Computernetwerken voor gevorderden/Draadloze communicatie

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 bijvoorbeeld theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan D/2023/13.758/ van Applicatie- en Databeheer , een deel van leerplandoel 26 en 27:

• 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/), een deel van leerplandoel 17:

• LPD 17: De leerlingen lichten de opbouw, de werking en de samenwerking toe van de componenten van een computersysteem.
  • OSI-referentiemodel
  • Communicatieprotocol
  • Adressering
• Wenk. Het is belangrijk dat de leerlingen inzicht krijgen in het OSI-referentiemodel. Alles vertrekt van hieruit. Er worden meerdere communicatieprotocollen besproken, telkens komt het principe en de specifieke implementatie ervan aan bod. Bij adressering wordt zeker ingegaan op IP-adressering en subnetting voor IPv4 en IPv6. Enkel actuele netwerkcomponenten worden besproken.
• Wenk: Je kan volgende communicatieprotocollen aan bod laten komen: TCP/IP, seriële communicatie tussen controllers of tussen controllers en sensoren/actuatoren (I2C, SPI, Asynchroon), communicatie tussen controllers en computersystemen ( USB, bluetooth, wifi, Lora, 4G, 5G …).

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer :

• 3.1.4 De soorten transportmedia van een netwerk beschrijven en de eigenschappen met elkaar vergelijken, onder meer draadloze connectie.
• 3.2.9 De oorzaken en gevolgen van elektromagnetische interferentie toelichten.
• 3.5.1 De gevolgen van een slecht beveiligd netwerk toelichten.
• 3.5.6 De mogelijkheden van de beveiliging van een draadloos netwerk toelichten en toepassen.

Inleiding

Bij draadloze communicatie is er geen bekabeling aanwezig, met als grote voordeel dat er mobiliteit mogelijk is. Zonder draadloze communicatie had bv. iedereen nog een vaste telefoon en konden satellieten niet met de Aarde communiceren (denk bv. aan GPS).

Toch zijn er ook nadelen t.o.v. bekabeling:

• Er is een grotere kans op interferentie van het signaal (door muren, andere signalen,...) en dus een grotere kans op fouten. Zo'n interferentie merk je soms als storing in je luidsprekers, bij het ontvangen van een telefoongesprek.
• Het signaal kan men makkelijker onderscheppen of overnemen. Het eerste kan via ontvangapparatuur, het tweede via zendapparatuur (met bijvoorbeeld een krachtiger signaal dan de echte zendantenne). Aandacht voor veiligheid (encryptie, authenticatie) is dus belangrijk.
• De wetenschap is er nog niet over of dit impact heeft op de gezondheid, dit geeft men soms aan met elektrosmog.

Overnemen radiofrequenties

Lieven Scheire zoekt met zijn kompanen uit hoe radiofrequenties werken én hoe je ze kunt overnemen. Ze nemen tijdens de ochtendspits op de Brusselse Ring de proef op de som door de radio over te nemen van voertuigen om hen heen. Het is duidelijk dat de radio geen vorm van authenticatie heeft, waarmee de autoradio zou kunnen controleren of het wel de echte zendmast is.

(nl) Lieven Scheire: "Wil de Mercedes achter ons met zijn lichten knipperen?". De Redactie (2015-02-09).

Dorpje in Wales maandenlang zonder internet

Na zowat 1,5 jaar is eindelijk duidelijk waarom een klein dorpje in Wales internetproblemen had. Iedere ochtend om klokslag 7 uur viel de verbinding van alle dorpsbewoners weg. Tientallen ingenieurs zochten maandenlang naar de bron van het probleem. Tevergeefs, niets hielp. Tot ze een oude televisie in het dorp ontdekten die voor een uitbarsting van elektrische ruis/interferentie zorgde. Ook bij slechte microgolfovens of buitenverlichting kan dit voor problemen zorgen.

(nl) Een oude televisie zet dorpje in Wales maandenlang zonder internet. VRT NWS (2020-09-23).

