Het OSI-model en het TCP/IP-model

Voor een netwerkuitwisseling zijn verschillende taken nodig, van het maken van een bericht tot het versturen van signalen. Een lagenmodel scheidt die taken. Elke laag gebruikt de dienst direct eronder en levert een dienst aan de laag direct erboven.

Houd de taken gescheiden

Een laptop kan van wifi op Ethernet overstappen terwijl de browser hetzelfde webprotocol blijft gebruiken. De methode voor lokale aflevering verandert zonder dat de applicatiedienst verandert. Openbare standaarden laten systemen van verschillende leveranciers ook samenwerken: interoperabiliteit. Ze geven technici bovendien een gedeelde vaktaal, zoals “storing op laag 2”. Ontwerpers en lerenden kunnen één taak tegelijk onderzoeken.

Een protocol legt berichtformaten, volgorde en reacties vast. Een protocolfamilie groepeert samenwerkende protocollen, zoals TCP/IP. Een referentiemodel beschrijft communicatiefuncties zonder één implementatie voor te schrijven.

Het Open Systems Interconnection-model (OSI-model) komt van de International Organization for Standardization (ISO). De eerste editie verscheen als ISO 7498 in 1984; de latere basisreferentie is ISO/IEC 7498-1:1994, ook gepubliceerd als ITU-T X.200. Internetverkeer gebruikt de TCP/IP-protocolfamilie; OSI biedt de taal van zeven lagen om dat verkeer te beschrijven.

Volg de stapel

Nummer de lagen vanaf het medium naar boven:

1. Fysieke laag
2. Datalinklaag
3. Netwerklaag
4. Transportlaag
5. Sessielaag
6. Presentatielaag
7. Applicatielaag

“Frisse Dassen Nemen Tijdig Soep, Pizza, Appels” helpt je 1–7 onthouden. “Alle Pinguïns Springen Tegen Natte Deuren, Flink” helpt je 7–1 onthouden. De lagen 1–3 heten vaak medialagen en 4–7 hostlagen.

Een verzender werkt omlaag, van applicatielaag naar fysieke laag. Signalen gaan over het medium en de ontvanger werkt omhoog. Overeenkomstige lagen zijn logisch gelijkwaardige lagen: de twee TCP-implementaties volgen TCP-regels, ook al gaan de werkelijke gegevens via IP, lokale verbindingen en signalen tussen die implementaties.

Stel je de overdracht voor

Een schrijver stelt een brief op, een geadresseerde envelop maakt aflevering mogelijk en voertuigen vervoeren de brief. De chauffeur kan de gesloten brief vervoeren zonder de inhoud te begrijpen. Op dezelfde manier vervoert elke lagere laag de gegevens van de hogere laag als nuttige lading en voegt ze besturingsinformatie toe, meestal een header.

Bestaande protocollen kunnen functies combineren. TLS voert versleuteling uit die bij de presentatielaag hoort, terwijl ARP lokale MAC-aflevering verbindt met IP-adressering. Hun indeling hangt af van hun taak en het gebruikte model.

De eerste drie OSI-lagen verplaatsen gegevens door het netwerk. Ze beschrijven drie verschillende soorten werk: signalen, lokale frames en pakketten die netwerken kunnen doorkruisen.

Laag 1: verstuur bits als signalen

De fysieke laag geeft bits weer met elektrische signalen op koper, licht in glasvezel of radiogolven via wifi. De laag legt details vast zoals connectoren, penaansluitingen, signaalniveaus, frequenties en bitsnelheden. Een Ethernetverbinding met getwiste aderparen kan een RJ45-connector gebruiken en met 1 Gbit/s werken.

Bij fysieke transmissie wordt geen beslissing over MAC- of IP-adressen genomen. Een signaal vervoert een stroom bits; de hogere lagen bepalen hoe die bits berichten vormen en waar die berichten thuishoren.

Laag 2: lever een frame af op de lokale verbinding

De datalinklaag plaatst gegevens in frames voor aflevering op een lokale verbinding of netwerksegment. Ethernet en wifi gebruiken MAC-adressen om interfaces te identificeren. Een gebruikelijk MAC-adres bestaat uit 48 bits, geschreven als zes hexadecimale paren, zoals 00:1A:2B:3C:4D:5E.

IEEE beschrijft twee sublagen van laag 2. Logische verbindingsbesturing (LLC) biedt de interface naar laag 3 en functies voor protocolherkenning. Mediatoegangsbeheer (MAC) regelt lokale adressering en toegang tot het medium. Ethernet is IEEE 802.3; wifi is IEEE 802.11. Beide omvatten functies van de fysieke laag en de datalinklaag. PPP is een ander datalinkprotocol, dat op punt-tot-puntverbindingen wordt gebruikt.

Ethernet voegt een framecontrolewaarde (FCS) toe aan het einde van een frame. De ontvanger gebruikt deze controle om beschadiging te detecteren. Als de controle mislukt, wordt het frame verwijderd. Standaard Ethernet verstuurt het frame niet opnieuw om dat verlies te herstellen; een protocol van een hogere laag zoals TCP kan ontbrekende gegevens herstellen wanneer betrouwbaarheid nodig is.

Laag 3: bereik een host via verschillende netwerken

De netwerklaag verpakt gegevens in pakketten. De laag gebruikt logische adressen: IPv4-adressen bevatten 32 bits en IPv6-adressen 128 bits. Routering bepaalt hoe pakketten tussen netwerken reizen. Een router leest het bestemmings-IP-adres en kiest een pad ernaartoe.

