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: Oma käsitys tietoliikenteestä

Tietoliikenne käsittää käytännössä kaikki mahdolliset toiminnot ja tavat, joilla voidaan siirtää analogista ja digitaalista dataa ja hyödyntää sitä jatkossa. Kokonaisuus voi sisältää yksittäisiä siirtoteitä ja yhdistettyjä verkkoja, joiden toiminta perustuu standartoituihin menenetelmiin, jotta molemmat sekä lähettäjä että vastaanottaja ymmärtävät toisiaan mahdollisimman virheettömästi ja toimintavarmasti.

Nykypäivänä digi-TV ja internet kaikkine erilaisine palveluineen ovat ehkä tärkeimpiä tietoliikenteeseen liittyviä termejä unohtamatta kännykkäverkkoja. Enintään erilaiset WAN-verkot voisivat kehittyä uusien protokollien myötä, mutta sekin prosessi vaatisi monien vuosien tutkimustyötä. Lähipäivien ongelmista tietoliikenteeseen liittyen tuli mieleen VR:n lipunmyyntiongelma, joka ei kokonaan tietoliikenteen virheistä johdu, mutta on ihan varmasti osasyyllinen siihen.

Uudet WLAN-tekniikat ja verkkokokonaisuudet kiinnostaisivat melko paljon. Kuulostaa mukavalta ajatella, että tulevaisuudessa olisi kännykkään mahdollista saada kaikenlaista tietoa ympäristöstä joidenkin antureiden avulla, missä tiedonsiirto on todellakin tärkeimpänä tekijänä.

Avainsanoja:
- Analogisuus
- Digitaalisuus
- Siirtotie
- Verkko
- Standardi
- Digi-TV
- Protokolla
- Internet
- WLAN

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Ensimmäisellä luennolla käytiin ihan siihen liittyen normaalit kurssijärjestelyt läpi. Seuraavaksi oli myöskin ennestään tuttu ennakkotehtävän tekeminen, jotta hahmottettaisiin alkukäsitys kurssiin liittyvistä termeistä.

Seuraavaksi käytiin itselleni tuttu kommunikointimalli lävitse pinnallisesti ja sitten käytiin tarkemmin käsittelemäään siihen liittyviä asioita. Mallin kertaaminen oli ihan mukavaa puuhaa, sillä osa asioista oli kokonaan unohtunut ja muutenkin koen tietoliikenteen kiinnostavaksi asiaksi. Muutamat käytännön esimerkit johtajasta postimiehelle olivat itselleni melko huonoja, mutta ymmärrän niidenkin tarkoituksen kyllä varsinkin ensimmäisellä luennolla.

Ehkäpä seuraava osuus erilaisista verkoista oli hieman hankalampi osuus. Kokonaisuuden hahmottaminen on melko hankalaa sillä pienessäkin verkossa on niin paljon erilaisia ja kiinnostavia yksityiskohtia. Esimerkiksi piiri -ja pakettikytkentöjen erot ja niiden tarkemmat käyttötarkoitukset eivät vielä oikein hahmottuneet.
Isompien verkkojen pinnallisen käsittelyn jälkeen siirryttiin kerrosmalleihin. Pääosin tämä piti sisällään teoreettisen kolmikerrosmallin, johon molemmat OSI -ja TCP/IP-mallit perustuvat. OSI-mallia ei oikein tarkemmin käyty ihan siitä syystäkin, kun se on paljon harvinaisempi näky verrattuna TCP/IP:hen eikä se itseäni pahemmin edes kiinnosta. Kolmikerrosmallia pyörittämällä yritettiin hahmottaa vain sama asia, mikä käytännön esimerkeillä kerrottiin aikaisemmin.

Omaksi ilokseni kerrosmalli käytiin läpi melko yksityiskohtaisesti, missä pystyi hahmottamaan eri kerroksien tehtävät, niiden erot ja käyttötarkoitukset protokollineen. Itse protokollien käyttötarkoitus oli helppo ymmärtää, mutta tarkempi käsittely toi niistäkin uusia piirteitä esiin kuinka ne keskustelevat muodosteneille headereillaan toisilleen.

Kokonaisuudessaan luento jätti mukavan fiiliksen ja tiedonjanon, sillä harvempi asia käytiin tarkemmin läpi, koska painotus oli selvästi kokonaisuuden hahmottamisella. Kiinnostavimmat kohteet olivat eri protokollat ja niiden toiminta omilla kerroksillaan.

