Jukka Johanssonin kurssisivu

Oppimispäiväkirja

Ennakkotehtävä 1.

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.

Tietoliikenne koskettaa varmaankin kaikkia länsimaisissa yhteiskunnissa asuvia ja siis myös minua. Työskentelen tietojärjestelmiä rakentavassa yrityksessä ja myös siellä tietoliikenne portteineen ja palomuurien avauksineen ovat tietojärjestelmätyön taustalla. Tietoliikenneasioita edistävät yrityksessä siihen erikoistuneet ammattilaiset. Sen takia suhdettani tietoliikenteeseen voi kuvata käsitteellä etäinen. Opiskelin jo 90-luvulla tietoliikennekursseja. OSI ja TCP/IP olivat tietysti jo silloin yleisessä käytössä. Reilun 10 vuoden aikana tietoliikenteet keskeiset peruspalikat näyttävät säilyneen ennallan, vaikka maailma on tietoliikenteen käyttökohteiden osalta muuttunut valtavasti. Keskeisiä asioita lienevät tiedonsiirto-, muisti- ja laskentakapasiteetin valtava kasvu ja tämä on omalta osaltaan mahdollistanut loppukäyttäjälle tarjottavien palvelujen määrän ja momimuotoisuuden räjähdysmaisen kasvun. Lisäksi langattomien päätelaitteiden suorituskyky ja kirjo sekä niihin tarjottavien erilaisten palveluiden lukumäärät ovat kasvaneet valtavasti.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1

Avausluennolla käytiin läpi yleisiä asioita tietoliikenteen trendeistä, internetin toiminnasta ja syistä siihen miksi on päädytty kerrosarkkitehtuurityyppisiin ratkaisuihin. Itselle erityisen mielenkiintoinen kalvo löytyi setistä johdatus kurssille. Siinä käsiteltiin tietotekniikan eri aikakausia alkaen mainframesta, PC-aikakaudesta, Internetin tulemisesta, hajautetusta ja ubiikista tietojenkäsittelystä. Olen reilun vuosikymmenen työskennellyt eri firmoissa vakuutusalan tietojärjestelmien parissa ja vakuutuksissa sekä rahoitusbisneksessä mainframe on vielä vallitseva käytäntö. Tavallaan eri teknologiat ovat sulautuneet yhteen, kun esim. rahansiirtojen mainframen eräajojen tuloksia voi loppukäyttäjä käydä katsomassa kotikoneeltaan internetin yli verkkopankista.

Luentopäivä 2

Toisella luentopäivällä tutustuttiin protokolliin. Ne kuvaavat yhteydenpitokielen eri järjestelmien välille ja ovat näin tietoliikenteessä keskeinen asia. Protokollien keskeisiä toimintoja ovat segmentointi ja kokoaminen, paketointi, yhteyden hallinta, vuon valvonta, virheenkorjaus ja -tarkkailu, osoitteiden hallinta, kanavointi sekä erilaiset kuljetuspalvelut. Kävimme lisäksi läpi standardeja, jotka tuntuvat hieman kaukaiselta asialta, vaikka suunnilleen kaikki tuntuvatkin tietävän numerosarjan 802.11. Kävimme läpi tiedonsiirron vaatimuksia. Keskeiset vaatimukset ovat välitettävän signaalin laatu välitysaineen laatu.

Luentopäivä 3

Kolmantena luentopäivänä kävimme läpi fyysisiä siirtotietä, joista esiteltiin johtimelliset (parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu, sähköjohto) ja johtimettomat (mikroaaltolinkit, satelliittilinkit, radiotie, infrapunalinkit). Tutustuimme singaalin koodausmenetelmiin, jotka poikkeavat toisistaan analoogisen ja digitaalisen signaalin osalta. Digitaalisen signaalin muunnossa eli moduloinnissa ja demoduloinnissa on keskeistä tietää bittien ajoitus, signaalin voimakkuus, häiriöiden määrä, datavirran määrä, kaistanleveys ja koodaausskeema. Digitaalisen signaalin muunnossa analogiseen on käytössä pulssikoodimodulointi (PCM) ja deltamodulointi. Tutustuimme teoriatasolla näihin molempiin. Myös analogista signaalia voidaan edelleen moduloida analogiseksi esim. korkean taajuuden aikaansaamiseksi tai multipleksoinnin eli kanavoinnin takia. Tutustuimme asynkronisen ja synkronisen tiedonsiirron eroihin. Näiden avulla synkronoidaan lähettäjän ja vastaanottajan kellot. Asynkronisesssa perusperiaatteena on lähettää pienempiä “dataryppäitä” ja synkronisessa tasaista tietovirtaa. Tiedonsiirrossa fyysisen kerroksen data link control -protokolla huolehtii sanomakehyksien synkronoinnista, tietovirran kontrollista, virhekontrollista, osoitteista, datan kontrolloinnista sekä yhteyden hallinnoinnista.