IPv4 en IPv6 horen hierbij, evenals ICMP, dat besturings- en foutberichten vervoert die hulpmiddelen zoals ping gebruiken. IPsec beschermt IP-verkeer. De levensduur (TTL) van IPv4 en de hoplimiet van IPv6 voorkomen eindeloze doorstuurlussen: elke router verlaagt de waarde met één en een pakket waarvan de waarde verloopt, wordt verwijderd.

Volg een draadloos verzoek

Een laptop vraagt een pagina op bij een server op een ander netwerk. Het radiosignaal dat de laptop verlaat, is laag 1. Het wifi-frame bereikt het accesspoint op laag 2. Het accesspoint overbrugt het verkeer naar Ethernet, waar een frame het naar de lokale router vervoert. Het IP-pakket daarin vermeldt de laptop en de externe server als eindpunten.

Het IP-adres van een externe server kan in een pakket blijven staan terwijl elke router een nieuw frame bouwt voor de volgende verbinding. Als je het MAC-adres als een bestemming van eind tot eind beschouwt, haal je de taak van lokale aflevering en routering door elkaar.

De bovenste OSI-lagen beschrijven de aflevering aan programma's en de diensten die die programma's gebruiken. Een werkende IP-route bereikt een host; daarmee is het ontvangende programma nog niet geïdentificeerd en het berichtformaat nog niet verklaard.

Laag 4: bereik het programma

De transportlaag levert gegevens tussen processen (draaiende programma's) af met behulp van poortnummers. TCP levert een betrouwbare bytestroom in de juiste volgorde en verdeelt gegevens in segmenten. UDP vervoert onafhankelijke datagrammen.

Door multiplexing op de transportlaag kunnen een browser, mailclient en belprogramma één interface delen terwijl hun gesprekken te onderscheiden blijven. Het IP-adres identificeert een host; transportinformatie identificeert de dienst of het gesprek op die host.

Lagen 5 en 6: beheren en weergeven

De sessielaag, laag 5, zet gesprekken tussen applicaties op, beheert ze en beëindigt ze. Dialoogbeheer bepaalt welke partij wanneer verzendt; met controlepunten kan een onderbroken uitwisseling vanaf een vastgelegd punt worden hervat. RPC en de NetBIOS-sessiedienst zijn gebruikelijke voorbeelden van sessietaken.

De presentatielaag, laag 6, verzorgt weergave, compressie en versleuteling. ASCII en UTF-8 geven tekst weer; JPEG en PNG geven afbeeldingen weer; MPEG geeft video weer. Compressie vermindert de hoeveelheid die moet worden verstuurd. TLS-versleuteling wordt in OSI-beschrijvingen doorgaans bij de presentatielaag ingedeeld.

Laag 7: bied een netwerkdienst

De applicatielaag bevat protocollen die programma's rechtstreeks gebruiken. HTTP en HTTPS dienen het web; SMTP verstuurt e-mail; IMAP en POP3 halen die op. DNS zet namen om, DHCP levert automatische netwerkinstellingen, FTP en SFTP dragen bestanden over en SSH biedt veilige toegang tot de opdrachtregel op afstand.

Een browser is het programma dat HTTP gebruikt. HTTP is het netwerkprotocol van de browser. Als je het hele programma als de laag zou beschouwen, zouden daar ook lokale browseracties onder vallen die nooit via een netwerk communiceren.

Volg een e-mailuitwisseling

TCP 587 is een gebruikelijk eindpunt voor het aanbieden van berichten, waarbij normaal gesproken met STARTTLS wordt overgeschakeld op TLS. In TCP/IP horen de sessie- en presentatietaken bij de applicatielaag. Deze OSI-rijen beschrijven functies en hoeven dus niet overeen te komen met vier afzonderlijke softwaremodules.

OSI en TCP/IP groeperen dezelfde communicatietaken op verschillende manieren. Koppel de functies aan elkaar om hun diagrammen te vergelijken.

Vier internetlagen

TCP/IP ontstond uit onderzoek dat in de jaren 1970 werd gefinancierd door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). ARPANET stapte er op 1 januari 1983 op over. Specificaties verschijnen als Requests for Comments (RFC's); de Internet Engineering Task Force (IETF) werkt aan internetstandaarden. TCP en IP geven de protocolfamilie haar naam; de familie bevat ook UDP, ICMP, ARP, DNS en andere protocollen.

RFC 1122 beschrijft vier lagen:

De applicatielaag omvat HTTP, DNS en SMTP. De transportlaag omvat TCP en UDP; de internetlaag omvat IP en ICMP; de netwerktoegangslaag omvat Ethernet en wifi. De netwerktoegangslaag wordt ook netwerkinterfacelaag genoemd en sommige boeken noemen de internetlaag “netwerklaag”.

Als je de TCP/IP-applicatielaag alleen aan OSI-laag 7 koppelt, laat je sessie- en presentatiefuncties weg. Die vinden nog steeds plaats, maar TCP/IP groepeert ze bij de applicaties die ze nodig hebben.

Waarom een vijfde laag verschijnt

Het vijflagenmodel voor onderwijs splitst de netwerktoegangslaag in de datalinklaag en de fysieke laag. De volledige volgorde is applicatielaag, transportlaag, netwerklaag, datalinklaag, fysieke laag. Kurose en Ross en veel netwerkcursussen gebruiken dit model om lokale framing van signalering te onderscheiden. De onderste vier lagen komen elk overeen met OSI 1–4.

OSI is ontworpen als een algemeen referentiekader voordat de meeste bijbehorende protocollen bestonden. Het TCP/IP-model beschrijft een protocolfamilie die al in gebruik was. Dit helpt verklaren waarom OSI afzonderlijke categorieën voor de bovenste lagen heeft, terwijl internetsoftware hun taken vaak combineert.

