meta data for this page
  •  

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Kurssin aluksi opiskelijat kirjaavat näkemyksensä tietoliikenteestä tähän kohtaan omaa oppimispäiväkirjaansa. Näkemys sinällään ei tarvitse olla pitkä selostus max 10 riviä tekstiä ja max 10 avainsanaa.

Ennakkotehtävä 1. “Mitä tietoliikenne minulle merkitsee kurssin alussa?”

Tietoliikenne on erottamaton osa joka päiväistä toimintaa. Tavallinen arki muuttuis melko hankalaksi ilman toimivaa tietoliikennettä, sillä se liittyy kännykällä soittamiseen ja netissä surfaamiseen, tietokoneella työskentelyyn (netti, sähköposti jne.), TV:n katseluun jne. Toimiva tietoliikenne takaa sen, että kotona on lämmintä ja jääkaapissa kylmää, hanasta tulee vettä ja rahaliikenne toimii, autolla voi ajaa sujuvasti kun liikennevalot jne. toimivat yhteistyössä keskenään ja sitä rataa.

Tietoliikenteen olennainen osa on saatavuus ja luotettavuus/turvallisuus. Siis yhteydet soimivat silloin kun niitä tarvii, data siirtyy ehjänä perille eikä kukaan ulkopuolinen pääse sitä katselemaan tai muokkaamaan.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Piirikytkennässä kommunikoivien pisteiden välille muodostetaan “varattu linja” eli matkalla olevien solmupisteiden välillä on yksi kanava varattu kommunikointiin vrt. vanha käsivälitteiden puhelu
  • Pakettikytkennässä data pilkotaan osiin ja lähetetään pieninä paketteina. Paketit matkaavat solmusta toiseen kunnes päätyvät vastaanottajalle, vrt. postilähetys
  • ATM (Asynchronous Transfer Mode) kiinteän kokoisia paketteja lähetetään solusta toiseen, kahden edellä mainitun yhdistelmä
  • Ethernet, Packet over SONET, xDSL
  • Protokolla sisältää listan sovituista tehtävistä ja niiden suoritusjärjestyksen, jotka pitää tehdä, jotta datan siirto onnistuisi
  • Protokolla-arkkitehtuuri/kerrosarkkitehtuuri jakaa logiikan erikseen suoritettaviin alitehtävä-moduuleihin. Moduulit ovat pinossa kerroksittain ja kukin kerros hoitaa tietyt tehtävät. Muutokset yhteen kerrokseen eivät (ei pitäisi) vaikuta toisiin kerroksiin.
  • Kommunikointi tapahtuu aina alimman kerroksen kautta, vrt. kerrostalo
  • Yleistettynä kommunikointiin liittyy: sovellukset, laitteet ja verkot –> sovellus-, kuljetus- ja verkkokerros
  • Jokaisen kerroksen paketit (PDU) sisältävät sekä dataa että ohjausinformaatiota, joka toteuttaa protokollan
  • OSI (Open Systems Interconnection): modulaarinen, 7 kerrosta, jotka palvelevat ylempiä kerroksia ja toteuttavat samalla tiettyjä tehtäviä, kerrokset toisistaan riippumattomia muutosten suhteen
  • TCP/IP: 5 kerrosta (sovellus, kuljetus, verkko, linkki, fyysinen)

Luentopäivä 2:

