Computersystemen/Netwerkcomponenten

1 Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan van Applicatie- en Databeheer, een deel van leerplandoel 26:

• LPD 26: De leerlingen lichten de opbouw en werking van een netwerksysteem met zijn componenten en transportmedia toe.
  • netwerkdiensten, clouddiensten
  • routing
  • virtualisatie
• Lexicon. De componenten van een netwerk zijn onder meer werkstation, server, access point, switch, router, gateway, firewall, noodbatterij, backbone, SAN, NAS.
• Lexicon. De transportmedia zijn de soorten bekabeling in een netwerk, wifi, bluetooth …
• Lexicon. De basis clouddiensten zijn: IaaS, PaaS en SaaS.

Uit het leerplan Informatica- en communicatiewetenschappen (D/2023/13.758/), leerplandoel 17:

• LPD 17: De leerlingen lichten de opbouw, de werking en de samenwerking toe van datacommunicatie en van een netwerk met zijn componenten en transportmedia.

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer:

• 3.1.14 De functie van de belangrijkste componenten van een netwerk toelichten, onder meer werkstation, server, repeater, access point, switch, router, gateway, SAN, NAS.
• 3.1.15 De begrippen collision domain en broadcast domain toelichten.
• 3.1.17 Het schema van een actueel computernetwerk tekenen en de belangrijkste componenten aanwijzen.

2 Netwerkschema

Bij het hoofdstuk over netwerkbekabeling kon je al lezen dat afhankelijk van de plaats waar de netwerkkabel wordt gebruikt, deze een specifieke naam krijgt. Dit is samengevat in onderstaand schema, waar zowel de kabels (user cord, horizontal run, patch cord), als de apparatuur (NIC, router, modem, switch, patchpanel), als andere zaken (RJ-45, kabelgoot) vermeld worden.

(a) NIC met RJ-45	(b) user cord	(c) horizontal run	(d) patch cord	(e) outlet	(f) kabelgoot
(g) WAP	(h) patch panel	(i) switch	(j) router	(k) modem	(l) het internet

Vaak worden netwerkcomponenten als volgt opgedeeld:

• Actieve netwerkcomponenten: bv. NIC, switch, router, WAP, modem
• Passieve netwerkcomponetnen: bv. RJ-45, outlet, patchpanel, verschillende soorten kabels

Dit netwerkschema wordt hier enkel gebruikt om de verschillende fysieke onderdelen aan te duiden. Vaak wordt een netwerkschema gebruikt voor de hogere lagen in het netwerklagenmodel en wordt de fysieke voorstelling niet zo exact weergegeven: de outlet, NIC, kabelgoot en patch panel zou dan niet getekend worden. Vaak zijn functionaliteiten in 1 apparaat geïntegreerd (bv. router en modem) of worden onderdelen weggelaten (bv. patchpanel bij particulieren).

3 Server en Werkstation

3.1 Server

Een server is een computer of een programma dat diensten verleent aan clients.

• In de eerste betekenis is het de fysieke computer waarop een programma draait dat deze diensten verleent. Bv. een fileserver die bestanden deelt in een netwerk.
• In de tweede betekenis is het software: bv. de webserversoftware Apache die een website doorstuurt aan een browser zoals Chrome.

• 
  Blade Server
• 
  Server rack
• 
  2-bay NAS fileserver
• 
  Client-server model

3.2 Werkstation

Een werkstation (en:workstation) is een krachtige computer voor professioneel gebruik, die over gespecialiseerde hard- of software beschikt om efficiënt te kunnen werken. Met de steeds krachtigere computers voor thuisgebruik is het verschil tussen de "gewone" PC en het werkstation deels in elkaar overgelopen.

4 NIC, RJ-45 en outlet

4.1 NIC

De netwerkkaart (NIC of en:network interface controller) is een hardware-onderdeel in een computer, nodig om die computer deel te laten uitmaken van een computernetwerk. Dit kan in de vorm van on board hardware, een aparte insteekkaart of via een draadloze netwerkadapter.

• 
  Draadloze NIC
• 
  Fiber NIC
• 
  NIC scanner
• 
  USB NIC

4.2 RJ-45

Een RJ-45-connector is een 8-polige modulaire connector die vooral gebruikt wordt voor twisted pair ethernetverbindingen. Let op de 8 stukjes "metaal" in de plastic behuizing, zodat geleiding en dus communicatie mogelijk is.