Breng een HTTPS-uitwisseling in kaart

Bij HTTP/2 via HTTPS horen HTTP en TLS bij de TCP/IP-applicatielaag. TCP verzorgt de aflevering via de transportlaag aan serverpoort 443. IP verzorgt de adressering op de internetlaag; Ethernet verzorgt framing en signalering op de netwerktoegangslaag.

Netwerkmedewerkers gebruiken nog steeds de OSI-nummering voor beschrijvingen met laagnummers: “routering op laag 3”, “laag 2-switch” of “laag 7-loadbalancer”. Als je de internetlaag telt als het tweede vak van onderen in TCP/IP met vier lagen, begrijp je die verkorte aanduiding verkeerd.

Om een protocol in te delen, vraag je eerst welke taak het uitvoert. Onderzoek vervolgens wat de berichten vervoert. Dat beperkt vaak de keuze, maar de functie bepaalt de indeling wanneer een protocol taken combineert of boven op een ander transportprotocol is gebouwd.

Begin bij de hoofdtaak

HTTP, DNS, DHCP, FTP, SFTP, TFTP, SSH, Telnet, SMTP, IMAP, POP3, SNMP, NTP, LDAP, SMB, RDP, SIP en syslog bieden diensten aan applicaties. Ze horen bij de OSI-applicatielaag en de TCP/IP-applicatielaag. Tekencoderingen zoals ASCII en UTF-8, mediaformaten zoals JPEG en MPEG en versleuteling beschrijven functies van de presentatielaag; RPC is een gebruikelijk voorbeeld van de sessielaag.

TCP en UDP verrichten werk van de transportlaag. IPv4, IPv6, ICMP, ICMPv6, GRE-tunneling en AH en ESP van IPsec verrichten werk van de netwerklaag of internetlaag. OSPF wisselt routeringsinformatie rechtstreeks binnen IP uit en wordt ook bij laag 3 ingedeeld.

Ethernetframing, wifi-MAC-functies, PPP, VLAN-tagging (802.1Q) en Spanning Tree Protocol (STP) zijn functies van de datalinklaag. Signalering via koper of glasvezel, connectoren, 1000BASE-T en radioverzending via wifi zijn functies van de fysieke laag. Ethernet en wifi omvatten elk beide onderste lagen.

Onderscheid een dienst van de informatie die deze verwerkt

DNS (Domain Name System) zoekt informatie over namen op, waaronder IP-adressen, maar dient applicaties en gaat via UDP- of TCP-poort 53. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) levert IP-instellingen, maar de berichten gebruiken UDP-serverpoort 67 en clientpoort 68. Het verwerken van een IP-adres maakt geen van beide diensten tot een netwerklaagprotocol.

ICMP (Internet Control Message Protocol) rapporteert over IP-aflevering en vervoert echoberichten voor ping. Het wordt rechtstreeks door IP vervoerd en heeft geen TCP- of UDP-poorten. De indeling bij de netwerklaag volgt uit de besturende rol, niet uit de aanwezigheid van een afzonderlijke header binnen IP.

Deel protocollen in die een grens overschrijden

ARP (Address Resolution Protocol) zoekt het MAC-adres dat hoort bij een IPv4-adres op de lokale verbinding. De berichten worden rechtstreeks in Ethernetframes vervoerd, zonder IP-header. ARP ondersteunt IP-aflevering via lokale MAC-aflevering en wordt daarom volgens afspraak bij laag 2 ingedeeld; het informele label “laag 2,5” beschrijft die rol op de grens tussen lagen.

TLS biedt versleuteling. Bij HTTP/1.1 en HTTP/2 vervoert HTTPS HTTP binnen TLS over TCP. TLS hoort bij de TCP/IP-applicatielaag en wordt doorgaans aan de OSI-presentatielaag gekoppeld. Het woord “Transport” in de volledige naam, Transport Layer Security, maakt TLS niet gelijkwaardig aan TCP of UDP.

QUIC wordt binnen UDP vervoerd, maar biedt transportfuncties, waaronder betrouwbare stromen en verbindingsbeheer. HTTP/3 gebruikt QUIC, met een TLS 1.3-handshake ingebouwd in de opbouw van QUIC en versleuteling van QUIC-pakketten. Daarom is “binnen UDP” een nuttige aanwijzing, maar geen algemene toets om iets bij de applicatielaag in te delen.

Om dezelfde reden blijft SSH bij de applicatielaag horen, ook al bevat het versleuteling. Het volledige doel van een protocol telt: veilig inloggen op afstand is een applicatiedienst, terwijl versleuteling op zichzelf een functie van de presentatielaag is.

Wanneer gegevens omlaag door een stapel gaan, voegt elke laag informatie toe die nodig is voor de eigen taak. Inkapseling is dit verpakkingsproces. De volledige eenheid van de hogere laag wordt de nuttige lading van de volgende laag: de inhoud die wordt vervoerd.

Bouw van binnen naar buiten op

Een header komt vóór de nuttige lading. Een trailer komt erna. In een Ethernet/IP/TCP-stapel voegen TCP en IP elk een header toe; Ethernet voegt zowel een header als een FCS-trailer toe. Bij fysieke transmissie wordt het resulterende frame als bits in signalen weergegeven.

De eenheid op een bepaalde laag is de protocolgegevenseenheid (PDU). Gebruik deze namen wanneer je een verzoek volgt:

Stel dat een programma een HTTP-verzoek via TCP verstuurt. TCP voegt zijn header toe, met onder meer poorten en volgorde-informatie. IPv4 voegt zijn header rond dat segment toe. Ethernet voegt zijn header rond het pakket en een FCS erachter toe. Het verzoek blijft binnen elke grotere eenheid aanwezig; de lagen vervangen het niet door berichten die er niets mee te maken hebben.