  • Protokolla koostuu syntaksista, semantiikasta ja ajoituksesta
  • Protokollien toimintoja segmentointi ja kokoaminen, paketointi, yhteyden hallinta, toimitus oikeassa järjestyksessä, vuon valvonta, virheen havainnointi, osoitteet, kanavointi ja kuljetuspalvelut
  • Ohjausinformaation lisääminen pakettiin = paketointi
  • Kommunikointi joko yhteydettömästi tai yhteydellisesti
  • Yhteyden hallinnassa tietoyksiköt numeroidaan –> mahdollistaa oikean järjestyksen, virheenkorjauksen ja vuon valvonnan
  • Vuon valvonnassa liukuvan ikkunan menetelmä tehokas (sliding-window depiction)
  • Virheentarkkailu havainnoimalla, saapuneiden pakettien vahvistamisella, uudelleenlähetyksellä tietyn ajan jälkeen ja virheellisten pakettien vahvistamisella
  • Osoitustaso viittaa kommunikoivan olion tasoon järjestelmässä
  • Globaali osoitus = yksikäsitteinen ja kaikialla käytettävissä, esim. IP
  • Osoitustila: osoite joko unicast, multicast tai broadcast
  • Kuljetuspalvelut esim. prioriteetti, palvelutaso, palvelun laatu, tietoturva
  • Verkkopuolella pyritään yhteisiin standardeihin
  • Verkkopuolella vähemmän ihan oikeita standardeja, normaalisti ovat RFC eli Request For Comments, jotka käyttäytyvät kuitenkin kuin standardit
  • Internetin standardoinnin ydit IETF (The Internet Engineering Task Force), jota ohjaavat IAB (Internet Architecture Board) ja IESG (Internet Engineering Steering Group). Ed. kattojärjestö ISOC (Internet Society)
  • Standardointiprosessi: Internet Draft –> Proposed Standard –> Draft Standard –> Internet Standard
  • Lisäksi löytyy Best current practice, Informational, Experimental
  • Historic kertoo RFC:n ja standardin tilan
  • IETF:lla 8 aihealuetta, joilla väliaikaisia työryhmiä ratkomassa “ongelmia”
  • Lisäksi tietoliikenteeseen vaikuttavat ISO, ITU, ITU-T ja IEEE sekä IEC
  • Tiedonsiirron onnistumiseen vaikuttavat signaalin laatu ja tiedonsiirtotien ominaisuudet
  • Simplex (TV), half duplex (PMR) ja full duplex (puhelin)
  • Signaali muodostuu useista taajuuksista, komponentit sini-aaltoja
  • Spektri = sigaalin sisältämät taajuudet
  • Absoluuttinen kaistanleveys = spektrin leveys
  • (Tehollinen) kaistanleveys = suurimman osan lähetettävästä energiasta sisältävät taajuudet
  • DC komponentti = nolla-taajuuden komponentti
  • Tiedonsiirtonopeus ja kaistanleveys ovat suoraan riippuvaisia toisistaan
  • Tiedonsiirron mahdollisia ongelmia: signaalin vaimeneminen, viive vääristymä, kohina/melu
  • Ylikuulumista voi tapahtua kun eri yhteyksien lähettävä ja vastaanottava pää ovat lähekkäin
  • Optiset kuidut 100-1000THz, monimuoto ja yksi-muotokuituja
  • Monimuotokuidut askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia
  • Monimuotokuiduissa signaalipulssin dispersiota
  • Satelliittilinkit eräänlaisia mikroaaltolinkkejä, 1-10 GHz paras alue

Luentopäivä 3:

  • Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L): kaksi jännitettä –> 0=0v ja 1=+XV tai neg ja pos jännite eri arvoille
  • Nonreturn to Zero Inverted (NRZI): jännite vaihtuu aina ykkösen tullessa
  • Bipolar-AMI: enemmän kuin kaksi tasoa, 0=ei signaalia, 1=pos tai neg pulssi, jotka vuorottelevat
  • Multilevel Binary Pseudoternary: kuten Bipolar-AMI, mutta nollan ja ykkösen toiminta päinvastainen
  • Manchester Encoding: siirtymä keskellä kutakin bittijaksoa, 1=low to high, 0= high to low
  • Differential Manchester Encoding: muutos bittijakson keskellä kellottaa, muutos jakson alussa =0 ja ei muutosta jakson alussa =1
  • Scrambling: korvataan pitkä vakiojännitettä tuottavat jaksot
  • ASM-modulaatio: Eri amplitudi ykkösellä ja nollalla, esim. 0 ja X
  • BFSK-modulaatio: eri signaalin taajuus ykkösellä ja nollalla
  • BPSK-modulaatio: amplitudi ja taajuus aina sama, vaihe vaihtuu bitin vaihtuessa ykkösestä nollaksi ja päinvastoin
  • Quadrature Amplitude Modulation: ASK ja PSK yhdistelmä, käytössä esim. ADSL:ssä, kaksi eri signaalia samaan aikaan samalla kantotaajudella
  • Pulse Code Modulation (PCM): näytteenottotaajuus= 2xsuurin näytteen taajuus
  • Delta modulaatio: input approksimoidaan rappufunktiolla, joka voi liikkua ylös tai alas yhden rapun/näytteenottojakso –> ylös=1 ja alas=0
  • Analogi datan ja signaalien modulointi amplitudilla, taajuudella tai vaiheella lähetyksen tehostamiseksi

