Oppimispäiväkirja - Heikki Korkala (d0358467)

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenne käsittelee tapoja ja tekniikoita, joilla eri tietotekniset laitteet komponenteista kokonaisuuksiin keskustelevat keskenään. Kommunikointi voi tapahtua johtojen välityksellä (kupari, valokuitu) tai johdottomasti (radio, valo, savumerkit).

Esim. Internetin osalta:

  • Miten verkko on fyysisesti rakennettu: Kaapeloinnit, reititys, langattomat tukiasemat, satelliitit
  • Mitä protokollia tiedonsiirrossa käytetään
  • (OSI-malli) ja sen toiminnallisuudet
  • Miten sovellukset voivat verkkoa hyödyntää (IP-TV, VOIP)
  • Kytkeytymistapoja: 3G-verkon kautta, puhelinkaapelit, sähköverkko (?), kaapelitelevisio

Termejä:

  • Internet
  • Protokolla
  • OSI-kerrosmalli
  • langaton verkko
  • langallinen verkko
  • Digi-tv
  • Ip-tv
  • Matkapuhelinverkot
  • Radio
  • WAN, MAN, LAN, PAN

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1

ISO- ja TCP/IP kerrosmallit:

  • Application
    • Loppusovelluksen käyttämä data
  • Presentation (OSI)
    • Alempi sovelluskerros, joka huolehtii datan esittämisestä (esim. miten merkkijono esitetään sovelluskerrokselle). Myös tiedon kryptaus kuuluu esityskerrokseen.
  • Session (OSI)
    • Full/half duplex
  • Transport
    • Yhteydetön tai yhteydellinen siirto. TCP- tai UDP-protokollat
  • Network
    • Reititys lähteestä kohteeseen. IP-protokolla
  • Data link
    • Virheenkorjaus, linkki verkon kahden pisteen välillä
  • Physical
    • Kaapelointi ja liittimet, verkon fyysiset osat

Siirrettäessä pakettia alempi kerros käärii aina ylemmän data-alueelleen ja luo omat otsikkotietonsa pakettiin. Otsikkotietojen perusteella kukin kerros osaa suorittaa oman toimintonsa.

Luentopäivä 2

Digitaalinen signaali saadaan siirrettyä pitkiä matkoja, kun se moduloidaan jonkinlaiseen kantoaaltoon. Modeemi hoitaa tämän (Modulator/Demodulator). Signaali myös koodataan. Koodauksella pyritään datan virheettömyyteen ja nopeaan tiedonsiirtoon.

Käytännössä modulointi tapahtuu analogisen signaalin muutoksilla. Näitä ovat mm. ASK jossa muutetaan amplitudia, FSK jossa muutetaan taajuutta ja PSK jossa muutellaan signaalin vaihetta. Esimerkiksi ASK:ssa (Amplitude Shift Keying) amplitudin muutos saattaa koodaustavasta riippuen merkitä muutosta ykkösestä nollaan tai bitin kääntämistä ympäri (0→1 tai 1→0).

Analogisen datan muuttaminen digitaaliseksi tapahtuu näytteistämällä (sampling). Näytteistyksessä analogisesta signaalista otetaan tasaisin väliajoin näyte eli luku joka kuvastaa signaalin tasoa näytteenottohetkellä. Kun näytteitä on tarpeeksi, voidaan niistä konstruoida alkuperäinen signaali. Näytteitä pitää tällöin ottaa taajuudella joka on vähintään 2 kertaa näytteistettävän signaalin maksimitaajuus.

Luentopäivä 3

Ruuhkautuminen

  • Käytännössä nykyinen TCP/IP-pohjainen verkko kestää noin 80% kuormitusasteen.
  • Ruuhkautumisessa yksittäiset noodit eivät pysty lähettämään paketteja eteenpäin yhtä nopeasti kuin niitä saapuu. Paketit siirtyvät jonoon ja jono kasvaa.
  • Ruuhkautumisesta selvitään esimerkiksi siten, että ruuhkautunut noodi lähettää edelliselle noodille pysäytyskäskyn. Näin saadaa aikaa purkaa jono. Toinen tapa on lähettää choke-paketti, jossa käytännössä pudotetaan osa käsiteltävistä paketeista ja kerrotaan tämä lähdenoodeille.
  • Pakettien siirrossa tapahtuva viive = prosessointiviive + jonotusviive + lähetysviive + kuljetusviive