Herken het volgende protocol

De ontvanger moet kunnen kiezen welk protocol de nuttige lading afhandelt. Het Ethernetveld EtherType geeft IPv4 aan als 0x0800, IPv6 als 0x86DD en ARP als 0x0806. ARP gaat daarom rechtstreeks van Ethernet naar ARP-verwerking, zonder via IP te gaan.

Het IPv4-veld Protocol geeft TCP aan met 6, UDP met 17 en ICMP met 1. IPv6 noemt het overeenkomstige veld volgende header. Na de transportverwerking identificeert een bestemmingspoort zoals TCP 443 de ontvangende dienst.

Dit zijn drie verschillende keuzemiddelen. EtherType kiest het protocol binnen een frame; het IP-veld kiest het protocol binnen een pakket; de bestemmingspoort kiest het ontvangende programma. TCP- en UDP-poorten komen niet voor in ICMP-berichten.

Pak uit bij de ontvanger

Bij ontkapseling wordt de buitenste laag eerst verwijderd. De interface ontvangt signalen en haalt daaruit de bits terug. Ethernet controleert de FCS en gebruikt EtherType om de nuttige lading aan IP door te geven. IP controleert de afleverinformatie en geeft de nuttige lading door aan het aangegeven transportprotocol. TCP verwerkt zijn header en levert applicatiebytes af aan het ontvangende programma.

De FCS is een 32-bitswaarde voor cyclische redundantiecontrole (CRC) om beschadigde frames te detecteren. De FCS wordt samen met de lokale frame-informatie verwijderd en niet als onderdeel van het applicatiebericht afgeleverd.

Vóór elk Ethernetframe verstuurt de fysieke laag voor synchronisatie een preambule van 7 bytes en een startframebegrenzer (SFD) van 1 byte. Deze acht bytes vallen buiten de getelde grootte van het Ethernetframe.

Een switch leest frame-informatie om lokaal door te sturen. Een router verwijdert het binnenkomende frame, onderzoekt IP en maakt een ander frame voor de volgende verbinding. Een eindhost verwerkt de stapel helemaal tot aan de applicatie. Als je de gebruikelijke taak van elke laag beschrijft, begrijp je waarom een router versleutelde inhoud kan doorsturen zonder het bericht van de applicatie te lezen.

Headers nemen naast de applicatiegegevens ruimte in. Om de grootte van de verzonden gegevens te berekenen, benoem je de protocolstapel, noteer je de headergroottes en werk je naar buiten. Zowel het grootste toegestane pakket als het kleinste toegestane Ethernetframe beïnvloedt het resultaat.

Weet wat elke grootte omvat

IPv4- en TCP-headers kunnen met opties elk tot 60 bytes groeien. De MTU, of maximale transmissie-eenheid, omvat het pakket van laag 3. Standaard Ethernet heeft een MTU van 1.500 bytes. Met de 18 bytes overhead van de verbindingslaag levert dat een frame van 1.518 bytes op, of 1.522 bytes met een VLAN-tag. Als jumboframes zijn ingeschakeld, gebruiken ze doorgaans een MTU van 9.000 bytes.

De MSS, maximale segmentgrootte, omvat de TCP-applicatiegegevens. Zonder IP- of TCP-opties is de beschikbare nuttige TCP-lading:

Voor IPv6 zonder uitbreidingsheaders of TCP-opties is dat:

Als je Ethernetoverhead bij de MTU optelt, overschat je de beschikbare ruimte binnen het pakket.

Bereken één frame van binnen naar buiten

Voor 1.000 bytes HTTP-gegevens via TCP, IPv4 en Ethernet zonder VLAN-tag en zonder opties:

1. TCP-segment: 1.020 bytes, de gegevens plus 20.
2. IP-pakket: 1.040 bytes, nadat nog eens 20 is toegevoegd.
3. Ethernetframe: 1.058 bytes, nadat 18 is toegevoegd.

De overhead is 58 bytes. Het aandeel nuttige gegevens is:

Met dezelfde stapel heeft een overdracht van 4.000 bytes applicatiegegevens met een MSS van 1.460 drie segmenten nodig: 1.460, 1.460 en 1.080 bytes gegevens. Hun frames zijn 1.518, 1.518 en 1.138 bytes. Het totaal is 4.174 bytes, inclusief 174 bytes aan headers en trailers. Elk segment heeft zijn eigen headers nodig.

Kleine berichten en minimale frames

Een DNS-query van 40 bytes via UDP en IPv4 wordt een datagram van 48 bytes, een pakket van 68 bytes en een Ethernetframe zonder VLAN-tag van 86 bytes. Het aandeel nuttige gegevens is ongeveer 46,5%. Een volledige nuttige TCP-lading van 1.460 bytes beslaat ongeveer 96,2% van het frame van 1.518 bytes.

Ethernetframes moeten minstens 64 bytes groot zijn, met minstens 46 bytes nuttige lading. Een TCP-bevestiging zonder applicatiegegevens heeft bij minimale headers een IPv4-pakket van 40 bytes. Ethernet voegt vóór de FCS 6 bytes opvulling toe, wat een frame van 64 bytes oplevert.

Houd de grenzen uit elkaar

TCP-segmentatie verdeelt applicatiegegevens op laag 4. IP-fragmentatie verdeelt een pakket op laag 3 als het te groot is voor een verbinding. IPv4-routers kunnen fragmenteren als dat is toegestaan; IPv6-routers fragmenteren nooit, dus moet de verzender zich aanpassen aan de maximale grootte van het pad.

