, voor veel straten vastgelegd welke basestations daar gevonden kunnen worden.

Hier is een rel over ontstaan, omdat Google ook delen van de communicatie die via deze netwerken verliep, per ongeluk opgeslagen had. Dit is beschouwd als een inbreuk op de privacy.

Is de informatie die Google vastgelegd heeft over de verschillende basestations die op straat ontvangen kunnen worden, ook privacy-gevoelig?

★ Aan de slag 107

Positiebepaling via een draadloos netwerk wordt ook in grote gebouwen, zoals ziekenhuizen, gebruikt voor het bepalen van de positie in het gebouw.
Om dit goed te doen kun je niet zomaar uitgaan van de posities van de verschillende WiFi basestations, maar moet je op veel punten in het gebouw bepalen hoe sterk de verschillende basestations ontvangen kunnen worden ("fingerprinting").
Metaal en water hebben grote invloed op de manier waarop de WiFi-signalen verspreid worden.

Ga na voor welke doeleinden deze positiebepaling in ziekenhuizen gebruikt kan worden.
Zou je voor een dergelijke methode de voorkeur geven aan signalen die niet of nauwelijks door muren gaan (5 GHz, of hoger), of juist niet?
Verklaar je antwoord.

★ Aan de slag 108

Voor een snellere internetverbinding moet je meestal meer betalen.
Wat zijn de kosten die een ISP moet maken om jou een snellere verbinding aan te kunnen bieden?

★ Aan de slag 109

Soms, bijvoorbeeld in het geval van mobiel internet, is er niet alleen sprake van een beperking in de snelheid, maar ook in de hoeveelheid dataverkeer die in een bepaalde periode gebruikt mag worden, bijvoorbeeld 2 GByte/maand.
Wat is de reden van een dergelijke beperking?

★ Aan de slag 110 (verdiepen)

Probeer een stukje UTP-draad te pakken te krijgen, en haal dit uit elkaar.

Maak een schets van de manier waarop deze draad in elkaar zit.
Op welke lengtes vind je de verschillende windingen ("twists")?
Ga na wat de reden is voor deze windingen.
Heeft dit ook gevolgen voor de manier waarop je een dergelijke kabel mag behandelen?

★ Aan de slag 111 (verdiepen)

Ga na op welke manier het netwerk van school op het internet aangesloten is.
Kun je hier de modems, routers, en switches vinden?

★ Aan de slag 112 (verdiepen)

Ga na welk draadloos netwerk op school gebruikt wordt.
Hoeveel basestations kun je vinden?
Kunnen deze elkaar mogelijk storen?
Is er mogelijk ook sprake van andere storingsbronnen, binnen en buiten de school?

★ Aan de slag 113 (verdiepen)

Wat zijn de voordelen van het gebruik van de 5 GHz band voor een draadloos WiFi netwerk in een school.
Wat zijn mogelijk de nadelen?

★ Aan de slag 114 (verdiepen)

In het geval van bekabeld Ethernet zijn de mogelijkheden hiervoor beperkter, onder andere doordat dit in segmenten verdeeld is, waarbij veel pakketten niet in alle segmenten verschijnen.

Met behulp van het programma Wireshark kun je het netwerkverkeer in de fysieke laag inspecteren.
In het bijzonder kun je in het geval van een WiFi-netwerk zien wat er gebeurt.
Wat kun je hieruit concluderen met betrekking tot de beveiliging van de communicatie in het netwerk?

Toets 2

NOG INVOEGEN

Voortgang

Bekijk hier je voortgang

Kernprogramma

Docent kan klassen aanmaken en leerlingen volgen
Een docent kan op de profielpagina klassen aanmaken. Als een docent dat gedaan heeft, kunnen de leerlignen zich aan de klas koppelen. Als de leerlingen dat gedaan hebben, kan de docent de voortgang van de leerlingen volgen.