Packet-loss

  • Pakettien hukkuminen
  • Voi tapahtua verkossa ilmenevistä häiriöistä tai törmäyksistä
  • Törmäys = Kaksi asemaa lähettää paketin samaan verkkoon yhtä aikaa
  • Jos törmäys tapahtuu, saapuu kohdeasemaan mössöä ⇒ vaatii paketin uudelleen lähettämisen.
  • Törmäystilanteesta selvitään joko:
    • Vasta-asema kertoo virheellisestä paketista, jolloin asemat lähettävät pakettinsa uudelleen satunnaisen ajan kuluttua.
    • Collision detectionilla, jolloin törmäys huomataan heti, lähetys katkaistaan ja hoidetaan uudelleenlähetys.
    • Collision avoidance, jolloin katsellaan etukäteen lähettääkö joku asema. Törmäyksiä voi silti tapahtua, jos kaksi asemaa aloittaa lähetyksen lähes yhdenaikaisesti.

Langattoman signaalin kulkeutuminen

  • Signaali saapuu yleensä perille useita kertoja. Syyt tähän ovat:
    • Heijastuminen
    • Taittuminen
    • Taipuminen
    • Sironta
  • Kokonaisheijastumista hyödynnetään valokuiduissa

Lähiverkko

  • Aikaisemmat siirtotavat:
    • Paksu ethernet (10Base5) (AUI-liitin)
    • Ohut ethernet (10Base2) (BNC-liitin)
    • Parikaapeliethernet (10BaseT, 100BaseT…) (RJ45-liitin)
  • Topologiat:
    • Puu/väylä
    • Rengas (esim. token ring)
    • Tähti (Nykyinen)
  • Verkot voivat toimia loogisesti ja fyysisesti eri topologioilla.

Kotitehtävät

Tehtävä 1

Tehtäväkuvaus:

Pyri kuvaamaan ennakkotehtävässä määrittelemäsi termit/aihepiirit/kokonaisuudet yhdessä kuvassa. Ryhmittele asiat mielekkäällä tavalla. Voit valita näkökulmasi. - Kuvassa voi olla vielä tässä vaiheessa aukkoja, mutta niitä aukkoja on tarkoitus kurssin aikana pyrkiä täyttämään. - Erittäin tärkeää olisi tässä vaiheessa hahmottaa jokin suurempi kokonaisuus/käyttöskenaario. - Kokonaiskuva on hyvä muodostaa siten, että myös tentissä kyseinen viite olisi itsellä mielessä. Vastaavasti luennoilla on hyvä pohtia kuinka opetetut asiat liittyvät tuohon itse muodostettuun kuvaan.

Vastaus:

Tehtävä 2

Tehtäväkuvaus: Kotitehtävässä 1 luotiin kokonaisnäkemys tietoliikenteen alueesta aiempien termien kautta. Kotitehtävässä 2 keskitytään johonkin oleelliseen osaan kokonaisuudesta (oman mielenkiinnon mukaan valittavissa) ja skenaarion/käyttötapauskuvauksen avulla selvitetään mitä ko. osa-alueella oikeasti tapahtuu. - Esim. GPS tapauksessa voitaisiin selvittää kuinka paikka lasketaan ja millaisia osia itse järjestelmässä on (vastaanotin, satelliitit, maanpäälliset asemat, …). Esimerkki on hyvä valita sen mukaan mikä itseä kiinnostaa ja jota haluaa katsoa tarkemmin

Vastaus:

3G-verkko, valitsen sinut!

3G-verkko on Suomessa 2004 käyttöönotettu langattomassa viestinnässä käytettävä mobiiliverkko joka saapui GSM:n korvaajaksi. Verkko mahdollistaa myös tietokoneissa (erityisesti kannettavissa) liikkuvan laajakaistatasoisen nopeuden. Perusnopeus verkossa on 384kbps, mutta HSDPA-tekniikalla (High-Speed Downlink Packet Access) voidaan teoreettisesti saavuttaa yli 10Mbps tiedonsiirtonopeus. Tekniseltä nimeltään 3G tunnetaan UMTS:nä (Universal Mobile Telecommunications System).