De framegroottes hier zijn exclusief de preambule, SFD en de tijd tussen frames. Om de bytes van een frame om te rekenen naar bits, vermenigvuldig je met acht: een frame van 1.518 bytes bevat 12.144 bits.

Een pakket kan verschillende netwerken doorkruisen, maar een Ethernetframe dient één lokale verbinding. Als je beide eenheden tegelijk volgt, begrijp je waarom een host voor dezelfde uitwisseling het externe IP-adres en een MAC-adres in de buurt nodig heeft.

Adresseer de volgende lokale ontvanger

Neem een laptop op 192.0.2.10, met MAC-aanduiding AA. Een router R1 verbindt het netwerk van de laptop met dat van een server. R1 heeft MAC-aanduiding R1-A aan de kant van de laptop en R1-B aan de kant van de server. De server is 198.51.100.20, met MAC-aanduiding SS. Deze korte MAC-aanduidingen staan voor volledige interfaceadressen.

De laptop herkent dat de server zich op een ander netwerk bevindt. Zijn standaardgateway, R1, is de volgende ontvanger op de lokale verbinding. ARP levert het MAC-adres van de gateway. Voor een TCP-verbinding naar serverpoort 443 zijn de adressen binnen elkaar als volgt:

De laptop gebruikt SS niet als lokaal bestemmings-MAC-adres. SS hoort bij de eindhost op een ander netwerk; R1-A hoort bij het apparaat dat dit eerste frame kan ontvangen.

Passeer een switch en een router

Een laag 2-switch leest het bestemmings-MAC-adres, vindt de poort naar R1-A en stuurt het frame door. Bij gewoon schakelen worden de bron- en bestemmings-MAC-adressen niet vervangen.

R1 controleert de FCS van het ontvangen frame en verwijdert de header en trailer. De router leest het bestemmings-IP-adres, zoekt de route op en verlaagt de TTL met één. Vervolgens maakt de router een nieuw frame op de verbinding aan de kant van de server. Dat frame heeft bron R1-B en bestemming SS, geleerd via ARP. De FCS ervan dekt dit nieuwe frame.

De bron- en bestemmings-IP-adressen en TCP-poorten blijven op dit gewone gerouteerde pad gelijk. De IP-header blijft niet volledig ongewijzigd: de TTL neemt af en de headercontrolesom van IPv4 wordt bijgewerkt. Netwerkadresvertaling (NAT) is een uitzondering op het behoud van eindpuntadressen, omdat NAT IP-adressen en vaak ook poorten herschrijft.

Tel routerhops met TTL

Een pakket dat met TTL 64 wordt verstuurd, bereikt de bestemming met TTL 61 na drie doorstuurstappen door routers. Als een router de TTL tot nul verlaagt, verwijdert hij het pakket en stuurt hij normaal gesproken een ICMP-bericht voor overschrijding van de tijd terug. IPv6 gebruikt een hoplimietveld voor hetzelfde doel: lussen begrenzen.

traceroute op Linux of macOS en tracert op Windows gebruiken testpakketten met veranderende TTL-waarden om hops te vinden die antwoorden. Een * betekent dat er voor dat testpakket geen antwoord is aangekomen. De router kan nog steeds verkeer doorsturen terwijl hij diagnostische antwoorden filtert of beperkt. Vergelijk daarom latere antwoorden en diensttests voordat je een storingspunt aanwijst.

Keer terug naar de client

De server verwijdert het lokale frame en verwerkt het pakket en TCP-segment tot aan de webdienst. Een antwoord keert de rollen van de eindpunten om: het IP-adres en de poort van de server worden de bron en het IP-adres en de clientpoort van de laptop worden de bestemming. Routers maken opnieuw frames voor hun uitgaande verbindingen. De retourroute kan andere routers gebruiken, maar elk lokaal frame is nog steeds gericht aan de volgende ontvanger.

TCP en UDP gebruiken allebei poorten om gegevens tussen programma's te vervoeren op laag 4. De keuze hangt af van wat de applicatie nodig heeft wanneer pakketten vertraging oplopen, verloren gaan of in de verkeerde volgorde aankomen.

Wat TCP biedt

Transmission Control Protocol (TCP) is verbindingsgericht. Een drieweg-handshake (SYN, SYN-ACK, ACK) zet de verbinding op vóór de normale gegevensuitwisseling. Bevestigingen vertellen de verzender wat is aangekomen en hertransmissie herstelt ontbrekende gegevens. Met volgorde-informatie kan TCP bytes in de juiste volgorde aanbieden.

Stroomregeling beschermt een ontvanger tegen een te snelle verzender. Congestiebeheersing past het verzenden aan de netwerkbelasting aan. Dit zijn verschillende problemen: het ene betreft de capaciteit van de ontvangende host, het andere het netwerk dat het verkeer vervoert. De TCP-header is 20 bytes zonder opties en kan 60 bytes bereiken.

TCP biedt een betrouwbare bytestroom in de juiste volgorde, maar een mislukte verbinding kan een applicatie toch met een onvolledig bestand achterlaten. De applicatie moet de fout afhandelen of de bewerking hervatten; TCP kan geen gegevens afleveren via een pad dat niet beschikbaar is.

Wat UDP biedt

User Datagram Protocol (UDP) is verbindingsloos. Het verstuurt onafhankelijke datagrammen zonder handshake op de transportlaag, bevestigingen, hertransmissie of herstel van de volgorde. De header van 8 bytes bevat bronpoort, bestemmingspoort, lengte en controlesom.

UDP kan verkeer naar één ontvanger, broadcasts en multicasts ondersteunen. Een TCP-verbinding verbindt twee eindpunten. De kleinere header van UDP en het ontbreken van ingebouwd herstel verminderen de transportoverhead, maar “onbetrouwbaar” beschrijft het ontbreken van aflevergaranties en betekent niet dat het meeste verkeer naar verwachting verloren gaat.