Ter info: in theorie kan men gebruikmaken van alle vormen van elektromagnetische straling. Hieronder zie je een afbeelding van het elektromagnetisch spectrum. Boven van links naar rechts: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet licht, zichtbaar licht, infrarood licht en radiostraling. Onder een uitvergroting van het spectrum van zichtbaar licht.  Uiteraard kan straling die bewezen ongezond is (gammastraling, röntgenstraling) niet gebruikt worden voor draadloze communicatie.

Wifi

Wifi is een certificatielabel voor producten voor draadloze datanetwerken, die werken volgens de internationale standaard IEEE 802.11.

Topologieën

Er zijn twee verschillende topologieën:

• Ad hoc, waarbij de ene client direct met een andere client communiceert. Dat kan met Wifi-Direct, bv. wanneer een laptop draadloos rechtstreeks met een beamer communiceert a.d.h.v. Miracast, zodat beeld en geluid doorgestuurd kan worden.
• Infrastructuur, waarbij er één of meerdere access points (APs) zijn. Typisch dus het draadloos netwerk zoals aanwezig bij je thuis, op jouw school, op jouw werk. Om verschillende draadloze computernetwerken van elkaar te scheiden wordt een aparte naam gegeven: dit is een Service Set Identifier, kortweg SSID. Bij grotere Wifi-netwerken is er vaak roaming mogelijk, waardoor er van de ene naar de AP wordt overgeschakeld, zonder de verbinding te verliezen.

Veiligheid

Een wifi-verbinding kan door middel van verschillende technieken worden versleuteld, zoals WEP en WPA. WEP en WPA blijken in de praktijk makkelijk te kraken. Je gebruikt dus beter WPA2 of nog beter WPA3.

Kenmerken

Ter info een tabel met enkele versies en hun kenmerken. 

802.11-netwerkstandaard
802.11 Protocol	802.11 Standaard	Uitgebracht	Freq. (GHz)	Datarate per stream (Mbit/s)	Binnenshuis m	Buitenshuis m
–		1997	2,4	tot 2	20	100
a		1999	5	tot 54	35	120
			3,7		--	5000
b		1999	2,4	tot 11	38	140
g		2003	2,4	tot 54	38	140
n	Wifi 4	2009	2,4/5	tot 150	70	250
ac	Wifi 5	2014	5	tot 866,7
ax	Wifi 6	2018	2,4/5(/6)	tot 1200
be	Wifi 7	2022	2,4/5/6	tot 2400

De versies worden aangegeven door letters (a, b, g, n, ac, ax), maar tegenwoordig ook door cijfers (vanaf Wifi 4).

De frequentie bepaalt enkele typische kenmerken op vlak van bereik, snelheid en interferentie:

• Hoe lager de frequentie, hoe hoger het bereik, maar hoe lager de snelheid. Zo gaan golven op 2,4 GHz beter door muren en obstakels dan bij 5 Ghz.
• Hoe hoger de frequentie, hoe lager het bereik, maar hoe hoger de snelheid. Omdat golven op 5 GHz minder gemakkelijk door muren en obstakels gaan, zal je voldoende 'Wireless Access Points' moeten voorzien om voldoende dekking te krijgen.
• Naast Wifi op 2,4 Ghz gebruikt ook veel andere apparatuur deze frequentie waardoor de kans op interferentie hier groter is. Denk bv. aan Bluetooth, magnetrons, draadloze muizen, draadloze toetsenborden, draadloze deurbellen, garagedeuropeners, hoofdtelefoon, babyfoons, ... Zo zou het kunnen dat de draadloze deurbel van de buren de dampkap (die kan worden bediend met een afstandsbediening) kan aanzetten.