Luentopäivä 4:

  • linkkejä kahdenlaisia: point-to-point ja broadcast
  • Taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access): signaalit moduloidaan eri taajuuksille, aina analoginen signaali, esim. TV ja ADSL
  • ADSL: monta kantosignaalia eri taajuksilla, teoreettinen maksimi 256 downstreamalikaistaa x 60k = 15,36 Mbps, käytännössä 9Mbps, käyttää Discrete Multitone (DMT) = FDMA sovellus
  • Aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access): Synkroninen: viipaloidaan Muxin puskureista signaali (aikajako), data digitaalista, aikaviipaleista kehyksiä, synkronisessa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi, eri yhteyksillä voi olla eri määrät aikaviipaleita, ei ohjausinformaatiota tai vuonvalvontaa, kehystason tahdistus, käytössä mm. ISDN ja GSM
  • Asynkroninen TDMA eli Tilastollinen TDM jakaa aikaviipaleet dynaamisesti kysynnän mukaan, mux kerää framet täyteen, kysyntähuiput voi olla ongelmia–>input puskuroitava, vaatii ohjausinformaation aikajaksoihin datan yhteyteen
  • Kaapeli-(TV-)modeemi: kolme taajuusaluetta, data up, tv down, data down, kanavat jaettu tilaajien kesken, yleensä asynkroninen TDMA
  • Koodijakokanavointi (CDMA, Code Division Multiple Access): mm. CDM/CDMA kännykät, Spread Spectrum –> häiriönsieto, signaalien piilottaminen ja kryptaus, monta käyttäjää samalla kaistalla ilman häiriöitä
  • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) taajuushypintä, esim. LV241/Tadiran, hidas ja nopea FHSS, nopea parempi
  • Aallonpituusjakokanavointi (WDMA, Wavelength Division Multiple Access)

Luentopäivä 5:

