H14.1 Informatica: Netwerken deel 2, het TCP/IP-protocol en de netwerklagen

Stel je voor dat een calculator van een groot bedrijf in Groningen een heel groot bestand met gegevens heeft aangemaakt met behulp van het programma SPSS (dat is een programma waarmee je statistiek op gegevens kunt uitvoeren).
Het genoemde bedrijf heeft ook een vestiging in Johannesburg in Zuid-Afrika, en de calculator van de vestiging in Johannesburg moet dat bestand gebruiken.
Het bestand moet dus naar Johannesburg worden verstuurd.
Tegenwoordig zullen ze zoiets waarschijnlijk via email doen, maar een aantal jaren geleden deden ze dat meestal m.b.v. diskettes.

Toch kun je die ouderwetse manier goed vergelijken met de manier waarop het via Internet gaat.
Als je een bestand m.b.v. schijfjes verstuurt gebeurt dat in stappen. Als je een bestand via email verstuurt gebeurt dat ook in stappen.

Eerst beschrijven we de stappen die worden genomen als je het m.b.v. diskettes verstuurt. En daarna vergelijken we die stappen met wat er gebeurt als je het via email doet.

De stappen die worden genomen als het m.b.v. diskettes gaat:

De calculator heeft het bestand aangemaakt m.b.v. het programma SPSS.
Hij neemt daarna contact op met de systeembeheerder en vertelt hem dat het genoemde bestand moet worden verstuurd.
De systeembeheerder zet het programma op schijfjes. Als het een groot bestand is dan past het waarschijnlijk niet op één diskette. We nemen even aan dat er 10 schijfjes voor nodig zijn.
Op het etiket van elk schijfje zet hij het nummer van het schijfje en de naam van het bestand waar het mee geopend kan worden (dus SPSS). Verder doet hij elk schijfje in een envelop, en hij zet de naam en het adres van degene die het moet hebben op de envelop. Hij zorgt er voor dat ze gefrankeerd worden, en dat ze gepost worden. En hij belt misschien nog even naar de zaak in Johannesburg om te vertellen dat ze post kunnen verwachten: 10 enveloppen met schijfjes. En hij vraagt misschien of ze over een week even willen bellen of alles goed is aangekomen.
De TNT zorgt voor de verdere verzending. Daar moet ook nog heel wat voor gebeuren. De post gaat eerst met een busje naar een centraal kantoor, dan met de trein naar Amsterdam, dan naar Schiphol, dan met het vliegtuig naar Zuid Afrika, enz.
Uiteindelijk komen ze terecht bij de vestiging in Johannesburg. De systeembeheerder krijgt ze, hij haalt de schijfjes uit de enveloppen zorgt er voor dat het weer één groot bestand wordt.
Hij zet dat bestand op de computer van de calculator en vertelt er bij dat die het programma SPSS kan gebruiken om de gegevens te bewerken. En dan kan die aan de slag en is alles rond.

Het overbrengen van dat bestand gaat dus in verschillende stappen. En er komen heel wat mensen en handelingen aan te pas om er voor te zorgen dat het op de juiste plaats komt.

In 1974 heeft de internationale standaardisatieorganisatie een model voor gelaagde netwerken gedefinieerd. Dat model heet voluit het Open Systems Interconnection Reference Model, maar iedereen spreekt kortweg van het OSI-model.
De volgende vijf lagen in dat model gaan we verder bespreken.

14.1.2. De applicatielaag.

Dan staat er, als het bericht klaar is, een bestand op je computer dat begint met het emailadres van degene aan wie het verstuurd moet worden, het onderwerp van het bericht, enz.
Dat bestand zit op een speciale manier in elkaar.
Daar hoef je zelf niet zo veel voor te doen, dat regelt het emailprogramma wel voor je.

Er zijn bepaalde afspraken gemaakt hoe zo'n bestand er uit moet zien.
Dat noem je het SMTP-protocol (Simple Mail Transfer Protocol). En dat hoort bij de applicatielaag. Want de "applicatie" (het programma waarmee je werkt) regelt dat.

Als de gegevens worden verstuurd via Internet dan moet ook worden vastgelegd met welk programma de gegevens kunnen worden "benaderd", dat wordt de poort genoemd.
Dat programma is eigenlijk de toegangspoort tot de gegevens. Je moet dit begrip "poort" niet verwarren met het begrip "poort" van bijvoorbeeld een netwerkkaart, of de poort voor het aansluiten van een muis, dat zijn fysieke poorten. In tegenstelling daarmee wordt een applicatie ook wel een virtuele poort genoemd. En daar worden nummers voor gebruikt. Voor het SMTP-protocol is het poortnummer 25. Het poortnummer geeft dus aan bij welke applicatie het hoort. Heel bekende poorten zijn: 21 voor FTP, 23 voor TELNET, 25 voor SMTP, 53 voor domeinnaamvertalingen, 67 voor dhcp-servers, 68 voor dhcp-clients, 80 voor http en 110 voor pop3

Wat er in de applicatielaag gebeurt is te vergelijken met wat de calculator heeft gedaan in het voorbeeld: hij heeft m.b.v. het programma SPSS een bestand aangemaakt.