Luentopäivä 2:

Toinen luentokerta alkoi omalta osalta pommiin nukkumisella hieman, vaikka Stallingsin kirjaa tulikin kertailtua edellisenä yönä. Luennon ensimmäisenä aiheena jatkettiin protokollien toimintaa hieman tarkemmisssa merkeissä. Niiden perusominaisuudet eli syntaksi, semantiikka ja ajoitus käytiin läpi ja kerrottiin erilaisia esimerkkejä niiden tärkeydestä. Syntaksi pitää sisällään ne kieliopilliset seikat, jotka protokollan on pidettävä sisällään toimiakseen. Semantiikalla tarkoitetaan protokollan toimintalogiikkaa mitä tehdään missäkin tilanteessa. Ajoitus liittyy taas vahvasti sanan merkitysen tietäen protokollan siirtoon liittyvien ajoitustoimenpiteiden kanssa.

Seuraavaksi käsiteltiin protokollien perustoimintoja hyvinkin laaja-alaisesti. Tämä siis tarkoittaa, että kyseiset toiminnot eivät sisällä lähellekään kaikkiin protokolliin vaan käsittää suurimmaksi osaksi sain internetiin liittyvät protokollat. Nämä perustoiminnot voisi luetella seuraavasti:
- Segmentointi ja kokoaminen (Datan pilkkominen pienempiin osiin ja sen liittyminen kokonaisuudeksi)
- Paketointi (Liitetään paketteihin ohjausinformaatio)
- Yhteyden hallinta (Joko yhteydetön tai yhteydellinen)
- Toimitus oikeassa järjestyksessä (Pakettien saapuminen perille oikeassa järjestyksessä)
- Vuon valvonta (Säädellään lähettäjän lähetysnopeutta, nykyään puskuroimalla)
- Virheen havannointi (Yleensä havaitaan headeriin liitettyjen virhesummien avulla tai korjataan koodisanoista purkaamalla)
- Osoitteet (Eri tasoilla tiedetään tiedetään mitä osoitteita käytetään tiedonsiirtoon)
- Kanavointi (Multiplexing eli voidaan käyttää siirtoteitä monia sovelluksia yhdellä tai yksi sovellus monelle)
- Kuljetuspalvelut (Erilaisia tiedonsiirtoon liittyviä palveluja esimerkiksi prioriteettiin ja tietoturvaan liittyen)

Seuraavana oli aiheena standardointi tietoliikenteessä. Tämä alue käsiteltiin hyvin nopeasti lävitse ja kerrottiin sen perusteet ja siihen liittyviä organisaatioita. Kokonaisuudessaan jäi mieleen ainoastaan, että Internetin standardeja valvoo ISOC (Internet Society) ja sen erilaiset alajaostot. Myös Internetin kanssa standardointi on melko dynaamista, sillä kaikki teknologia ja muut asiat muuttuvat Internetin yhteydessä hyvin nopeasti.

Luento jatkui kivasti suoraan tiedonsiirrosta kertovalla osiolla, joka varmaankin oli suurimman osan mielestä melko vaikeasti tajuttavaa materiaalia. Yleisesti alettiin käsittelemään mitä tiedonsiirto merkitsee fysiikan kannalta. Tietohan siirtyy jonkin aineen kautta eli on johtimellinen ja johtimeton tiedonsiirto. Tässä vaiheessa otettiin mukaan erilaisia termejä, joiden merkitystä alettiin tarkemmin selvittämään:
- Analoginen signaali
- Digitaalinen signaali
- Jaksolliset ja jaksottomat signaalit
- Sini-aallon amplitudi, taajuus, vaihe ja aallonpituus
- Taajuusspektri ja kaistanleveys

Tässä vaiheessa yritettiin hahmottaa seuraavien termien yhteyttä. Sitä alettiin käydä läpi sini-aaltoa ja sen ominaisuuksia tutkimalla. Seuraavaksi päädyttiin sellaiseen johtopäätökseen, että mikä tahansa signaali voidaan muuttaa sini-aalloiksi. Näiden avulla muokattiin muutama esimerkki siitä, kun otetaan käyttöön enemmän taajuuskomponentteja. Käytännössä huomattiin, että taajuusspektri muodostaa näistä eri taajuuskomponenteista, joista signaali muodostuu. Taajuusspektrin laajuus taas merkitsee suoraan kaistanleveyden suuruuden. Eli jokaisella signaalilla on rajattu määrä taajuuksia käytettävänä ja suurin osa energiasta on ensimmäisellä komponenteilla, joten signaalin teho ei ole ikinä absoluuttinen teho. Tähän asiaan vaikuttaa suurimmaksi osaksi siirtotie ja sen ominaisuudet.