  • mobiiliteknologia perustuu soluverkkoihin, joissa tiuhassa olevat solut kattavat alueen ja niillä on matalatehoiset lähettimet. Lähekkäin olevat tukiasemat käyttävät eri taajuuksia, jotta ei häiritse toisia ja ettei ilmene ylikuulumista
  • soluilla ruutu- tai heksagonaalinen kuvio, joista jälkimmäinen ideaalimpi. Realimaailmassa ei täysin heksagonaalisia maatietellisistä jne. rajoitteista johtuen
  • tukiasemalla 10-50 taajuutta, lähetysteho pyritään minimoimaan
  • kapasiteetin lisäys: lisää kanavia, tajuuksia lainaamalla, soluja pilkkomalla, soluja sektoroimalla (suunta-antennit), mikrosoluja taajamiin (pienempi lähetysteho ja viive, suurempi bit rate)
  • päätteen ja tukiaseman välillä kaksi kanavaa: ohjaus- ja liikenne
  • signaalin voimakkuus oltava sopiva, jotta laatu ok, ei häiritse muita, sietää kohinaa
  • hiipuminen: ajallinen hajonta, muutokset etenemisreiteissä, etenemishäiriöt
  • nopea, hidas, tasainen ja valikoiva hiipuminen
  • 3G: CDMA, 5MHz kaista, eri siirtonopeuksia eri loogisille kanaville, tukee useita samanaikaisia sovelluksia, kullekin palvelulle vain tarvittava kapasiteetti –> tehokas kapan hyödyntäminen, TDMA:n käyttö yksittäisellä CDMA-kanavalla, useita CDMA kodeja
  • 4G: orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), IP pohjainen, hiipuminen ei vaikuta koko signaaliin, intersymbol interference ei ongelma
  • LAN: väylä, rinki, tähti, puu
  • LAN: fyysinen ja linkkikerros
  • MAC: siirtotien kapasiteetin jako ja hallinta, keskitetty tai hajautettu
  • Asynkroninen MAC: round robin, reservation, contention,
  • MAC-prtokollat: channel partitioning, random access, taking turns
  • LAN:ien ydistäminen: reititys tai siltaus
  • laajeneva puu: osoitteiden oppiminen, kehysten välitys, silmukan ratkaisu
  • kerroksen 2 kytkimet: etappivälitys ja läpileikkauskytkin, kehysten välitys raudalla, monta kehystä samaan aikaan
  • hubit tyhmiä = lähettävät kaiken kaikille linjoille, ei puskureita
  • kytmimet valikoivat minne lähettävät, puskurit, “läpinäkyviä”, plug-n-play, itseoppivia
  • aukottamattomassa Alohassa ei synkkausta, kolareita
  • aukotetussa Alohassa kehyksen kokoisia aukkoja, synkkaus, solmut lähettävät aukon alusta aloittaen, kolarin kohdalla uudelleen lähetys
  • Carrier Sense Multiple Access (CSMA): asema kuuntelee koska ei liikennettä ja lähettää sitten, kolarin tunnistus
  • Nonpersistent CSMA:ssa odotetaan määrä aika kanavan vapautumisesta ennen kuin lähetetään
  • 1-persistent CSMA:ssa lähetetään heti kun kanava vapautuu (IEEE 802.3 käyttää)
  • P-persistent CSMA:ssa lähetetään p:n todennäköisyydellä jos kanava vapaa ja odotetaan yksi aikayksikkö 1-p tod.näköisyydellä. Jos varattu, odotetaan kunnes vapaa ja tehdään kuten edellä. Jos lähetys viivästyy yhden aikayksikön, tehdään kuten edellä.
  • CSMA:ssa nopea kolarin tunnistus –> lähetys heti seis
  • random backoff eli kolarin kohdalla odotetaan sattumanvarainen aika ennen uutta yritystä –> kolarin todennäköisyys laskee
  • IEEE 802.3 ja Ethernet käyttävät binary exponential backoff eli kolarin jälkeen 10 seuraavalla yrityksellä backoff aika tuplaantuu, seuraavilla 6:lla pysyy ennallaan ja sen jälkeen lopetetaan jos edelleen kolareita.
  • monikanavajako: lisää nopeutta jakamalla liikenne useille rinnakkaisille kanaville (piuhoille)
  • WLAN: laajan spektrin LAN, OFDM LAN kapea kaista 2,4 tai 5 GHz, IR
  • Spread Spectrum LAN: eri maissa eri säännöt, 900MHz kaistalla paljon muutakin liikennettä –> häiriöitä
  • Four Frame Exchange: Request to Send (RTS) –> Clear to Send (CTS) –> transmit of data –> ACK
  • WLAN käyttää CSMA:ta, ei kolarin tunnistusta
  • autentikointi kättelystä aina julkisen avaimen salaukseen

Kotitehtävä 1

“Kotitehtävä1: Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista. Valitse selkeästi erillisiä laitteita tyyliin tietokone, puhelin, sykemittari, gps, televisio, … ja erilaisista palveluista tyyliin urho-tv, facebook, …. Ajatuksena on, että tässä vaiheessa luodaan kuva tietoliikennetarpeista ja sovelluksista ilman, että vielä pohditaan alla olevia teknologioita. Tämän kuvan olisi hyvä herättää ajatuksia ja kysymyksiä siitä kuinka kaikki toimiikaan. Kirjaa näkyville kolme mielestäsi tärkeintä kysymystä, jotka haluat selvittää. Kurssin edetessä tätä kuvaa laajennetaan sitä mukaan kun uusia osia malliin ilmenee ja lopulta saamme alussa asetettuihin kysymyksiin vastaukset.”

Kysymykset:

  • Miten eri laitteet voivat kommunikoida keskenään?
  • Miten dataliikenne salataan/turvallinen tiedonsiirto mahdollistetaan?
  • Mikä rajaa kunkin tiedonsiirtotavan tiedonsiirtonopeuden?