UMTS on topologialtaan soluverkko eli se jakautuu pieniin ja suurempiin maantieteellisiin soluihin jonka alueella käyttäjät ovat saman tukiaseman varassa. Tiedonsiirtonopeudet ja solun koko määräytyy solun käyttäjämäärän mukaisesti. Solu on fyysisesti tukiasema, johon kuuluu antennilla varustettu masto ja yhteydet toisiin tukiasemiin. Kun puhelimen tai mobiili-internetin käyttäjä on tarpeeksi lähellä tukiasemaa, kulkee kaikki liikenne tämän tukiaseman kautta. Mikäli käyttäjä siirtyy pois tukiaseman alueelta tai menettää siihen yhteyden siirtyy hän toisen, lähempänä olevan tukiaseman varaan.

Radiorajapintana UMTS-verkoissa käytetään W-CDMA:ta (Wideband Code-Division Multiple Access). W-CDMA on standardi, joka määrittelee verkossa käytettävän radioliikenteen ominaisuudet, esimerkiksi W-CDMA:n käyttämän radiokanavan kaistanleveys on 5Mhz.

Suomessa 3G-verkkoja on käytössä Elisalla, Soneralla, DNA:lla ja Ahvenanmaalla Ålands Mobiltelefonilla. Verkko ei ole kuitenkaan saatavilla kaikkialla ja tällöin matkapuhelimet käyttävät vanhaa 2G- eli GSM-verkkoa.

Tehtävä 3

Tehtäväkuvaus: Valitse haluamasi aihealue (esim. omasta terminologiastasi/aihepiirilistasta (oppimispäiväkirja)) Etsi aihepiiriin liittyvä protokolla Tutustu protokollaan (rakenne, logiikka, viestit, …) ja mieti kuinka protokolla vaikuttaa valitsemasi aihepiirin toimintaan. Esitä www-osoite käyttämääsi protokollaan.

HUOM! Kannattaa etsiä protokollia vaikkapa www.isoc.org , www.w3c.org (Internet) www.etsi.org Huom2! Painopiste ei ole niinkään hienon standardin löytymisessä vaan siinä, että löytää omaan aihepiiriinsä vaikuttavia tekijöitä ja sitä kautta oppii lisää kokonaisuudesta ja yleensäkin protokollien toiminnasta.

Vastaus: HTTP (HyperText Transfer Protocol) on OSI-mallin sovelluskerrokseen kuuluva protokolla, joka huolehtii internet-selaimen ymmärtämästä liikenteestä palvelimien ja asiakkaiden välillä. HTTP on eräs tärkeimmistä internetin toimintaan liittyvistä protokollista ja vastaa suoraan siitä, mitä käyttäjälle internetin välityksellä esitetään.

Logiikka HTTP perustuu asiakkaan ja palvelimen käymään keskusteluun. Pääsääntöisesti asiakas pyytää palvelimelta jotain toimintoa erilaisilla request-metodeilla (mm. GET, POST) ja palvelin vastaa näihin pyyntöihin lähettämällä asiakkaan haluaman resurssin. Viestin alussa on protokollan otsikkotiedot joihin kuuluu mm. mikä http-versio on käytössä, päiväys, palvelimen tietoja ja vastausviestin tapauksessa kuvaus lähetyksen datasta (MIME-tyyppi), eli onko kyseessä tekstiä, kuvaa vai ääntä.

Viestit (lähteenä wikipedia) Sivun pyyntö palvelimelta:

GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com

Palvelimen vastaus:

HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 23 May 2005 22:38:34 GMT
Server: Apache/1.3.3.7 (Unix) (Red-Hat/Linux)
Last-Modified: Wed, 08 Jan 2003 23:11:55 GMT
Etag: “3f80f-1b6-3e1cb03b”
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 438
Connection: close
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
[data]

Vaikutukset HTTP vastaa käytännössä kaikesta Internet-selaimissa näkyvästä ja onkin siis WWW:n toiminnan kannalta yksi ydinprotokollista.