• 
  RJ-45, "leeg"
• 
  RJ-45 met kabel
• 
  RJ-45 met kabel

4.3 Outlet

De user cord loopt niet rechtstreeks tot aan de actieve hardware maar wordt aangesloten op een wandcontactdoos (outlet). Bij een ongebruikte outlet kan je zo de user cord wegnemen. Vaak wordt er gewerkt met een keystone module, in combinatie met een keystone muurplaat om alles proper af te werken. Dit is gestandaardiseerd, met een aanduiding voor de A- of B-kleurcode (vaak wordt de B-afspraak gevolgd). Merk op dat je ook keystone modules kan hebben voor bv. USB, RCA (audio/video) of HDMI.

• 
• 
• 
• 

5 HUB, switch en patchpanel

• 
  8 port Ethernet Hub, 10 Mbps
• 
  28-port Gigabit switch van Cisco
• 
  Animatie: werking HUB versus switch
• 
  Bovenaan 3 patchpanels met onderaan 2 switches

5.1 HUB

Bij een sternetwerk is er een centrale netwerkcomponent om de verschillende hosts met elkaar te verbinden. Bij een HUB zal deze een binnengekomen datapakketje simpelweg doorsturen naar ál zijn poorten: een HUB kan dus enkel broadcast en geen unicast. Dit is meteen ook het nadeel van de hub, omdat op deze manier al het netwerkverkeer op alle aangesloten segmenten komt. Het is vergelijkbaar met een zaal vol mensen, van wie er maar één tegelijk aan het woord mag zijn, ook al fluistert hij tegen zijn buurman.

Een HUB heeft geen geheugen om data te bewaren en kan dus enkel werken in half duplex mode: ofwel kan hij verzenden, ofwel kan hij ontvangen. De regel is dat een computer pas begint met zenden op het moment dat het netwerk vrij is. Het kan gebeuren dat twee computers tegelijk beginnen. In dat geval is er sprake van een 'collision' ofwel botsing van datapakketjes. Deze botsing wordt doorgestuurd over het volledige netwerk (wat bovenstaande animatie niet goed weergeeft). De oorspronkelijke datapakketjes zijn verloren en moeten dus opnieuw gestuurd worden.

Door de vele nadelen van een HUB wordt deze al jaren niet meer gebruikt en is deze opgevolgd door de switch. Het principe van een HUB is wel belangrijk om het begrip collision beter te begrijpen.

5.2 Switch

switch symbool

In vergelijking met een hub, is een switch een slim apparaat. Een switch stuurt een ontvangen frame dat geadresseerd is aan één bepaald MAC-adres alleen naar de specifieke hardwarepoort van de switch waarop het toestel met dat MAC-adres is aangesloten.

Zo wordt het netwerk minder belast en is er minder kans op botsingen. Bovendien werkt een moderne switch in full-duplex, waardoor hij tezelfdertijd kan verzenden en ontvangen. Zo kunnen botsingen volledig worden uitgesloten.

Er bestaan switches die functionaliteit bezitten van een router, maar dit valt buiten het kader van dit overzicht.

5.3 Patchpanel

Een patchpanel is een paneel met een groot aantal aansluitbussen, aan de achterkant verbonden met de horizontal run. Aan de voorkant kan je met patch cords tijdelijke of permanente verbindingen maken van het patchpanel naar de switch (het zogenaamde "patchen") om zo bv. een telefoon of computer elders in het gebouw van een connectie te voorzien.

6 Modem, router en gateway

• 
  Kabelmodem (geel: ethernet ; rechts: coax)
• 
  Kabelmodem van Telenet
• 
  DSL-modem (links: DSL ; geel: ethernet)
• 
  DSL-modem van Proximus

6.1 Modem

De modem is een netwerkapparaat waarmee informatiesignalen van het netwerk van de ISP (kabel, DSL,...) worden vertaald naar signalen die de router kan begrijpen (en vice versa). Het is vaak geïntegreerd in één apparaat, samen met routerfunctionaliteit.

6.2 Router

router symbool

Een router (Brits: [roeter], Amerikaans: [rauter]) is een apparaat dat twee of meer verschillende computernetwerken aan elkaar verbindt (bv. internet en een bedrijfsnetwerk) en pakketten data van het ene naar het andere netwerk verzendt.