Signaalien perusteiden jälkeen aloitettiin katsaus analogisen -ja digitaalisen tiedonsiirron eroihin ja niiden ominaisuuksiin. Käytännön ainoa ero niillä on juurikin, että analoginen signaali voi saada mitä tahansa arvoja minimin ja maksiminsa välillä, kun taas digitaaliselle tiedolle on määritelty erilaiset tasot, jotka se voi saada. Tiedonsiirrossa itsessään digitaalisen signaalin käyttäminen on suositeltavaa nykyään, sillä se on halvempaa eikä kohinalla oli siihen niin paljon vaikutusta.

Signaaliin vaikuttaa aina tietyt asiat siirtotiessä. Nämä ovat vaimeneminen, kohina ja joskus viivevääristymä. Vaimeneminen on sanansa mukaisesti vain signaalin vaimenemista etäisyyteen verraten. Kohinan määrä taas johtuu siirtotien ominaisuuksista. Viivevääristymää taas voi tapahtua johtimellisessa siirtotiessä, jolloin tietyt taajuudet saapuvat perille eri aikaan ja signaali voi muuttua kriittisesti.

Luento päätettiin melkoisen tietoannoksen jälkeen, minkä sulattelu vaatii aikansa itse kullakin. Seuraavan luennon olisi taas tarkoitus kertoa mihin tämän luennon loppuosan tietoja eri signaalien ominaisuuksista käytännössä tarvitaankaan.

Luentopäivä 3:

Seuraava luentokerta keskittyi siirtoteihin ja niiden erilaisiin ominaisuuksiin. Ne jaetaan seuraavasti yleisesti esimerkkeineen.

Johtimelliset siirtotiet:
- parikaapeli
- koaksiaalikaapeli
- valokuitu
- sähköjohto

Johtimettomat siirtotiet:
- mikroaaltolinkit
- satelliittilinkit
- radiotie
- infrapunalinkit

Itse johtimellisissa siirtoteissä tiedonsiirtonopeus tai etäisyys johtuu käytettävästä kaistasta. Parikaapeli on niistä yleisin ja halvin vaihtoehto. Se koostuu kahdesta toistensa ympärille kierretystä kuparijohtimesta. Tällä kierrolla on häiriöitä vaimentava vaikutus. Yksi tällainen johdinpari muodostaa aina kommunikointilinkin. Sitä käytetään puhelinverkoissa tilaajajohtimena sekä dataverkoissa digitaalisen signaalin siirtämiseen. Siitä on kaksi yleistä tyyppiä: suojattu ja suojaamaton versio. Suojaus yleensä hoidetaan johtimen ympärille muodostetusta foliosta.

Koaksiaalikaapeli on seuraavana. Parikaapeliin verrattuna sen suurin ero on kahden johtimen sisäkkäisyys. Tämä mahdollistaa jo luonnostaan paremman häiriönsietokyvyn. Sillä on mahdollista käyttää korkeampi taajuuksia, joten sillä on myös korkeampi tiedonsiirtonopeus. Kuitenkin sitä käytetään nykyään ainoastaan enää TV-jakeluverkoissa.

Optinen kuitu on taas 2-125 mikrometrin kokoista valoa läpäisevää johdinta. Nimensä mukaisesti sillä on mahdollista siirtää dataa valon avulla. Tämä mahdollistaa nopeammat tiedonsiirtonopeudet ja pienemmät häiriotekijät. Myös sitä käyttämällä tarvitaan huomattavan paljon vähemmän signaalin toistajia. Valokuitua käytetään nykyään monenlaisten verkkojen ratkaisuihin edellisistä syistä. Valo tuotetaan kuiduissa joko LED:n tai laserin avulla. LEDiä käytetään lyhyemmille matkoille, kun taas laser toimii paremmin pidemmän matkan signaaleita varten.