Wat in de praktijk gehaald wordt, hangt natuurlijk af van de situatie:

• Heb je bv. de indruk dat de beloofde snelheden in de praktijk niet gehaald worden? Dat kan omdat een radioverbinding soms half-duplex is (de stations kunnen niet tegelijkertijd sturen, waarbij er ook tijd verloren gaat bij het omschakelen). Soms is er ook hertransmissie nodig door foutcorrecte. Men heeft het dan over de goodput (gemeten aan de applicatielaag) die lager is dan de throughput (gemeten aan de fysieke laag).
• Je bereik binnenshuis (met vele obstakels) zal een stuk lager liggen dan buitenshuis. Waar de AP staat maakt ook veel uit: zo zal een AP in een hoek van het huis, op de grond een minder goed bereik hebben dan centraal in het huis, op een zekere hoogte. 

Wifi op lange afstand

Hoewel een wifi-signaal standaard slechts een bereik heeft van enkele tientallen meter, kan dat fors worden uitgebreid door aanpassingen van het netwerkprotocol en door het gebruik van gerichte antennes. Op die manier kunnen dunner bevolkte gebieden voor zeer weinig geld met het internet worden verbonden. Zo'n netwerk bestaat meestal uit een combinatie van point-to-point verbindingen, die elk een paar kilometer tot hooguit 50 of 100 kilometer lang zijn. Elk knooppunt bestaat uit minstens twee gerichte antennes: één daarvan is gericht op het vorige knooppunt, de andere op het volgende knooppunt. De langste wifi-link ter wereld, opgezet in 2007, is een draadloze verbinding van 384 kilometer in Venezuela. Zo'n netwerken bestaan ook in Europa met Guifi.net (Spanje), Freifunk (Duitsland) en AWMN (Griekenland).

(nl) Bouw een lowtech internet. Lowtech Magazine (2015-10-18).

De signaalsterke wordt uitgedrukt in dBm en staat los van de gebruikte frequentie. Hoe minder negatief, hoe beter het signaal. Zo is -30 dBm een heel sterk signaal, maar zal -90 dBm geen bruikbare verbinding opleveren.

Binnen een GHz-band wordt er gebruik gemaakt van verschillende kanalen (en:channels). Als je verschillende netwerken in elkaars buurt hebt en ze gebruiken hetzelfde kanaal, dan krijg je verstoring. Onderzoek dus of een ander kanaal niet vrij is, wat je dan vervolgens kan instellen in jouw Wireless Access Point.

Je ziet de kanalen, de SSIDs en de signaalsterkte

Laat de wifi het soms afweten bij jou thuis? Probeer deze tips uit

Het VRT NWS artikel bespreekt uitgebreider de volgende tips: locatie (zo centraal mogelijk), frequentie (2,4 vs 5 GHz), repeater, extender, mesh, bekabeld.

(nl) Laat de wifi het soms afweten bij jou thuis? Probeer deze tips uit. VRT NWS (2015-10-18).

Bluetooth

Bluetooth is een andere draadloze technologie, die zuiniger en goedkoper is dan wifi. Het biedt echter minder bandbreedte en bereik. Deze open standaard wordt vooral gebruikt voor apparaten die werken op batterijen en die op korte afstand willen communiceren met elkaar. Als er nóg lager stroomverbruik gewenst is, dan is BLE (Bluetooth Low Energy) nog geschikter.

Typische toepassingen zijn draadloze muizen, toetsenborden, speakers, hoofdtelefoons en wearables.

I.v.m. veiligheid zitten er in het basisprotocol twee belangrijke zaken:

• Encryptie: de signalen tussen de apparaten worden versleuteld, zodat iemand die dit signaal oppikt het niet zomaar kan ontcijferen. Denk bv. aan het achterhalen van de toetsaanslagen (en wachtwoorden) van een bluetooth-toetsenbord.
• Authenticatie: is het andere apparaat daadwerkelijk wie hij beweert te zijn? Mocht dit afwezig zijn, zou een ander, onveilig apparaat ook een geëncrypteerde verbinding kunnen opzetten.

Een goede veiligheid is belangrijk, omdat zo bv. ongemerkt gegevens uit jouw telefoon zouden kunnen achterhaald worden door middel van bluetooth (het was alvast een vaak gebruikte techniek in de serie Person of Interest).