>> Profielpagina

Colofon
Het arrangement Module: Enigma - Communicatie en netwerken is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

Auteur

VO-content

Laatst gewijzigd

Licentie

Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:

het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat

het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken

voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

Meer informatie over de CC Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie.

Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

Toelichting

Deze module is onderdeel van de arrangeerbare leerlijn van de Stercollecties voor het keuzedeel van Informatica voor hv456. Communicatie speelt in alle terreinen van ons leven en in alle delen van de maatschappij een essentiële rol. Dit kan gaan over communicatie tussen personen, maar ook tussen een persoon en een computer en tussen computers onderling. De mogelijkheden voor communicatie ontwikkelen zich de laatste decennia in een snel tempo en hieraan lijkt voorlopig nog geen eind te komen. In deze module leer je onder andere toepassingen van communicatie beschrijven, modellen van communicatie benoemen en aspecten van beveiliging benoemen. In ieder onderdeel vind je, verdeeld over verschillende pagina's, informatie in de vorm van teksten, afbeeldingen en video's. Daarnaast ga je zelf aan de slag met toepassingsopdrachten en toetsen. Van de toetsen wordt je voortgang bijgehouden en deze voortgang zal zowel door jou als je docent te bekijken zijn. Veel succes!

Leerniveau

HAVO 4; VWO 6; HAVO 5; VWO 4; VWO 5;

Leerinhoud en doelen

Informatica;

Eindgebruiker

leerling/student

Moeilijkheidsgraad

gemiddeld

Trefwoorden

arrangeerbaar, beveiliging, communicatie, enigma- communicatie en netwerken, hv456, informatica, internetprotecol, ip-protecol, keuzedeel, stercollectie

Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

Leermateriaal, StudioVO. (2019).

Communicatie en netwerken

https://maken.wikiwijs.nl/141789/Communicatie_en_netwerken

Module: Enigma - Communicatie en netwerken

nl

VO-content

Deze module is onderdeel van de arrangeerbare leerlijn van de Stercollecties voor het keuzedeel van Informatica voor hv456. Communicatie speelt in alle terreinen van ons leven en in alle delen van de maatschappij een essentiële rol. Dit kan gaan over communicatie tussen personen, maar ook tussen een persoon en een computer en tussen computers onderling. De mogelijkheden voor communicatie ontwikkelen zich de laatste decennia in een snel tempo en hieraan lijkt voorlopig nog geen eind te komen. In deze module leer je onder andere toepassingen van communicatie beschrijven, modellen van communicatie benoemen en aspecten van beveiliging benoemen. In ieder onderdeel vind je, verdeeld over verschillende pagina's, informatie in de vorm van teksten, afbeeldingen en video's. Daarnaast ga je zelf aan de slag met toepassingsopdrachten en toetsen. Van de toetsen wordt je voortgang bijgehouden en deze voortgang zal zowel door jou als je docent te bekijken zijn. Veel succes!

educationLevel

OnderwijsBegrippenKader

HAVO 4

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/70af3752-c6ad-43d9-aa0c-9ff099931f8a

educationLevel

OnderwijsBegrippenKader

VWO 6

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/85d15c83-e2b4-4359-8475-a355591aaa1a

educationLevel

OnderwijsBegrippenKader

HAVO 5

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/cb61531d-61eb-4412-a52f-ca065ca37e39

educationLevel

OnderwijsBegrippenKader

VWO 4

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/e2026706-0829-4a4c-b726-9409b6f407e1

educationLevel

OnderwijsBegrippenKader

VWO 5

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/f2513775-3d54-423b-803b-15e06a8c89a8

educationalSubject

OnderwijsBegrippenKader

Informatica

http://purl.edustandaard.nl/begrippenkader/2845473d-ce18-450a-9135-6738abbdc129

leerling/student

arrangeerbaar, beveiliging, communicatie, enigma- communicatie en netwerken, hv456, informatica, internetprotecol, ip-protecol, keuzedeel, stercollectie
Opties
Gebruik
- Download arrangement
- Kopieer arrangement
Weergave
Wikiwijs is een dienst van