Computernetwerken

De cursus begint met een algemene inleiding in computernetwerken en het internet. De belangrijkste concepten die hierbij aan bod komen zijn latency, throughput, abstractie, en encapsulatie. Het verlagen van latency en het verhogen van throughput zijn vaak noodzakelijk, simpelweg omdat we de prestaties van een computernetwerk willen verbeteren. Daarnaast zijn encapsulatie en abstractie manieren om de complexiteit van systemen en problemen te beteugelen. Encapsulatie is een veelgebruikte manier om implementatiedetails te verbergen.

In computernetwerken wordt encapsulatie gebruikt om implementatiedetails stapsgewijs te verbergen. Om dit te realiseren wordt de functionaliteit binnen een computernetwerk opgedeeld in vijf lagen:
- applicatielaag,
- transportlaag,
- netwerklaag,
- linklaag,
- fysieke laag.
We noemen dit lagenmodel ook wel de Internet protocolstack. De fysieke laag beschrijft vooral hoe bits op een natuurkundige/elektrotechnische manier verstuurd kunnen worden via verschillende media. Deze laag komt in deze cursus niet aan bod. De overige vier lagen worden elk afzonderlijk bestudeerd.

De applicatielaag is de bovenste laag in de protocolstack, en dit is het deel van het netwerk waar je als gebruiker direct mee te maken hebt. Alledaagse dingen zoals het opvragen van een webpagina en het versturen van een e-mail worden gedaan met behulp van een protocol op het niveau van de applicatielaag. We besteden hier aandacht aan de verschillende communicatiearchitecturen, zoals client-server, en de analyse van throughput en latency van een netwerkverbinding.

Elk bericht op de applicatielaag wordt via de onderliggende transportlaag verstuurd. Hiervoor zijn grofweg twee manieren, afhankelijk van de eisen die de applicatielaag stelt. Er kan op de transportlaag vooraf een verbinding opgezet worden, die ervoor zorgt dat alle berichten gegarandeerd, en in de juiste volgorde aankomen; dit wordt gedaan door het TCP-protocol. Als het niet nodig is dat alle berichten aankomen (bijvoorbeeld bij het streamen van een video), kan er gebruikgemaakt worden van UDP. Beide protocollen worden uitgebreid besproken, en we gaan in op de voor- en nadelen van deze protocollen.

Nu we op een hoog niveau berichten kunnen verzenden van de ene computer naar de andere, kunnen we ons afvragen hoe we ervoor kunnen zorgen dat een bericht uit Heerlen een computer in de VS weet te bereiken. Dat wordt verzorgd door de netwerklaag met het gebruik van IP-adressen. De netwerklaag heeft twee verantwoordelijkheden. Op lokaal niveau wordt er aan de hand van een forwarding tabel gekeken naar welk ’buursysteem’ een bericht doorgestuurd moet worden. Dat gebeurt hoofdzakelijk in routers: knooppunten die verschillende delen van het netwerk aan elkaar koppelen. Op globaal niveau moet ervoor gezorgd worden dat die forwarding tabel op de juiste manier ingevuld wordt, zodat via een aantal hops (stapjes langs verschillende routers) het bericht uiteindelijk op de juiste bestemming terechtkomt. We bekijken hoe je kunt zorgen dat er een pad is tussen de twee computersystemen die berichten uitwisselen, en we bekijken een manier waarop gezorgd kan worden dat dit het kortst mogelijke, of goedkoopste pad is.

Uiteindelijk vragen we ons af hoe berichten op lokaal niveau via een verbinding verstuurd worden, voordat de router bereikt is. Dat wordt afgehandeld door de linklaag. Waar we op hoog niveau gebruikmaken van IP-adressen om systemen te identificeren wordt hiervoor op de linklaag gebruikgemaakt van MAC-adressen. De linklaag zorgt ervoor dat systemen op het juiste moment toegang krijgen tot de verbinding, dat berichten op dit niveau op een betrouwbare manier afgeleverd worden, en dat bovendien fouten in de informatieoverdracht gedetecteerd, en soms zelfs gecorrigeerd, kunnen worden.

Tot slot bekijken we hoe de verschillende lagen en andere eerder besproken concepten toegepast worden in draadloze en mobiele netwerken.

Leerdoelen
Na bestudering van de cursus kun je:
– de concepten latency, throughput en andere relevante meetbare hoeveelheden uitleggen en deze van eenvoudige netwerken berekenen,
– uitleggen hoe en waarom encapsulatie, adressering en routering in computernetwerken gebruikt worden,
– van elk van de vijf lagen in de IP-stack hun rol uitleggen,
– voor elke laag in de IP-stack passende communicatieprotocollen identificeren, op basis van een gegeven verzameling eisen, én deze in eenvoudige scenario’s toepassen,
– mechanismen en apparaten identificeren en hun werking in bepaalde situaties toepassen,
– uitleggen hoe een aantal veelgebruikte protocollen werken, zoals DNS, IP, Ethernet, DHCP en ARP.