Rolstoelen Whill hadden geen bluetoothbeveiliging, besturing was over te nemen

Elektrische rolstoelen van het merk Whill waren over te nemen door derden, omdat de rolstoelen geen authenticatie op de bluetoothverbinding forceerden. Aanvallers moeten binnen bluetoothbereik van een rolstoel zijn om een aanval uit te voeren en dat beperkt de impact. Ze kunnen vervolgens wel opzettelijk gevaarlijke situaties veroorzaken, waardoor dit geldt als ernstig lek. Daarnaast is de rolstoel als de aanval gelukt is ook nog te besturen als de aanvaller buiten bluetoothbereik komt.

(nl) Rolstoelen Whill hadden geen bluetoothbeveiliging, besturing was over te nemen. tweakers.net (2026-01-08).

LPWAN

Voor sommige toepassingen is én een groot bereik nodig, én weinig energie (zodat een kleine batterij volstaat). Wifi voldoet niet wegens te energieslurpend, maar bluetooth ook niet, wegens een te klein bereik. Bij een groot bereik en weinig energieverbruik kom je terecht in een LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), met helaas wel vaak een lage bandbreedte en een hoge latency. Deze techniek kan interessant zijn bij sommige embedded/IoT-toepassingen.

Een voorbeeld van LPWAN is LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) dat wordt gebruikt bij Proximus of KPN.  Andere voorbeelden zijn Sigfox, NB-IoT of narrowband 4G. Die laatste is gebruikt bij de gazondolk van het burgerwetenschapsproject CurieuzeNeuzen, omdat deze erg weinig energie verbruikt en toch meer data kan verwerken dan bijvoorbeeld Sigfox. 

Pet Tracker volgt je huisdier via LPWAN

De Pet Tracker van Invoxia is een klein toestelletje dat je aan de halsband van jouw huisdier kan bevestigen. Het bevat een gps-ontvanger en elektronica om deze locatie door te geven (bv. als het huisdier een "veilige zone" verlaat). De communicatie gebeurt via het low-powernetwork van Sigfox, waardoor de accu een drietal maanden kan meegaan.

(nl) Pet Tracker van Invoxia volgt je huisdier op de voet via Sigfox-netwerk. tweakers.net (2019-01-09).

Mobiele telefonie

De mobiele telefoon was en is aan een snelle evolutie onderhevig, met heel wat netwerkprotocollen zoals GSM, GPRS, 3G, 4G of 5G. Waar het eerst enkel werd gebruikt om te sms'en en te telefoneren heeft het dankzij een snellere dataverbinding heel wat meer toepassingen gekregen.

Satellietnetwerk

60 op elkaar gestapelde Starlink testsatellieten vlak voor ze in mei 2019 door de Falcon 9-raket in hun baan werden losgelaten

Internet via satelliet is een breedbandverbinding met het internet via communicatie met één of meer satellieten. Een nadeel is de latency, die hoger is dan bij kabelverbindingen over land (de afstand is nl. vaak veel groter). In landen met een zwakke of onbestaande internetinfrastructuur kan zo'n satellietnetwerk toch heel handig zijn: de hoge(re) latency neem je er dan wel bij. Een ander nadeel is dat je voor satellieten in een lagere baan rond de aarde (en daarmee een lagere latency) er een pak meer nodig zijn, met dus een extra kans op ruimteschroot en lichtvervuiling voor telescopen.

Starlink, SpaceX en Elon Musk

Een voorbeeld is Starlink van het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf SpaceX, een bedrijf van Elon Musk. Elon Musk wil met Starlink drie tot vier procent van de internetmarkt bedienen. Het netwerk richt zich op het platteland waar geen hoogwaardig internet is en 5G-techniek onaantrekkelijk is vanwege de afstanden. Hij richt zich niet op stedelijke gebieden: een satellietnetwerk zou volgens hem nooit genoeg bandbreedte voor een dichtbevolkt gebied kunnen leveren. In 2020 kon je in België aan de hemel een satelliet-trein zien die op weg was naar een baan om de aarde. Op termijn moeten 12000 satellieten gelanceerd worden.