Kies op basis van de tijdseis van de applicatie

Een pakket voor een live spraakgesprek kan 20 ms geluid bevatten. Als het verloren gaat, is een vervangend pakket dat 100 ms later aankomt te laat om op het juiste moment af te spelen. Een gesprek kan met een kleine onderbreking doorgaan, waardoor UDP geschikt is. Een gedownload document heeft al zijn bytes in de juiste volgorde nodig, dus past het herstel van TCP bij die taak.

Korte verzoeken zoals bij DNS, DHCP, NTP en SNMP gebruiken ook vaak UDP. DNS gebruikt daarnaast TCP-poort 53 voor zoneoverdrachten en wanneer een antwoord TCP nodig heeft. Voor het opzetten van SIP-gesprekken kan UDP of TCP op poort 5060 worden gebruikt.

Applicaties kunnen functies boven op UDP toevoegen. TFTP bevestigt zijn blokken en QUIC biedt betrouwbare versleutelde verbindingen via UDP. Als je UDP in een pakketopname ziet, weet je dus nog niet of de applicatie herstelmogelijkheden mist.

Video op aanvraag buffert vaak vooruit en gebruikt HTTPS via TCP of HTTP/3 via QUIC. De uitspraak “video betekent UDP” gaat voorbij aan het verschil tussen een live gesprek met een directe tijdseis en opgeslagen video waarbij tijd is om ontbrekende gegevens te herstellen.

Een IP-adres identificeert een host, maar veel programma's kunnen die host tegelijk gebruiken. TCP en UDP voegen elk bron- en bestemmingspoortnummers toe, zodat binnenkomende gegevens de juiste dienst of het juiste gesprek bereiken.

Houd diensten en clientgesprekken apart

Een poort is een 16-bitsgetal van 0 tot 65.535. Een server luistert naar verkeer op een bekende poort, zoals TCP 443 voor HTTPS. Een client kiest bij het openen van een verbinding gewoonlijk een tijdelijke poort als bronpoort.

RFC 6335 groepeert de nummers als volgt:

IANA wijst systeem- en gebruikerspoorten toe; dynamische poorten worden niet toegewezen. Het dynamische bereik en het werkelijke bereik voor tijdelijke poorten van een besturingssysteem zijn afzonderlijke begrippen. Windows gebruikt standaard 49152–65535 voor tijdelijke poorten, terwijl Linux vaak 32768–60999 gebruikt. Een beheerder kan deze instellingen wijzigen.

Herken een eindpunt en een verbinding

Een socket identificeert een transporteindpunt aan de hand van IP-adres, poort en transportprotocol. Zo identificeert TCP 198.51.100.20:443 een HTTPS-servereindpunt. TCP 53 en UDP 53 zijn afzonderlijke poorten omdat TCP en UDP afzonderlijke nummerruimten hebben.

Een verbinding wordt geïdentificeerd met de 5-tupel: bron-IP, bronpoort, bestemmings-IP, bestemmingspoort en transportprotocol. Die waarden onderscheiden gesprekken, ook wanneer meerdere clients één serverpoort gebruiken.

Stel dat 192.0.2.10 twee TCP-verbindingen opent naar 198.51.100.20:443. De ene gebruikt clientpoort 51514 en de andere 51515. Hun servereindpunt is identiek, maar hun bronpoorten verschillen. De server kan elk antwoord daardoor naar de juiste verbinding terugsturen. Sommige browsers hergebruiken verbindingen; het voorbeeld beschrijft twee afzonderlijke verbindingen die zijn geopend.

Bij een antwoord in het eerste gesprek wordt de bron 198.51.100.20:443 en de bestemming 192.0.2.10:51514. Poort 443 wordt niet de clientpoort alleen omdat de richting is omgekeerd.

Interpreteer poortinformatie zorgvuldig

Een geconfigureerde dienst kan een afwijkende poort gebruiken. HTTP kan 8080 gebruiken en SSH 2222. Het nummer doet een gebruikelijke dienst vermoeden, maar stelt niet vast welke inhoud werkelijk wordt verstuurd. Een firewall die alleen naar poorten kijkt, maakt een beperkte classificatie; inspectie van applicaties kan het verkeer zelf onderzoeken.

Een fysieke switchpoort is een kabelaansluiting op een interface. Een transportpoort is een nummer in een TCP- of UDP-header. Het vervangen van een kabel beïnvloedt de fysieke verbinding, terwijl het toestaan van TCP 443 verandert welk transportverkeer mag passeren. Het gedeelde woord “poort” maakt dit niet tot hetzelfde soort object.

Leer het transportprotocol en de poort samen voor elke dienst. TCP 53 en UDP 53 zijn afzonderlijke transporteindpunten, ook al kunnen beide DNS dienen. Door verwante diensten te groeperen, kun je ook vergelijkbare namen gemakkelijker onderscheiden.

Web, toegang op afstand en bestanden

Expliciete FTPS begint op 21 en schakelt over op TLS. Impliciete FTPS begint met TLS op 990. TCP 989 is geregistreerd voor gegevens van impliciete FTPS; bij passieve overdrachten wordt over gegevenspoorten onderhandeld. SFTP is een ander protocol binnen SSH, dus als je FTP naar poort 22 verplaatst, wordt het geen SFTP.

E-mail en directorydiensten

SMTP gebruikt TCP 25 voor doorsturen tussen servers. Clients bieden berichten gewoonlijk aan op TCP 587 met STARTTLS, of op TCP 465 met TLS vanaf het begin. IMAP haalt e-mail op via TCP 143, met impliciete TLS op TCP 993. POP3 haalt e-mail op via TCP 110, met impliciete TLS op TCP 995.