Luentopäivä 4

Neljäntenä luentopäivänä kävimme läpi multipleksoinnin eli kanavoinnin ideaa. Perusperiaatteena on jakaa siirtokapasiteettia useamman siirrettävän signaalin kesken, jollloin siirtotien hyötysuhde ja kustannustehokkuus paranee. Kanavointi voidaan jakaa taajuusjakokanavointiin (Frequency Division Multiple Access), Aikajakokanavointiin (Time Division Multiple Access), Koodijakokanavointiin (Code Division Multiple Access) ja Aallonpituusjakokanavointiin (Wawelength Division Multiple Access). ADSL eli Asymmetric digital subscriber line on monesta kodista löytyvä yhteys internetiin. Ratkaisu perustuu alunperin puhelinkäyttöön tarkoitetun parikaapelin hyödyntämiseen internet-palveluissa. Epäsymmetrinen tiedonsiirto ei ole loppukäyttäjälle ongelma, sillä downstream tarve on netin käytössä yleensä paljon upstreamia suurempi. Datanopeudet ovat uudemmissa ADSL2+ -liittymissä jopa 20-24 Mbps. Liittymän hyvänä puolena on vielä se, että loppukäyttäjä saa koko kaistan omaan käyttöönsä eikä sitä tarvi jakaa kuten kaapelimodeemiyhteyksissä. Tutustuimme käsitepareihin teleliikenne vs. dataliikenne ja piirikytkentä vs. pakettikytkentä. Tyypillisesti teleliikenteessä (puhelinliikenne) tarvitaan piirikytketty yhteys eli lähettäjä ja vastaanottaja ovat kommunikointiväylän kautta kytketty toisiinsa. Dataliikenteessä (internetliikenne) riittää pakettikytkentä jolloin data siirtyy paketteina eikä lähettäjän ja vastaanottajan välillä ole suoraa kytköstä. Neljännen luentokerran materiaaleissa esiteltiin vielä dataverkkojen ruuhkien käsittelymenetelmiä ja reititystapoja.

Luentopäivä 5

Viides luentopäivä käsitteli matkapuhelinverkkoja, langallisia ja langattomia lähiverkkoja sekä internettiä. Keskeinen teema on siirtyä suuremmista antenneista ja suuremmista yhden antennin peitoista pienempiin solukokoihin, pienempiin tehoihin. Tämän avulla saadaan lisää taajuuksia ja kanavia ja kapasiteettia käyttöön. Lisäksi tutustuttiin 3G- ja 4G-verkkoihin. Luentopäivän materiaaleissa käsiteltiin myös LAN-verkkoja (Local Area Network), lähiverkkojen siirtoteitä (10Base5, 10Base2, 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT) ja topologioita (väylä, puu, rengas, tähti), kaapelointien verkkoliittimiä (RJ-45, AUI, BNC), arkkitehtuuria (OSI:n fyysinen kerros ja linkkikerros). Materiaalissa käytiin läpi sitä kuinka LAN-verkkoja yhdistetään toisiin LAN-verkkoihin tai WAN-verkkoihin siltauksen tai reitityksen avulla. Virtuaalisessa lähiverkossa jako aliryhmään tapahtuu ohjelmiston avulla. Internetworking arkkitehtuurissa verkkojen välinen linkkaus tapahtuu fyysisellä linkillä ja linkinhallinnalla. Reititykseen ja datan siirtoon käytetään reitittimiä ja siltoja. Verkko on pakettikytkentäinen ja keskeisiä protokollia ovat IP, TCP ja UDP.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

tietoliikennekuva1_jukkajohansson.pdf

Kysymys nro 1: Haluaisin oppia lisää siitä kuinka kotiverkkoni laitteet eli kännykkä, läppärit, kaapelimodeemi, verkkokovalevy ja televisio keskustelevat eri protokollilla keskenään.

Kysymys nro 2: Minua kiinnostaisi kuulla enemmän mahdollisuuksista ja haasteista nopeiden laajakaistojen levittämisestä haja-asutusalueille. Luin jokin aika sitten uudesta keksinnöstä, jonka avulla tukiasemien peitto kasvaisi nykyisestä huomattavasti.

Kysymys nro 3: Onko kapasiteetin kasvulla rajoja. Vertaa ns. Mooren laki mikropiireissä.

Kotitehtävä 2

Selvittäkää 3 eri protokollaa joita omassa ympäristössänne on käytössä ja etsikää protokollan standardi/määritelmä ja liittäkää kotitehtäväänne linkki ko. protokollaan.