De eerste gebruikers geven aan dat ze downloadsnelheden halen van 11 tot 60 Mbps, uploadsnelheden van 4,5 tot 17,7 Mbps en een latency van 31 tot 94 ms. Door de grote afstanden die overbrugt moeten worden is het behalen van betere waarden geen evidentie, maar SpaceX belooft uiteindelijk tot maximaal een gigabitverbinding aan te kunnen met een lage latentietijd. Vanaf 2023 is Starlink-hardware te huur in België en Nederland.

(nl) Dit was de satelliet-trein van Elon Musk. standaard.be (2020-04-24). (nl) Starlink-resultaten op Speedtest tonen downloadsnelheden tussen 11 en 60Mbit/s. Tweakers.net (2020-08-14). (nl) Starlink-hardware is nu ook te huur in Nederland en België. Tweakers.net (2023-03-28).

IrDA, streepjes- en QR-code

Enkele voorbeelden van draadloze communicatie met direct zicht waarbij een tussenliggend object (muur, hand,...) en grote afstand communicatie snel moeilijk maakt:

• IrDA werkt op basis van infrarood licht en is populair bij afstandsbedieningen. Omdat het niet heel erg snel en direct zicht is, is deze technologie niet zo heel populair.
• Via zichtbaar licht zijn de bekendste unidirectionele communicatiemogelijkheden:
  • Streepjescodes zijn ongetwijfeld het meest bekend van in de winkel, om zo snel producten te kunnen inscannen.
  • Via QR-codes kan je nog meer informatie bewaren. Als je de QR-code scant via je gsm, dan kan je een website of app openen. Zo krijg je extra informatie of kan je snel betalen bij winkels , laadpalen, ...

• 
  Afstandsbediening met IrDA
• 
  streepjescode
• 
  QR-code
• 
  QR-code structuur

EnergyVision waarschuwt voor phishingmethode met QR-codes op laadpalen

Bestuurders van elektrische auto's in Brussel kunnen op twee manieren betalen voor het opladen van hun auto aan een laadpaal. Dit kan met een laadpas, maar ook door een QR-code op de paal te scannen. Oplichters plakken echter op sommige palen een eigen, neppe QR-code over de echte heen. Wie deze QR-code scant, komt op een betaalsite van de criminelen. EnergyVision noemt deze phishingmethode 'quishing'.

(nl) EnergyVision waarschuwt voor phishingmethode met QR-codes op laadpalen. tweakers.net (2024-05-09).

RFID en NFC

Wie al gewerkt heeft met streepjes- of QR-codes weet dat je goed moet mikken. Dit kan in sommige toepassingen vervelend zijn, waardoor men gezocht heeft naar andere technologieën:

• RFID (Radio-frequency identification) is een technologie om van een afstand informatie op te slaan in en af te lezen van zogenaamde RFID-tags die op of in objecten (bv. een bibliotheekboek) of levende wezens (bv. jouw huisdier) zitten. Het gaat hier primair om opslag en verzenden van informatie in één richting.
• NFC (Near field communication) is een vorm van RFID, maar met NFC kan in twee richtingen gecommuniceerd worden. NFC wordt o.a. toegepast in mobiele telefoons als betaalmiddel, in ticketsystemen of in tags/stickers. Met zo'n NFC sticker kan je automatisaties maken, bv. met Home Assistant). 

• 
  Microchip-implantaat
• 
  RFID-tags, bv. voor in een bibliotheek
• NFC in een notendop
• 
  Structuur NFC tag

Chip als personeelsbadge

Bij enkele werknemers van het Mechelse bedrijf New Fusion is vandaag een chip ingeplant. Met die chip kunnen de werknemers binnen en buiten op het werk zonder een badge of sleutel te gebruiken. De chip wordt geplaatst tussen duim en wijsvinger.