Kotitehtävä 2

“Kotitehtävät 2. luennon jälkeen: Oppimispäiväkirjan täyttö jälleen luennoilla opituista asioista (tai jos ette olleet luennoilla, niin lukekaa ko. alue ja mitä oppia / kysymyksiä aihealue herätti. Ensimmäisten luentojen kotitehtävissä selvititte laitteita ja palveluita. Tässä kotitehtävässä selvitetään laitteiden ja palveluiden käyttämiä protokollia. Selvittäkää 3 eri protokollaa joita omassa ympäristössänne on käytössä ja etsikää protokollan standardi/määritelmä ja liittäkää kotitehtäväänne linkki ko. protokollaan.”

Kotitehtävän 1 laitteet käyttävät mm. kolmea seuraavaa protokollaa:

  • TCP/IP (mm. nettiliikenne)
  • IEEE 802.11g (WLAN)
  • USB 2.0 kts. usb_20.pdf (mm. tietokoneen ja ulkoisen kovalevyn välillä)

Kotitehtävä 3

Kotitehtävät 3. luennon jälkeen: Oppimispäiväkirjan täyttö jälleen luennoilla opituista asioista. Kolmannessa kotitehtävässä tarkastallaan laitteiden ja palveluiden hyödyntämiä siirtoteitä ja tiedon koodausta. Eli jälleen käsitellään 3 eri tapausta ja niistä käytetty siirtotie ja sillä käytetty koodaus. Jos käytetään ilmatietä niin olisi hyvä selvittää taajuusalue jolla toimitaan.

Kotitehtävän 1 laitteet käyttävät mm. kolmea seuraavaa siirtotietä ja koodausta:

  • lan: johtimellinen, parikaapeli CAT5 (4 johdinta), Manchester
  • usb: johtimellinen, suojattu parikaapeli (4 johdinta), NRZI (Non Return to Zero Inverted) koodaus
  • wlan: johtimeton, radiotie 2,4 GHz, suuntaamaton ympärisäteilevä antenni, OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) koodaus

Kotitehtävä 4

Oppimispäiväkirjan täyttö jälleen luennoilla opituista asioista. Tarkastallaan 4. kotitehtävässä siirtotien/verkon hyödyntämiseen ja tehokkuuteen liittyviä asioita. Riippuen kunkin tarkastelemista laitteista/sovelluksista/teknologioista pohtikaa hieman kuinka valituissa lähestymistavoissa siirtotien/siirtoverkon tehokas käyttö on huomioitu. Onko kyse kanavoinnista vaiko verkkotekniikoista joilla tehokkuus ja yhtäaikainen käyttö saadaan aikaiseksi.

  • WLAN käyttää OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) modulointitapaa eli dataa siirretään useilla rinnakkaisilla kantoaalloilla samanaikaisesti. Signaali jaetaan useille eri taajuuksilla oleville kanaville. OFDM modulointi käyttää sekä TDMA että FDMA kanavointia ja on hyvin häiriösietoinen ja hyödyntää tehokkaasti käytettävissä olevan taajuuskaistan.
  • LAN / Ethernet käyttää Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) tekniikkaa, joka on pakettiperustainen verkkotekniikka (media access control (MAC) protokolla), jossa verkon solmu havainnoi muun liikenteen puuttumisen ennen kuin alkaa lähettää. Käytettävissä oleva siirtotie pyritään käyttämään mahdollisimman hyvin hyödyksi.
  • usb käyttää Asynkroninen TDMA kanavointia eli se jakaa aikaviipaleet dynaamisesti kysynnän mukaan, kanavointilaite kerää framet täyteen, jotta siirtokapasiteetti tulisi hyödynnettyä

Kotitehtävä 5

Kokonaiskuva sovelluksen käyttäytymisestä eli pohtikaa yksittäisen sovelluksen (oma valinta) toimintaa aina sovellustasosta varsinaiseen bittien siirtoon. Pyrkikää luomaan kokonaiskuva, jossa kurssilla käydyt asiat nivoutuvat yhteen. Tietoturva eli tutustukaa tietoturva-asioihin kappaleen 23 (ja 24) mukaisesti ja liittäkää tietoturva aiemmin käsiteltyihin konteksteihin.