Een consumentenrouter (SOHO-router=Small Office, Home Office) routeert netwerkverkeer tussen het interne netwerk (LAN) en het Internet (WAN), maar combineert meer functies dan een "zuivere" router:

• Router
• Modem
• Switch. Bij een consumentenrouter met vijf poorten lijkt het alsof deze kan routeren tussen vijf verschillende netwerken, maar vaak gaat het slechts om twee netwerken: LAN en WAN. De WAN-poort is dan verbonden met het Internet aan de ene kant en intern in de consumentenrouter aan de ingebouwde switch met vier poorten.
• WAP
• DHCP-server, zodat computers hun IP-adres van de router krijgen, wat de configuratie van het netwerk vergemakkelijkt.
• Een aantal beveiligingsfuncties, zoals een firewall (toegang blokkeren) en logging (weten wat er is gebeurd).

Omdat een router en modem vaak in 1 apparaat geïntegreerd zijn, worden de termen door elkaar gebruikt. Strikt gezien is de volgorde host (pc,...) - switch - router - modem - ISP - Internet. Diegene die meer controle over hun netwerk wensen gebruiken aparte apparaten voor ieder onderdeel. Hun WAP(s) pluggen ze dan in een vrije poort van de switch.

6.3 Gateway

Een gateway is een netwerkpunt dat dienst doet als "toegang" tot een ander netwerk. De gateway is dan een netwerkconfiguratie-eigenschap die aangeeft welk netwerkadres de computer mag gebruiken als hij naar een bestemming moet die niet op het lokale netwerk gelegen is.

Een gateway wordt daarom vaak geassocieerd met een router omdat hij wijst naar de router die uiteindelijk verbonden is met buiten.

7 WAP en repeater

Wil je een hoge dekking krijgen, dan zal een WAP en/of repeater als netwerkcomponent zeker van pas komen.

7.1 WAP

Een WAP (en:Wireless Access Point) is een apparaat dat het Wi-Fi-clients mogelijk maakt om verbinding te maken met een draadloos netwerk volgens één van de wifistandaarden (IEEE 802.11).

Zo'n WAP (kortweg AP) kan publiek, voor thuisgebruik of voor bedrijfsgebruik zijn. Dit heeft zijn invloed op veiligheid, hardware, maximum aantal gebruikers,...

Gezien het draadloos toegangspunt gebruikmaakt van een gedeeld medium (nl. de ether) kunnen hier botsingen (en:collisions) ontstaan.

7.2 Repeater

Een repeater is een zend-ontvanginstallatie die een signaal ontvangt en op een andere frequentie, signaalniveau en/of hoger vermogen realtime weer uitzendt/verstuurt. Het doel is een groter bereik te verkrijgen en zo communicatie over grotere afstanden mogelijk te maken. Omdat repeaters werken met het feitelijke fysieke signaal, en geen poging doen om de gegevens te interpreteren die worden verzonden, zijn ze werkzaam op de fysieke laag.

Een repeater kan je niet alleen toepassen bij netwerken, maar ook bij andere technologieën waar een signaal verstuurd moet worden. Dit kan zowel bedraad zijn (bv. HDMI-repeater), als draadloos (bv. een wireless range extender). Er kan een aparte aansluiting voor voeding voorzien zijn, zodat het signaal voldoende versterkt kan worden.

8 Netwerkopslag

Bij een DAS (en:direct-attached storage) wordt het opslagmedium (bv. SSD of HDD) direct aangesloten op een computersysteem (bv. via USB of SATA-kabel). Welke mogelijkheden heb je nu dankzij een netwerk?

8.1 NAS

Een NAS (en:Network-attached storage) is een opslagmedium dat op het netwerk aangesloten is en gebruik maakt van het TCP/IP-netwerklagenmodel voor dataoverdracht. Daardoor kan een NAS door elke machine op datzelfde netwerk geraadpleegd worden, wat hen volwaardige fileservers maakt. Een NAS-systeem vereenvoudigt zo het delen van informatie, vooral tussen verschillende besturingssystemen. Het vergroten van de opslagcapaciteit is meestal eenvoudig: een nieuwe (en/of grotere) harde schijf kopen of NAS-systemen aan elkaar koppelen.

Er zijn verschillende vormen:

• 
• 
• 

• Vanaf 2006 zijn er NAS-systemen in de handel die qua opbouw nauwelijks verschillen van externe USB-schijven.
• Met behulp van eenvoudige pc-hardware en een pakket als OpenMediaVault, FreeNAS of NAS4Free bouw je zelf een NAS-systeem. Het voordeel is dat je enkele pc-onderdelen mogelijks al hebt liggen, het nadeel is dat ze niet geoptimaliseerd zijn voor een NAS-taak (denk bv. aan energie-verbruik).
• Grotere NAS-systemen zijn vaak servers die speciaal voor deze taak ontworpen zijn en een voor opslag geoptimaliseerde variant van een besturingssysteem als Windows of Linux draaien. Bekende fabrikanten zijn Synology, QNAP en Netgear.

