4.1 Nettverksgrunnlag og topologier

Alt henger sammen

Stans opp et øyeblikk og tell hvor mange enheter rundt deg som snakker med hverandre akkurat nå. Mobilen, smartklokka, høyttaleren, TV-en, kanskje et par sensorer du ikke engang tenker på. Et nettverk er rett og slett to eller flere enheter koblet sammen for å dele informasjon og ressurser – og slike nettverk finnes overalt i den moderne hverdagen din.

Hvorfor lager vi dem? For å dele ressurser som skrivere og filer, for å kommunisere med e-post, chat og video, for å samarbeide, og for å overvåke og styre ting på avstand. Nettverkene strekker seg fra det lille nettet hjemme til det enorme globale internett. I dette kapittelet skal vi reise gjennom de ulike nettverkstypene, se på hvordan enhetene kan kobles sammen, og forstå reglene – protokollene – som gjør at data finner riktig vei.

Fra lommen til hele kloden

Nettverk kommer i ulike størrelser, og vi navngir dem etter hvor stort område de dekker. Det minste er PAN, Personal Area Network, et bittelite nettverk rundt én person – som når smartklokka di snakker med mobilen via Bluetooth. Litt større er LAN, Local Area Network, det lokale nettverket hjemme eller på skolen. Et LAN dekker gjerne én bygning og bruker Ethernet-kabler eller WiFi. Og helt øverst troner WAN, Wide Area Network, som strekker seg over store geografiske avstander og binder sammen mange LAN på tvers av byer, land og kontinenter. Internett er rett og slett det aller største WAN-et som finnes.

Men det er ikke nok å vite hvor stort nettverket er – vi må også vite hvordan enhetene er koblet sammen. Det kaller vi topologi. I en stjernetopologi kobles alle enheter til en sentral boks, som en svitsj eller ruter. Det fine her er at om én enhet svikter, går resten upåvirket – og feilsøking blir lett, fordi problemet isoleres til én kobling. I en busstopologi henger alle enhetene på én og samme felles kabel; det er enkelt, men sårbart, for ett brudd på kabelen tar ned hele nettverket. I en mesh-topologi har enhetene flere forbindelser til hverandre, så hvis én kobling ryker, finnes det alltid en alternativ vei – svært pålitelig, men mer komplisert. Skal et firma sette opp nytt nettverk, velger de derfor gjerne stjernetopologi: den er robust mot enkeltfeil, lett å feilsøke og enkel å utvide.

OSI-modellen og adressene som leder veien

Nå skal vi inn i hjernen av hvordan data faktisk beveger seg. For å holde orden deler vi kommunikasjon inn i lag, og den mest kjente oppskriften er OSI-modellen med sine syv lag. Nederst, på det fysiske laget, finner vi de elektriske signalene, kablene og radiobølgene. Over det ligger datalinklaget med MAC-adresser, deretter nettverkslaget med IP-adresser og ruting, så transportlaget med TCP og UDP, og videre oppover til sesjons-, presentasjons- og helt øverst applikasjonslaget der HTTP, e-post og FTP holder til. Hvert lag har sin oppgave og bygger på laget under.

For at data skal finne fram, trenger hver enhet en adresse. En IP-adresse er en unik identifikator – tenk på den som en postadresse for enheten. I det vanlige IPv4-formatet ser den ut som 192.168.1.1, fire tall fra 0 til 255 skilt med punktum. Den nyere IPv6 bruker et mye lengre format og gir nesten ubegrenset med adresser. Uten IP-adresser ville data rett og slett ikke visst hvor de skulle.

Men å ha en adresse er ikke nok – vi må også bestemme hvordan dataene skal leveres, og der kommer transportprotokollene inn. TCP er den pålitelige typen: den garanterer at alle data kommer fram, i riktig rekkefølge, men den er tregere fordi mottakeren hele tiden må bekrefte at pakkene er mottatt. TCP brukes til nettsider, e-post og filoverføring, der det er kritisk at alt kommer korrekt fram. UDP er den raske typen: den sender data uten garantier og uten å vente på bekreftelser. Mister du noen få pakker, gjør det lite – og det er nettopp derfor UDP brukes til videostreaming, nettspill og videosamtaler, der hastighet betyr mer enn perfekt levering. En forsinkelse ville ødelagt videoen, mens et par tapte bildepunkter knapt merkes.

Når kablene slippes – trådløse teknologier

Til slutt kutter vi kablene. Det finnes et helt knippe trådløse teknologier, og det smarte er å velge riktig etter situasjonen. WiFi (IEEE 802.11) er det trådløse LAN-et: høy hastighet, dekning i et hjem eller en bygning, på 2,4 GHz og 5 GHz, og opp i flere Gbps med de nyeste generasjonene. Bluetooth er kortrekkende med lavt strømforbruk og brukes til hodetelefoner, sensorer og smartklokker. Zigbee har lavt strømforbruk og mesh-nettverk for smarthus. LoRa og LoRaWAN gir lang rekkevidde, fra 2 til 15 km, med lavt strømforbruk for IoT-sensorer. Og NFC har bare noen få centimeter rekkevidde og brukes til kontaktløs betaling og adgangskort.

Hvordan velger du? Tenk deg at du skal koble trådløse hodetelefoner til telefonen. Bluetooth er det opplagte valget: kort rekkevidde holder, strømforbruket er lavt så batteriet varer, og det er standard på alle telefoner. WiFi ville vært overkill med unødvendig høyt strømforbruk, og NFC har altfor kort rekkevidde. Men ta et helt annet eksempel: et landbruksforetak vil måle temperatur og fuktighet i ulike deler av en gård som strekker seg over flere kilometer. Da peker alt mot LoRaWAN – lang nok rekkevidde til å dekke hele gården, lavt strømforbruk så sensorene lever på batteri i årevis, og lav datarate er helt greit når du bare sender en temperaturverdi. WiFi og Bluetooth når ikke langt nok, og mobildata til hver eneste sensor ville blitt dyrt. Poenget er at det ikke finnes én beste trådløs teknologi – det finnes den som passer best til oppgaven.

Oppsummering

Vi har reist fra det minste nettverket til det største. PAN er det bittelille nettet rundt deg, LAN dekker et hjem eller en bygning, og WAN – med internett som det største – binder sammen verden. Hvordan enhetene kobles, beskrives av topologien: stjerne er robust og lett å feilsøke, buss er enkel men sårbar, og mesh er svært pålitelig med flere veier.

For at data skal finne fram, deler vi kommunikasjonen i lag med OSI-modellen, gir hver enhet en IP-adresse, og velger transportprotokoll etter behov: TCP når alt må komme korrekt fram, UDP når fart betyr mest. Til slutt så vi at trådløse teknologier som WiFi, Bluetooth, Zigbee, LoRa og NFC hver har sin nisje – og kunsten ligger i å velge den som passer oppgaven.