UCI-protokolla. Pelaan shakkia ja tietokoneshakissa on jo pitkään jaettu ohjelmistot engineihin, joiden tehtävä on keksiä mahdollisimman vahvoja siirtoja ja käyttöliittymiin, joiden tehtävä on tehdä pelikokemuksesta mahdollisimman miellyttävää. Näiden välille on kehitetty protokolla, jonka avulla eri enginet voi liittää johonkin markkinoilta löytyvään käyttöliittymään. http://wbec-ridderkerk.nl/html/UCIProtocol.html

Toinen protokolla liittyy ADSL-yhteyteeni ja ADSL-moodemin ZyXEL Prestige P660HW-D1 ADSL2+ reititin/tukiasema + firewall + WLAN G + SuperSpeed data link -kerroksen protokollaan PPP (Point-to-Point Protocol), jota modeemini tukee. Protokolla toimii OSI-mallin Linkkikerroksen (Data Link) protokollana ja puhelinverkko- ja modeemiyhteyksissä, mutta sitä käytetään myös laajakaistayhteyksissä kuten minun tapauksessani. PPP on kuvattu RFC:n muistiossa 1661 (http://tools.ietf.org/html/rfc1661) heinäkuussa 1994. Protokollaa on kehitetty vuosien varrelle ja uusimmat versiot tukevat IPv6 verkkoavaruutta.

Kolmas protokolla liittyy langattoman lähiverkkoni WPA-PSK menetelmällä tapahtuvaan suojaukseen. Kyseessä on langattomien lähiverkkojen tiedon suojaukseen tarkoitettu protokolla Temporal Key Integrity Protocol (TKIP). Löysin protokollasta tietoa täältä: http://jcbserver.uwaterloo.ca/cs436/handouts/miscellaneous/Intel_Wireless_2.pdf

Kotitehtävä 3

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.

1. Laite: Modeemi/reititin/tukiasema ZyXEL Prestige P660HW-D1 Kotitietokoneelta on yhteys Internet-verkkoon ADSL2+-yhteyden kautta. Kotikoneeni on tyypillisesti kytketty modeemiin parikaapelilla, mutta modeemi on myös langaton tukiasema. Modeemi on mallia ZyXEL Prestige P660HW ja laitteesta löytyy reititin/tukiasema, palomuuri, 54Mbps:n IEEE802.11g WLAN-tukiasema. Kaapelimodeemista löytyy myös tuki VPN-yhteyksille ja tätä tarvitsen kytkiessäni työkoneeni kotiverkkoon. Keskityn seuraavassa tietokoneen ja tukiaseman väliseen langattomaan tiedonsiirtoon. Siirtotie on siis ilma ja modeemin antenni on ympärisäteilevä. Modeemi tukee kahta taajuutta eli 2.4Ghz ja 5Ghz. Ymmärrykseni mukaan modeemi koodaa signaalin langattomalle siirtotielle OFDM-metodilla (Orthogonal frequency-division multiplexing).

2. Laite: Verkkokortti Intel Wireless WiFi Link 5100 Kotikoneeni verkkokortti tukee taajuuksia 2.4Ghz ja 5 Ghz sekä OFDM-modulointia ja maksimissaan 54Mbps:n langatonta tiedonsiirtonopeutta.

3. Laite: Samsung I9100 Galaxy S II Käytän laitetta sekä 3G-matkapuhelinverkossa, että kotini WLAN-verkossa. Keskityn seuraavassa 3G-verkkoon ja sen koodaukseen. Elisan sivuston http://www.elisa.fi/kuuluvuus/ mukaan kotiseudullani eli Helsingin Viikissä on käytössä UMTS2100-verkko (UMTS = Universal Mobile Telecommunications System), joka toimii siis 2.1Mhz:n taajuudella. Puhelimen mukaan signaalin voimakkuus on 95dBm. Ymmärrykseni mukaan UMTS hyödyntää WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) radiotekniikkaa ja HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) ja HSDPA+ ovat protokollia joilla nopeutetaan verkon tiedonsiirtoa edelleen. HSDPA käyttää moduloinnissa tekniikoita QPSK, 16-QAM, 64-QAM ja QPSK.

Kotitehtävä 4

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.

