Wat is een netwerk?

Een netwerk is een verzameling van aan elkaar gekoppelde en data uitwisselende apparaten. Dat kunnen computers zijn, maar dat hoeft niet. Er bestaan immers ook netwerkprinters, -scanners, -camera’s en nog veel meer toestellen met een netwerkaansluiting. Het doel van een netwerk is het delen van faciliteiten tussen aangesloten netwerkstations. In deze reeks artikels legt Johan Zwiekhorst van naadje tot draadje uit wat een netwerk is en hoe een en ander in elkaar steekt.

Het delen van faciliteiten binnen een netwerk heet in het Engels "resource sharing". Faciliteiten kunnen gegevens zijn, maar ook programma’s en zelfs apparatuur. Als je aangesloten bent op zo’n netwerk kun je daarvan gebruik maken. Het is natuurlijk wel mogelijk om die toegang te beperken en sommige gebruikers de toegang tot bepaalde faciliteiten te ontzeggen maar niet tot andere. Het beperken van toegang is natuurlijk nodig omwille van gegevensbeveiliging, maar kan ook gebeuren om het netwerk efficiënter te doen werken. Het valt in elk geval allemaal onder de noemer "security" en daar is nogal veel over te doen tegenwoordig, zeker in verband met de problemen die Microsoft daaromtrent heeft. Een paar aan elkaar gekoppelde pc’s is een netwerk, maar ook het hele Internet. Zelfs de geldautomaten van BankSys vormen samen een netwerk, al is dat niet publiekelijk bereikbaar (maar goed ook). Het maakt dus niet uit of een netwerk locaal is of een half continent of zelfs de hele wereld omspant: de achterliggende technologie blijft altijd dezelfde. Een locaal netwerk heet in het Engels "Local Area Network" en dat korten we af tot LAN. Een netwerk dat wijd uitgestrekt is en dan meestal gebruik zal maken van publieke telecommunicatiekanalen noemen we een "Wide Area Network" of WAN. Je herinnert je misschien nog van de vorige keer dat er sprake was van een netwerktopologie en een netwerkinfrastructuur. De netwerktopologie is de weergave van alle fysieke verbindingen waarmee het netwerk gevormd wordt. De specifieke apparaten en alle verbindingen daartussen vormen de netwerkinfrastructuur. Er is dus een duidelijk verband tussen de topologie en de infrastructuur van een netwerk.