LDAP-directorybevragingen gebruiken TCP 389; LDAP via impliciete TLS, of LDAPS, gebruikt TCP 636. Een beveiligde dienst kan ook een bestaande verbinding opwaarderen als dat wordt ondersteund. Een andere poort is dus niet de enige manier waarop protocollen TLS toevoegen.

Infrastructuur en beheer

De meeste gewone DNS-vragen gebruiken UDP; zoneoverdrachten gebruiken TCP en clients hebben ook TCP nodig voor antwoorden die dat vereisen. SNMPv3 kan authenticatie en versleuteling toevoegen met behoud van de poorten 161 en 162. Syslog kan in gebruikte systemen andere transportprotocollen gebruiken; UDP 514 is de gebruikelijke basis die hier wordt vermeld.

Verwar IP-protocolnummers niet met poorten

Het veld Protocol in de IP-header geeft aan wat IP vervoert: ICMP 1, TCP 6, UDP 17, GRE 47, ESP 50 en AH 51. TCP en UDP bieden vervolgens hun eigen poortvelden. ICMP, GRE, ESP en AH hebben geen TCP- of UDP-poorten. Een regel die TCP-poort 1 toestaat, staat daarom geen ICMP-echoverkeer toe.

Voor een webserver die HTTP/2 via TLS gebruikt, sta je inkomend TCP 443 toe. Als dezelfde server HTTP/3 aanbiedt, heeft het QUIC-verkeer UDP 443 nodig. Een DNS-regel die alleen UDP 53 toestaat, kan kleine vragen doorlaten maar vereiste TCP-uitwisselingen blokkeren. Stem de regel af op het werkelijke transportprotocol en de bestemmingspoort van de server.

Deel een apparaat in op basis van de informatie die het leest om te bepalen hoe het verkeer afhandelt. Het label beschrijft een doorstuur- of inspectiefunctie. Eén fysieke behuizing kan meerdere functies op verschillende lagen bevatten.

Signalen, frames en pakketten

Laag 1-apparaten verwerken signalen. Een repeater herstelt een signaal; een hub herhaalt binnenkomende signalen naar alle andere poorten. Een mediaconverter verbindt media zoals koper en glasvezel. Een modem zet digitale gegevens om naar de signalering op de lijn van een provider en omgekeerd. Voeding via Ethernet (PoE) levert via bekabeling met getwiste aderparen stroom aan apparaten zoals telefoons en accesspoints en is dus een functie van de fysieke laag.

Een laag 2-switch leert bron-MAC-adressen en hun binnenkomende poorten. De switch gebruikt het bestemmings-MAC-adres om een uitgaande poort te kiezen. Broadcastframes en frames voor onbekende bestemmingen worden via flooding naar andere poorten in hetzelfde lokale netwerk gestuurd. Een bridge voert dezelfde basistaak uit met minder poorten. Een draadloos accesspoint overbrugt wifi-frames en bekabelde frames. Een netwerkinterfacekaart (NIC) verzorgt lagen 1 en 2, waaronder het MAC-adres van de interface.

Een router leest bestemmings-IP-adressen en stuurt pakketten tussen netwerken door met behulp van een routeringstabel. De router scheidt de lokale broadcastdomeinen. Een laag 3-switch combineert lokaal schakelen van frames met routering, vaak tussen VLAN's. Het woord “switch” alleen stelt niet vast of het apparaat kan routeren.

Inspecteer transport- of applicatie-informatie

Een host zoals een laptop, server of telefoon handelt alle zeven OSI-functies af. Een “router” voor thuis combineert gewoonlijk een router, switch, accesspoint, firewall en soms een modem. Het overbruggen van wifi en het routeren van pakketten zijn afzonderlijke taken in dezelfde behuizing.

Tel gedeelde domeinen

Een botsingsdomein is een gebied waarin gelijktijdige verzendingen elkaar kunnen storen. Een hub deelt één domein over zijn poorten. Een switch scheidt zijn aangesloten verbindingen. Moderne geschakelde volduplexverbindingen hebben geen botsingen; de traditionele telling van domeinen laat nog steeds zien hoe hubs van switches verschillen.

Een broadcastdomein bevat apparaten die elkaars broadcastframes ontvangen. Hubs en gewone switches geven die frames door. Routers scheiden broadcastdomeinen en VLAN's kunnen een switch in meerdere broadcastdomeinen verdelen.

Bij een router die twee switches verbindt, heeft switch A met vijf computers zes gebruikte verbindingen, inclusief de routerverbinding. Switch B met drie computers en een hub heeft vijf gebruikte verbindingen: drie computers, één hub en één routerverbinding. De vier computers op de hub delen het ene botsingsdomein van de verbinding met de switch. De traditionele telling geeft 11 botsingsdomeinen en twee broadcastdomeinen, zonder VLAN-indeling.

Begin met de vraag wie getroffen zijn, welke diensten niet werken en wat er is veranderd. Dat patroon helpt bij het kiezen van een startpunt voor het opsporen van de storing.

Kies een richting

Bottom-up controleert eerst de fysieke voorzieningen, daarna lokale frames, routering en hogere diensten. Dit is grondig bij een onbekende oorzaak, maar kan tijd verspillen als aanwijzingen al op een applicatiestoring wijzen. Top-down begint bij de dienst en gaat waar nodig naar de onderliggende lagen waarvan de dienst afhankelijk is.