Tehtävä 4

Tehtäväkuvaus: Tunneilla käytiin läpi erilaisia siirtoteitä ja siirtoteillä käytettyjä tiedonsiirtomenetelmiä. Valitse jokin “tuttu” järjestelmä (esim. Oppimispäiväkirjaan valitsemasi, GSM, GPS, Digi-TV). Etsi verkosta tietoa kuinka juuri kyseisessä järjestelmässä tiedon siirto on hoidettu. Esim. Fyysinen siirtotie, Bittien esitys siirtotiellä, Modulointi etc. tekniikka, Datan esitysmuoto vs. signaalit

HUOM! Painopiste ei ole niinkään uusien, mahdollisesesti kurssilaisille täysin tuntemattomien teknologioiden etsimisessä ja selostuksessa vaan lähinnä käytettyjen menetelmien sijoittamisesta oikeaan kontekstiin kurssin materiaalin mukaisesti.

Vastaus - GPS: Global Positioning System eli GPS on maailmanlaajuinen paikannussatelliittijärjestelmä, jolla maan päällä sijaitsevia GPS-vastaanottimia voidaan paikantaa. Paikannus perustuu GPS-satelliittien lähettämiin koodattuihin kellosignaaleihin, joiden perusteella voidaan laskea vastaanottimen sijainti.

Fyysinen siirtotie: GPS käyttää radiokaistaa ja toimii 1,57524 GHz taajuudella siviilikäytössä ja 1,2276 GHz taajuudella sotilaskäytössä.

Bittien esitys siirtotiellä GPS signaali käyttää CDMA-kanavointia. Kaikki satelliitit lähettävät samalla taajuudella. Satelliitin lähettämä viesti koodataan jokaiselle satelliitille yksilöllisellä näennäissatunnaisluvulla.

Modulointi Siviilikäytössä kantoaalto moduloidaan C/A- (Coarse/Acquisition) koodilla, joka on mahdollista demoduloida kaikissa paikannuslaitteissa.

Tehtävä 5

Tehtäväkuvaus: Käyttöskenaariot Muodosta tietoverkkojen käyttöskenaario yhteen seuraavista ympäristöistä: Koti, Koulu, Kaupungin keskusta tai Lentokenttä. Mieti millaisia haasteita eri ympäristöt asettavat kommunikoinnille. Kuinka kurssilla opitut asiat tukevat eri ympäristöissä tapahtuvaa kommunikointia. Millaiset asiat muodostuvat näissä eri ympäristöissä merkittäviksi. Millainen verkkorakenne sopii ympäristöön ?

Vastaus - lentokenttä: Lentokentällä on tarve useille erilaisille verkoille ja tiedonsiirtoyhteyksille, mutta kriittisimmän muodostaa kommunikointi lentokoneiden ja lennonjohdon välillä, sekä tutkasignaalit. Näiden tietoliikenneyhteyksien tulee olla kunnossa koko ajan. Lennonjohdon ja lentokoneiden välillä kommunikointitavaksi soveltunee normaali radioyhteys puheliikenteeseen, sekä jonkinlainen datayhteys. Tutkien lähettämä data lienee parasta siirtää kaapeleita pitkin lennonjohdolle häiriöiden välttämiseksi.

Lentokentällä tarvitaan myös jonkinlainen verkko asiakkaiden ja toimistohenkilöstön välillä. Tähän soveltunee hyvin ihan perinteinen yritys-lan, koska se on suhteellisen varma, mutta jos tapahtuu tietokatkos, ei kukaan silti joudu hengenvaaraan.

Lopuksi matkustajille voidaan tarjota terminaalissa erillinen avoin, langaton vierasverkko jota kautta lentoaan odottelevat matkustajat voivat kuluttaa aikaansa.

Lentokoneideen ohjaukseen tarvittavien tietoliikenneyhteyksien tulee olla täysin eristetty mahdollisista muista verkoista, jottei vaarantavia häiriöitä tai jopa verkkohyökkäyksiä voi syntyä.

Kaikki tietoliikenneyhteydet voidaan rakentaa suoraan kurssilla opituilla tekniikoilla.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1
    • Lähiopetus 0 h (luento peruttu)
    • Valmistautumista lähiopetukseen 1 h
    • Kotitehtävien tekoa 0 h
  • Luentoviikko 2
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 1 h
    • Kotitehtävien tekoa 0 h
  • Luentoviikko 3
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 0 h
    • Kotitehtävien tekoa 3 h
  • Luentoviikko 4
    • Lähiopetus 5 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 1 h
    • Kotitehtävien tekoa 8 h

Palaute

Hyvä kokoaisuus kotitehtävissä.

Pääsivulle