FTP-tiedoston siirto

FTP-tiedonsiirtoprotokolla toimii OSI-mallin sovelluskerroksessa ja siirtää tiedostoja TCP/IP-protokollaa hyväksikäyttäen. Tiedonsiirto alkaa ohjausyhteyden muodostamisella, jossa asiakkaan (=yksittäinen käyttäjä) järjestelmä ottaa yhteyden palvelimen porttiin 21. Tämä ohjausyhteys pysyy avoinna koko istunnon ajan. Ohjausyhteyttä käytetään ohjaustiedonsiirtoon asiakkaan ja palvelimen välillä. Palvelin vastaa pyyntöihin kolminumeroisin ASCII-koodein, joiden lisäksi saattaa olla tekstimuotoinen viesti.

Varsinainen datansiirto tapahtuu datayhteyden kautta. Tämän yhdeyden voi muodostaa joko palvelin tai asiakas tilanteesta riippuen. Jos asiakas on aktiivitilassa palvelin avaa TCP-yhdeyden portistaan 20 asiakkaan ilmoittamaan IP-osoitteeseen ja porttiin. Aktiivitilassa asiakas voi olla suorassa yhteydessä palvelimeen. Passiivitilassa asiakas ei voi olla suorassa yhdeydessä palomuurin tms. takia ja tällöin asiakas ottaa datayhteyden palvelimen kanssa sovittuun porttiin.

Varsinaisessa tiedonsiirrossa asiakkaan PI (=protocol interpreter) lähettää FTP-käskyn palvelimen PI:lle, joka lähettää FTP-vastauksen. Jos käskynä oli esim. lähettää asiakkaalle tietty tiedosto, palvelimen PI antaa DTP:lleen (=data transfer process) käskyn lähettää ko. tiedosto asiakkaalle. Palvelimen DTP on yhteydessä palvelimen tiedostojärjestelmään ja lähettää tiedoston asiakkaan DTP:lle, joka puolestaan on yhteydessä asiakkaan tiedostojärjestelmään. Asiakkaan DTP on yhteydessä asiakkaan PI:hin, joka puolestaan on yhteydessä asiakkaan käyttöliittymään, josta järjestelmää käyttävä ihminen näkee tiedoston siirtymisen ja antaa haluamiaan komentoja sovellukselle.

Normaali FTP-yhteys on salaamaton ja siksi kuka tahansa voi lukea asiakkaan ja palvelimen välillä kulkevaa dataa. Järjestely on siksi tietoturvan kannalta hyvin turvaton. Nykyään monet FTP-ohjelmat osaavat ottaa salatun yhteyden palvelimeen jolloin järjestelmien välillä kulkevaa tietoa ei ole mahdollista ulkopuolisten lukea. Tällöinkin on mahdollista, että asiakas harhautetaan vihamieliselle palvelimelle, joka urkkii tunnukset ja salasanat tai asiakas voi joutua man-in-the-middle hyökkäyksen uhriksi. Esimerkkinä salattuun tiedonsiirtoon kykenevästä FTP-sovelluksesta voi mainita WinSCP:n (monia muitakin on), joka ottaa SSH-yhtyden palvelimeen. Se osaa käyttää sekä SSH1 että SSH2 protokollaa ja salauksena on mahdollista käyttää seuraavia: AES, Blowfish, 3DES, Arcfour ja DES.

Hyvää oheislukemista aiheesta kiinnostuneelle on RFC 959.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1

Itseopiskelu: 6 h Harjoitukset: 2 h

  • Luentoviikko 2

Itseopiskelu: 8 h Harjoitukset: 2 h

  • Luentoviikko 3

Itseopiskelu: 7 h Harjoitukset: 2 h

  • Luentoviikko 4

Itseopiskelu: 9 h Harjoitukset: 4 h

  • Luentoviikko 5

Itseopiskelu: 9 h Harjoitukset: 4 h


Pääsivulle