Modeemi/reititin/tukiasema ZyXEL Prestige P660HW-D1 ja Verkkokortti Intel Wireless WiFi Link 5100 pyrkivät hyödyntämään siirtotietä kanavoinnin (multiplexing) avulla. Tuettuja modulointitapoja ovat: DSSS, CCK, 64QAM, OFDM, DQPSK, 16QAM, DBPSK, BPSK jaQPSK. Lueskelin keskustelupalstoilta, että koska ko. laite on melko vanha ja se toimii sekä tukiasemana, reitittäjänä, että modeemina, niin laitteen prosessointiteho muodostuu pullonkaulaksi, jos langattomassa tai langallisessa verkossa Zyxelin portin kautta verkossa on useita laitteita aktiivikäytössä. Testasin asiaa kuormittamalla laitetta yhdellä tietokoneella ja siirsin down-linkkiä pitkin suurta tiedostoa maksimitiedonsiirtonopeudella. Tässä tapauksessa Zyxelin prosessorin kuormitus kasvoi 1,5%:sta 65%:een ja kovin suurta uskoa minulla ei tämän jälkeen ole, että laite kestäisi kotiverkkoni muita laitteita eli paria läppäriä, playstationia, puhelinta ja televisiota, jos nämä olisi kytketty kotiverkkoon samaan aikaan. Keskustelupalstoilla laitteen muodostamaa pullonkaulaa voi pienentää muuttamalla laitteen asetuksia reitittävästä siltaavaksi ja hoitamalla reititys ja toisella laitteella.

Samsung I9100 Galaxy S II UMTS-verkossa HSPA+ poikkeaa perinteisestä piirikytkentäisestä verkosta ja antaa lisää suorituskykyä useiden eri ominaisuuksien avulla. Ensinnäkin UMTS on pakettikytkentäinen verkko. Toiseksi WCDMA hyödyntää kanavointia. Kolmanneksi HSPA+ hyödyntää 64QAM-modulointia, usean antennin tekniikkaa (MIMO = multiple-input and multiple-output) ja usean solun tekniikkaa (Dual Cell tai MultiCell).

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.

Mozilla FireFox 9.01: Yritän päästä selaimella toiselle web-sivustolle ja klikkaan sivuston hyperlinkkiä. FireFox-sovellus muuntaa URL:in DNS:n (Domain N_ame System) avulla IP-osoitteeksi (Internet Protocol address. FireFox lähettää sen jälkeen HTTP-pyynnön (Hypertext Transfer Protocol) tuolle toiselle sivustolle. HTTP-pyyntö lähetetään TCP/IP-mallin sovelluskerroksesta kuljetuskerrokselle. Kuljetuskerroksessa TCP-protokolla tarjoaa kommunikointipalvelua varsinaisen sovelluksen IP:n välillä. Käytännössä TCP muodostaa HTTP-pyynnöstä datasegmenttejä ja lisää niihin TCP-headerin. TCP myös operoi varsinaista datayhteyttä, kontrolloi tietovirtaa ja ruuhkia. Seuraavaksi vuoro siirtyy verkkokerrokselle ja IP-protokollalle. Verkkokerroksessa IP-protokollan versio IPv4 (Internet Protocol Version 4) huolehtii datapakettien siirtymisestä lähdeosoitteesta kohdeosoitteeseen. Seuraavaksi vuoroon linkkikerros, joka on hardwaren looginen “käyttöliittymäkerros”. Tästä kerroksesta löytyy ADSL2+ -standardi (Asymmetrical Digital Subscriber Line 2 Plus), jolla moduloidaan ja kanavoidaan digitaalinen signaali analogiseksi siirtotielle. ADSL2+ käyttää OFDM-modulointia (Orthogonal frequency-division multiplexing). Varsinaisessa fyysisessä kerroksessa toimii Cat5-parikaapeli, joka on suojaamaton ja jossa kaistanleveys on 100MHz. Signaali etenee kaapelissa analogisessa muodossa. Toisessa päässä signaalin muuntuminen sovelluksen ymmärtämäksi komennoksi tapahtuu päinvastaisessa järjestyksessä. Tietoturvasta huolehditaan monella tasolla. Tietokoneessa on käytössä virustorjunta- ja palomuuriohjelmistot. Modeemista löytyy ominaisuus palveluestohyökkäyksen hallintaan. TCP/IP-protokolla perhe vastaa omalta osaltaan tietoturvasta tiedon luotettavuuden, eheyden ja saatavuuden osalta. IP-protokolla tekee IP-pakettien headereille tarkistussummatarkistuksen. Verkkokerroksesta löytyy IPsec-protokolla ja IPv6:ssa on tulossa IP-protokollalle oma tietoturva-protokolla. Muuten TCP/IP arkkitehtuurista ei löydy sisäänkirjoitettuja tietoturvamekanismeja kuten autentikointi tai salaus. Sovelluskerroksesta tosin löytyy tietoturvaprotokollia kuten SSL (Secure Sockets Layer), TLS (Transport Layer Security) ja SSH (Secure Shell).

Ajankäyttö

Luennot: Pääsin kerran paikalle eli n. 7h + matkustaminen 6h. Materiaalin lueskelu kurssin aikana: 15h. Oppimispäiväkirja: 5h Tehtävät: 30h Tenttiinlukeminen (vielä arvio!): 30h