Structuur
Een netwerk kan op heel wat verschillende manieren samengesteld worden. Wij gaan er vanuit dat een netwerk in essentie bestaat uit een verzameling machines die applicatiesoftware draaien (eindsystemen of hosts in het Engels) en die onderling verbonden worden door een communicatiesubnet of kortweg subnet. Dat subnet speelt berichten van host naar host door: de hele werking van de netwerkinfrastructuur is hier op gebaseerd. Een netwerk werkt dus doordat de aangesloten stations berichten uitwisselen. Dat is erg belangrijk, want een bericht is meer dan louter data! Hier komen we later nog op terug. Het subnet omvat de zuivere communicatie-aspecten van het netwerk. De hosts omvatten de applicatie-aspecten. Men maakt deze onderverdeling omdat het ontwerp van een netwerk hiermee sterk vereenvoudigt. Het subnet bestaat uit twee componenten: transmissielijnen (ook wel circuits, kanalen of trunks genoemd) en schakelelementen (packet switch node, data switching exchange, tussensysteem of IMP – Interface Message Processor – zijn andere benamingen voor zo’n schakelelement). Die schakelelementen of tussensystemen zijn in feite ook computers, alleen dienen ze uitsluitend om twee of meer transmissielijnen met elkaar te verbinden. Als er op een bepaalde lijn gegevens binnenkomen, kiest zo’n tussensysteem of schakelelement een uitgaande lijn om de gegevens langs te sturen. In een LAN (lokaal netwerk) bestaat het schakelelement uit één enkele chip binnen de host en is er dus altijd welgeteld één host per schakelelement. Bij een WAN (uitgestrekt netwerk), zoals het Internet er immers ook een is, kunnen er daarentegen vele schakelelementen per host zijn. In principe kun je een subnet op twee manieren ontwerpen: als punt-naar-punt- (point-to-point) en als broadcast-architectuur. Bij het punt-naar-punt-ontwerp bevat het netwerk een hele hoop verbindingen die elk ongeveer twee schakelelementen koppelen. Bijgevolg moeten twee tussensystemen die niet op één kabel zitten indirect met elkaar communiceren, via andere schakelelementen dus. Als een digitaal bericht (in het vakjargon noemt men dat een pakket) van een schakelelement naar een ander moet via een of meer tussenliggende schakelelementen, wordt het pakket bij elke tussenschakelelement in zijn geheel ontvangen, daar opgeslagen tot de gewenste uitvoerlijn vrij is en dan doorgestuurd. Een subnet dat volgens dit principe van bewaren-en-doorsturen werkt, heet in het Engels bijgevolg een store-and-forward subnet genoemd. Andere benamingen zijn punt-naar-punt subnet en bericht- of pakketgeschakeld subnet. Uitgestrekte netwerken werken vrijwel altijd volgens deze architectuur. Bij de broadcast-architectuur is er één enkel fysiek communicatiekanaal, dat door alle systemen in het netwerk gemeenschappelijk wordt gebruikt. Het lijkt een beetje op de manier waarop TV en radio werken met de lucht als enkel communicatiekanaal, vandaar ook de benaming "broadcast". Als een van de aangesloten systemen een pakket verzendt, ontvangen letterlijk alle andere apparaten dat. Deze broadcast-architectuur wordt voornamelijk gebruikt voor LANs, maar er zijn natuurlijk ook uitgestrekte netwerken die van zo’n broadcast-architectuur gebruik maken. Denk maar aan systemen die verbonden werden via satelliet (of radio). Anderzijds zijn er ook lokale netwerken die volgens de punt-naar-punt-architectuur ontworpen werden. Een heel bekend voorbeeld is het stersysteem: hierbij zijn alle systemen aangesloten op één centraal station maar niet op elkaar. Het Internet is een uitgestrekt netwerk, maar een erg speciaal geval. Bij Internet komen de twee architecturen namelijk door elkaar voor. Ajuin
Een netwerk kan qua ontwerp zo ingewikkeld in elkaar zitten, dat je al snel het overzicht zou verliezen. Zeker met het Internet is dat waar, alleen al vanwege de omvangrijkheid. Om dat te voorkomen, worden netwerken opgebouwd in lagen of niveaus, ongeveer als de opeenvolgende schillen in een ajuin. Elke laag levert diensten aan de hogere lagen. Op deze wijze worden die hogere lagen beschermd tegen alle details die te maken hebben met de implementatie van die geboden diensten. Elke netwerklaag communiceert met de overeenkomstige laag (op hetzelfde niveau) op het systeem van de bestemming. Deze communicatie gebeurt volgens bepaalde regels en conventies en dat noemt men het protocol van een bepaalde laag. De diensten die een bepaalde laag verleent noemt men ook wel processen. Omdat een laag communiceert met de overeenkomstige laag op een doelsysteem, spreekt men van evenknieprocessen (peer-processen). Evenknieprocessen communiceren dus op basis van het protocol. In werkelijkheid worden er natuurlijk geen data rechtstreeks tussen twee overeenkomstige lagen uitgewisseld. Elke laag geeft immers data en administratieve informatie (besturingsinformatie) door aan de laag die er onmiddellijk onder komt. Dat sijpelt telkens door naar een lager niveau tot het de onderste laag bereikt. Die onderste laag zit net boven het fysieke medium waarlangs de communicatie plaatsvindt. Zoals hierboven al aangegeven, wisselt een laag ook informatie uit met een lagere en een hogere laag. Hier spreekt men niet van een protocol, maar van een interface. Die interface definieert alle bewerkingen en diensten die een lagere laag aan een hogere aanbiedt en wat voor soort informatie daartoe tussen hen uitgewisseld wordt. Het goed ontwerpen van zo’n interface is erg belangrijk: het is immers de bedoeling de hoeveelheid informatie die tussen twee lagen uitgewisseld wordt zo klein mogelijk te houden en tegelijk de functiedefinities zo volledig te maken dat desnoods de implementatie van een laag volledig vervangen kan worden door een andere zonder dat er ook maar iets verandert aan een van de hogere lagen. Deze verzameling van lagen en protocollen noemt men de netwerkarchitectuur. Merk op dat een dergelijke lagenarchitectuur de laatste jaren ook steeds populairder wordt voor het ontwerp van besturingssystemen (zoals microkernels, I”0 (I-kwadraat-O) en meer van dat leuks) en bij de onderverdeling van serverdiensten in meerdere lagen (multi-tier servers).