(nl) Chip als personeelsbadge? Voelt aan als een prikje. deredactie.be (2016-12-14).

Kassaloos betalen

Gebruikers moeten een app installeren en een speciale kaart of hun Android-smartphone met NFC tegen het schaplabel bij producten in de Albert Heijn To Go houden. Nadat ze de winkel uitlopen, wordt automatisch een opdracht voor automatische incasso naar de rekening van de klant gestuurd.

(nl) Albert Heijn start kassaloos betalen met Android-smartphones. tweakers.net (2018-09-24).

Slimme camera's tegen diefstal

Het artikel zelf start met slimme camera's tegen diefstal waarbij de software de bewegingen van klanten analyseert om te detecteren of ze iets in hun zak of tas stoppen. Vervolgens krijgen medewerkers daar een melding van. In het kader van dit hoofdstuk zijn vooral de commentaren interessant. De tweakers gaan er in op voor- en nadelen van RFID-tags bij het winkelen. Iets wat simpel lijkt, kan bij implementatie tegenvallen.

(nl) Ongeveer 110 Nederlandse supermarkten gebruiken slimme camera's tegen diefstal. tweakers.net (2024-02-20).

Kenmerken

Er is niet gekozen om álle draadloze mogelijkheden te bespreken, noch om enkel de meest populaire te behandelen. Er is wel een keuze gemaakt voor deze technologieën die enkele aspecten van draadloze communicatie bespelen:

• Bereik: hoe ver reikt het signaal nog betrouwbaar. Bijvoorbeeld: satellietnetwerk > LPWAN > wifi > bluetooth.
• Verbruik. Bijvoorbeeld: Wi-Fi > bluetooth > LPWAN.
• Interferentie. In welke mate is er last van obstakels die de communicatie kunnen belemmeren? Zo hebben de technologieën die gebruikmaken van zichtbaar licht (streepjescode, QR-code) of infrarood heel wat last van obstakels. Maar ook een satellietnetwerk heeft hier last van. Bij gebruik van radiogolven (bv. wifi) speelt dit een stuk minder.
• Al of niet roaming. Dit is waarschijnlijk het meest bekend bij mobiele telefonie. In het buitenland staan er nl. geen gsm-masten van je eigen provider. Om toch te kunnen bellen laat een buitenlandse provider d.m.v. roaming toe dat je gebruikt maakt van hun infrastructuur. Wifi-roaming kan je hebben wanneer je bij een groter netwerk met meerdere draadloze toegangspunten (APs) eerst verbonden was met de ene AP. Wanneer je je verplaatst kan het zijn dat een andere AP een beter signaal heeft. Als je bestaande verbinding transparant verdergaat, dan spreek je over wifi-roaming (strikt gezien is het handover).

Olifanten herkennen

Een interessant artikel over het detecteren van olifanten (stropers, dorpen, ...) in een gebied waar breedbandinternet en elektriciteit niet vanzelfsprekend is (de jungle van Gabon). Een verhaal over camera met AI, Raspberry Pi, satelliethulp, LoRa en bluetooth.

(nl) Olifanten in real time herkennen. tweakers.net (2023-02-03).

Het is dus niet zo dat één technologie dé beste is: altijd moeten bovenstaande kenmerken én de concrete situatie bekeken worden, voordat een keuze wordt gemaakt. Denk bv. aan:

• Een omgeving waar moeilijk bekabeling kan worden voorzien. Dan is wifi mogelijks de betere keuze.
• Bij gebruik van CAT 5E UTP, maar met 100Mbit-switches, zou het best kunnen dat de wifi een pak sneller is.
• Een netwerk via 5G kan sneller blijken dan een omgeving met veel verschillende wifi-netwerken. 
• Een satelliet heeft een hoge bandbreedte, maar helaas ook een hoge latency.
• Zelfs binnen embedded/IoT toepassingen kan er al keuzestress zijn. Niet alleen is er de besproken wifi, bluetooth of LoRa, maar er is ook nog ZigBee, ESP-NOW, LTE en veel meer.