Sommige NAS-systemen hebben ingebouwde extra functies:

• harde schijven die in een RAID-opstelling geplaatst kunnen worden. Dit zorgt voor een hogere betrouwbaarheid van de opslag van data (maar is geen synoniem voor back-up!).
• printserver: een centrale printer kan gebruikt worden door alle computers in het netwerk
• webserver, soms met MySQL- en PHP-mogelijkheden
• FTP-server, waarmee de opgeslagen bestanden ook van buitenaf via internet toegankelijk zijn
• streaming media-server (bv. met Plex) zodat de inhoud van de NAS via een externe mediaspeler afgespeeld kan worden
• back-up-server die automatisch gegevens van elders kan ophalen
• BitTorrent-client die torrents kan downloaden en vervolgens weer kan delen
• cloudopslagfuncties

8.2 SAN

• 
  SAN switch met optische connectors
• 
  SAN disk array

SAN (en:Storage Area Network) is een architectuur die dient als koppeling tussen servers en opslagapparaten op zo'n manier dat het voor het besturingssysteem lijkt alsof het opslagapparaat direct is aangesloten. Het heeft dus zowel eigenschappen van DAS, als van NAS.

Omdat de server en opslag fysiek van elkaar losgekoppeld zijn, is het beheer van het opslagsysteem eenvoudig uit te voeren zonder de server uit bedrijf te nemen. Hoewel kosten en complexiteit verminderen, worden SAN's vooral gebruikt in de grotere rekencentra (gemeten naar 2007).

8.3 NAS versus SAN

Bij NAS wordt het bestandssysteem beheerd vanuit het NAS-systeem zelf, in tegenstelling tot SAN, waarbij het bestandssysteem beheerd wordt door servers. In tegenstelling tot een SAN maakt een NAS gebruik van bestandsgeoriënteerde protocollen zoals NFS of SMB/CIFS, waar het duidelijk is dat de opslag extern plaatsvindt en de computers een deel van een bestand opvragen in plaats van een blok op een opslagmedium. De prestaties van NAS ten opzichte van SAN zijn lager doordat de data door tragere netwerkprotocollen verzonden moet worden. Er moeten namelijk hele bestanden in plaats van losse blokken overgestuurd worden. Door het gebruik van een NAS kunnen de LAN-prestaties dalen.

9 Collision en broadcast domain

Afhankelijk van de gebruikte technologie kunnen er botsingen op een netwerk optreden. Alhoewel een HUB al jaren niet meer wordt ingezet, gebruiken we deze hier toch, omdat het begrip collision aanschouwelijker voor te stellen is. Een HUB kan geen botsing detecteren en zal deze botsing dus verder doorsturen op het netwerk. Een NIC, switch of router kan dit wel (en zal dus een botsing niet verder doorsturen op het netwerk). Een collision domain is dan het gedeelte van het netwerk dat een botsing kan bereiken.

Een HUB bereikt altijd iedere aangesloten host, zelfs als dat niet nodig is. Een switch is slimmer en zal pakketten afleveren aan de host waarvoor het bestemd is. Toch wil men soms ook in een switch-netwerk álle aangesloten hosts bereiken (bv. bij DHCP): dan stuurt de verzender een broadcastpakket uit. Een broadcast domain is dan het gedeelte van het netwerk dat een broadcast kan bereiken. Zo'n broadcast wordt altijd doorgegeven door HUB en switch, maar zal stoppen aan een router. Eén zo'n pakketje is niet groot, maar bij een groot netwerk kan dit toch behoorlijk je netwerk belasten, waardoor extra segmentering nodig is.

Het is duidelijk dat je het collision domein zo klein als mogelijk wenst, wat bij bedrade netwerken veel is verbeterd. Bij draadloze netwerken kan het een probleem blijven als meerdere netwerken hetzelfde kanaal gebruiken om data te versturen (toch bij voldoende sterk signaal, nl. voldoende RSSI). Je kan bekijken of je je eigen WAP niet kan veranderen van kanaal in de instellingen, zodat je geen conflicten hebt met andere draadloze netwerken. Merk op dat het blindelings toevoegen van extra WAPs soms niets uithaalt, daar er gewoon meer botsingen kunnen optreden. De ene moet dan wachten op de andere.