Interpreteer de test in het midden

Bij verdeel en heers wordt vaak ping gebruikt. Een antwoord van de gateway ondersteunt de conclusie dat het lokale IP/ICMP-pad naar die gateway werkt. Een antwoord van een externe server ondersteunt die conclusie voor het geteste pad naar die server. Die resultaten geven aanleiding om hogerop naar namen, transportpoorten en de applicatie te kijken.

Een mislukte ping vereist verder onderzoek: het pad kan onderbroken zijn of ICMP kan worden gefilterd terwijl de webdienst bereikbaar blijft. Controleer dit met een test van de werkelijke dienst.

Bij het verkeerspad volgen onderzoek je apparaten langs de route, vaak met traceroute of tracert. Een hop die niet antwoordt, kan nog steeds verkeer doorsturen. Vergelijk latere antwoorden en, waar mogelijk, tests vanaf apparaten aan weerszijden voordat je een doorstuurstoring aan die hop toeschrijft.

Laat de symptomen de eerste controle bepalen

Stel dat op elke werkplek in één ruimte alle verbindingen wegvallen terwijl nabijgelegen ruimten werken. Begin bottom-up bij gedeelde apparatuur: de voeding van de switch, de uplink en de verbindingslampjes. Door een verdachte kabel te vervangen door een exemplaar waarvan je weet dat het werkt, kun je die afhankelijkheid testen.

Als één account geen e-mail kan aanbieden terwijl browsen en andere diensten werken, begin je top-down met de servernaam, aanbiedingspoort en foutmelding van dat account. Het beperktere patroon wijst op een controle van de specifieke dienst.

Vergelijk waar mogelijk een niet-werkend apparaat met een werkend apparaat. Verander één onderdeel, herhaal dezelfde test en noteer het resultaat. Draai een wijziging die niet helpt terug voordat je een andere probeert. Als je de kabel, gateway en DNS-instellingen tegelijk verandert, kan de toegang terugkeren zonder dat duidelijk wordt welke wijziging hielp.

Een symptoom geeft aan waar je kunt zoeken; een test levert aanwijzingen. Kies het hulpmiddel bij de taak die je wilt controleren en neem bij de interpretatie de bestemming, het protocol en het resultaat samen in beschouwing.

Controleer signalen en lokale aflevering

Op laag 1 kunnen niet-brandende verbindingslampjes, een losgekoppelde kabel, een uitgeschakeld apparaat, een te lange kabel of interferentie communicatie verhinderen. Inspecteer de voeding en connectoren, test de kabel of vervang die door een kabel waarvan je weet dat die werkt.

Op laag 2 kan de fysieke verbinding aanwezig zijn terwijl lokale frames niet aankomen. Door een verkeerde VLAN-toewijzing kunnen apparaten gescheiden zijn die hetzelfde lokale netwerk zouden moeten delen. Een duplexmismatch kan slechte prestaties en fouten veroorzaken; toenemende CRC-fouten kunnen ook op signaal- of bekabelingsproblemen wijzen. Lees de interfacestatistieken van de switch en vergelijk beide uiteinden. arp -a toont geleerde koppelingen tussen IPv4- en MAC-adressen op een host.

Op Cisco-apparaten geeft show interfaces de status van de interface en het lijnprotocol. “up/up” geeft aan dat de fysieke status en de datalinkstatus actief zijn. “down/down” vestigt de aandacht vaak op voeding, bekabeling of een ander fysiek probleem. “up/down” betekent dat er een fysieke verbinding is terwijl het lijnprotocol niet actief is; een verschil in inkapseling is één mogelijke oorzaak.

Controleer IP-bereikbaarheid en transporttoegang

Controleer op laag 3 interfaceadressen en gateway-instellingen met ipconfig op Windows, ip address op Linux of ifconfig op macOS. Verkeerde instellingen of ontbrekende routes kunnen verhinderen dat pakketten een ander netwerk bereiken. Gebruik ping voor IP-bereikbaarheid en tracert op Windows of traceroute op Linux/macOS voor hops die antwoorden.

Test op laag 4 de werkelijke poort van de dienst. Een server kan op ping antwoorden terwijl een firewall TCP 443 blokkeert of geen webdienst luistert. Gebruik in Windows PowerShell Test-NetConnection 203.0.113.25 -Port 443; gebruik op Linux of macOS nc -zv 203.0.113.25 443. Op de server kan ss op Linux of netstat luisterpoorten en verbindingen tonen. Een mislukte verbinding alleen maakt geen onderscheid tussen een blokkade door de firewall en een gestopt luisterend programma.

Onderzoek namen en applicatiegedrag

Op de bovenste lagen vraagt een mislukte naamopzoeking, certificaatfout, onjuiste servernaam of mislukte aanmelding om aanwijzingen uit de applicatie. Gebruik nslookup of dig om DNS-antwoorden te onderzoeken. Gebruik een browser of curl om HTTP/HTTPS te testen en lees de logboeken van de applicatie op dienstfouten.

Onderzoek waarom een pagina niet werkt

Een laptop kan https://intranet.example.com niet openen. Eerst slaagt een ping naar zijn gateway. Daarna slaagt een ping naar server-IP 203.0.113.25. Deze resultaten ondersteunen de conclusie dat de lokale en gerouteerde paden die deze tests gebruiken werken. Als nslookup intranet.example.com geen antwoord krijgt, onderzoek je de DNS-vraag en -configuratie op de applicatielaag.

Bij een ander resultaat wordt de naam correct omgezet en antwoordt de server op ping, maar mislukt TCP 443. Controleer het luisterende programma op de server en de relevante firewallregel. Als TCP 443 verbinding maakt en HTTPS een certificaatfout meldt, ga je omhoog naar het certificaat en de servernaamconfiguratie. Elke test beperkt de volgende vraag; geen enkele test bevestigt dat elk soort verkeer op het netwerk werkt.