14.1.3. De transportlaag.

Eerst wordt er een verbinding opgezet met je provider via de telefoon of via de kabel (of misschien was die verbinding er al). En er wordt op een bepaalde manier duidelijk gemaakt aan de provider dat ze een bericht, dus een bitstroom, kunnen verwachten.
Hoe dat gebeurt daar zijn ook afspraken over gemaakt en die afspraken vormen het TCP-protocol (Transmission Control Protocol).
Dat wordt geregeld door een gedeelte van de systeemprogrammatuur, en dat wordt de transportlaag genoemd.
De transportlaag verdeelt het bericht in stukken, meestal van 1500 bytes. Dat worden datagrammen of TCP-segmenten of pakketjes genoemd.
En er wordt aan elk pakketje nog iets toegevoegd, een zogenaamde header. Die bestaat uit 20 bytes.

Wat er in de transportlaag gebeurt komt ongeveer overeen met wat de systeembeheerder doet in het voorbeeld.

14.1.4. De netwerk-laag.

Als de enveloppen in de brievenbus zijn gedaan dan regelt de TNT het verdere vervoer. Dan gebeurt er ook nog van alles. Eerst gaan de brieven naar een centraal adres waar ze gesorteerd worden. Dan gaan ze misschien met de posttrein naar Amsterdam. Dan naar Schiphol. Dan met het vliegtuig naar Zuid Afrika, dan weer in de trein, en uiteindelijk bezorgt de postbode ze hopelijk op het juiste adres.

Als iets via het Internet wordt verstuurd dan volgen de pakketjes ook een lange route, over verschillende kabels. Steeds van "router" naar "router" (een router is een computer die het pakketje in ontvangst neemt, kijkt waar het naar toe moet, en het dan in de goede richting verder stuurt).

Dat geheel noem je de netwerklaag. En de afspraken daarover vormen het netwerkprotocol.

Als de transportlaag een TCP-segmentje overgeeft aan de netwerklaag, dan voegt de netwerklaag weer een header toe aan het segment.
Er zijn afspraken over gemaakt hoe die header er uit ziet, en dat noem je het IP-protocol.

Wat er in de netwerklaag gebeurt komt ongeveer overeen met wat de TNT doet om er voor te zorgen dat brieven met de diskettes uit het voorbeeld op de plaats van hun bestemming komen.

14.1.5. De datalink-laag.

Als de datalink-laag een IP-pakketje van de netwerklaag ontvangt dan wordt er weer een header aan toegevoegd.

Elke laag voegt dus een header toe (bij het versturen; bij de ontvangst haalt elke laag er juist een header van af).

In die header zit bijvoorbeeld een startbyte waar aan gezien kan worden waar het frame begint. (dat is te vergelijken met de toeter van een trein : ik kom er aan !)

Het frameformaat van 802.3 in tabelvorm:

Wordt het verstuurd over een LAN dan wordt er een header toegevoegd zoals je hierboven ziet (uitleg: zie vorige hoofdstuk). Als je bijvoorbeeld zit te internetten op school en verstuurt jouw computer een pakketje dan gaat het eerste stukje over het school-netwerk. De datalinklaag zet de bijbehorende header er voor (de netwerkprogrammatuur van de netwerkkaart regelt dat). Als het pakketje is aangekomen bij de router van school dan haalt die de LAN-header weg, zet er een andere datalink-header voor en stuurt het verder over het Internet.

De datalink-laag bestaat daarom uit twee verschillende gedeelten : de MAC-deellaag (Medium Access Control) voor het verkeer over een LAN, en de LLC-deellaag (Logical Link Control) voor de rest.

14.1.6. Overzicht van de protocollen en lagen.

14.1.7. Speciale IP-adresssen

De IP-adressen die in een LAN worden gebruikt mogen beslist niet "zichtbaar" zijn vanaf het Internet, al was het maar om adresconflicten te vermijden want in de meeste LAN's worden dezelfde IP-adressen gebruikt). Daarom doet de ROUTER aan adresvertaling, dat betekent dat hij het door de provider toegewezen ip-adres gebruikt als het "officiële" publieke adres naar de buitenwereld toe. Alle datatransfers van gebruikers binnen het eigen netwerk naar buiten toe komen bij de router terecht en die vervangt de interne adressen door het publieke adres. Zelf houdt hij een lijstje bij van alle interne adressen waarvoor hij dat deed plus hun bestemming. Als er een antwoord komt doet de router het omgekeerde: het publieke adres vervangen door het interne adres. De afkorting die hiervoor gebruikt wordt is NAT (Network Adress Translation)

De router verzorgt alle adresvertalingen. De meeste routers hebben zelfs een DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)-server aan boord die er voor zorgt dat je niet zelf interne ip-adressen hoeft te verzinnen voor elke pc in je netwerk: de router doet dat allemaal automatisch voor je.

Een heel speciaal ip-adres is het zogenaamde 'loopback'-adres 127.0.0.1.
Een pc hoeft niet verbonden te zijn met een LAN of een internet provider om TCP/IP te kunnen gebruiken: je kunt alles doen met het loopback-adres 127.0.0.1, maar het werkt allemaal alleen binnen je eigen pc.
Je moet dan zelf voor een webserver op je PC zorgen, maar dan kun je ook van alles uitproberen. In de meeste systemen koppelt men de domeinnaam 'localhost' vast aan dat adres 127.0.0.1.

Er wordt met IP-adressen van 4 bytes gewerkt (dat wordt wel IPv4 genoemd), maar zo langzamerhand zijn die adressen allemaal al verbruikt.
Daarom wordt er toegewerkt naar IPv6, waarin gewerkt wordt met IP-adressen van 16 bytes. De eerste acht bytes van een IPv6-adres bevatten informatie over het type ip-adres en de geografische gegevens, en de laatste acht bytes bevatten het adres.

Hoofdstuk 14. Netwerken deel 2