Johtimettomissa siirtoteissä signaali etenee ilmassa tai muussa väliaineessa antennien välityksellä. Ne lähettävät signaalia joko suunnatusti tai suuntaamattomasti. Tärkeimmät etenemismenetelmät ovat näköyhteyttä pitkin. Tämä käsittää 30 MHz - 300 GHz alueen, sillä niin korkeat taajuudet eivät heijastu ionosfääristä enää. Seuraavana on juuri ionosfääristä heijastuvat signaalit joko sironnalla tai heijastumalla. Vielä radioaalto voi seurata maan pintaa ja liikkua sen mukana. Tällöin puhutaan vain muutaman megahertsin taajuuksista, joita voidaan siinä käyttää.

Antenneja käytetään signaalien muodostamiseen, kun on johtimettomat siirtotiet kyseessä. Samoja antenneja käytetään melkein aina myös signaalin vastaanottamiseen. Antenneja on myös erilaisia omiin käyttötarkoituksiin. Ne ovat ympärisäteileviä, suunta-antenneja, sektoriantenneja tai lautasantenneja.

Mikroaaltolinkkejä käytetään suunnattuun kommunikointiin kahden kohteen välillä. Esimerkkejä käyttökohteista ovat runkoverkot ja point-to-point linkit rakennusten välillä, joissa sekä ääni että data kulkevat. Satelliittilinkit taas ovat eräänlaisia mikroaaltolinkkejä, joissa maassa sijaitsevat lähettimet ja vastaanottimet on linkitetty satelliittien kautta. Yleisimmät käyttökohteet ovat televisiokanavien jakelu ja puhelinliikenne.

Radiotie on myös melko samantapainen kuin mikroaalto -tai satelliittilinkit, mutta suurin ero on sen suuntaamattomuudessa. Tehokkaimmillaan radiotie on 30 MHz - 1 GHz alueella, jolloin ne eivät vaimene liian herkästi. Suurin häiriötekijä niillä on monitie-eteneminen, jolloin signaali voi sirota, heijastua, taipua tai taittua esteiden mukaan. Radiotie on silti eniten käytetty johtimeton siirtotie. Esimerkkejä ovat matkapuhelinjärjestelmät, bluetooth, TV-lähetykset ja langattomat lähiverkot.

Infrapuna on vielä yksi johtimeton siirtotie, jossa käytetään infrapuna-alueella olevaa valoa hyödyksi. Tämä ei läpäise esteitä, joten kohteiden pitää olla näköetäisyydellä toisistaan.

Seuraavana vuorossa oli signaalien erilaiset koodaustavat. Näitä tarvitaan, jotta on mahdollista saada tieto kohteeseen asti mahdollisimman tarkasti.
- NRZ-L (Nonreturn to Zero-Level)
- NRZI (Nonreturn to Zero Inverted)
- Multilevel Binary Bipolar-AMI
- Manchester
- Differential Manchester

Seuraavana olikin modulointitekniikat, joiden avulla muutetaan digitaalinen data analogiseksi signaaliksi jollakin sovitulla tekniikalla.
- ASK (Amplitude Shift Keying)
- FSK (Frequency Shift Keying) tai yleisempi Binary FSK
- BPSK (Binary Phase Shift Keying)
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Kuitenkin kaikkea tätä ennen tarvitaan, että alkuperäinen analoginen data muunnetaan ensin digitaaliseksi, jotta se on mahdollista moduloida. Sitä kutsutaan digitalosoinniksi. Tämä hoidetaan joko PCM (Pulse Code Modulation) tai delta modulaatiolla.

Tiedonsiirtoa varten on pakko, että data saapuu perille kohteeseen sillä tavalla, että se on mahdollista siellä järjestää oikein tai se saapuu sinne jopati oikeassa järjestyksessä. Tähän tarvitaan lähettäjän ja vastaanottajan synkronointia. Tämä pystytään hoitamaan kahdella tavalla:
- asynkroninen tiedonsiirto: data siirretään yksi merkki kerrallaan, jolloin vastaanottajalla on aikaa aina uudestaan synkronoida jokaisen merkin alussa.
- synkroninen tiedonsiirto: data lähetetään eteenpäin yhdessä paketissa ilman aloitus -tai lopetuskoodia. Tätä hallintaan erilaisilla kontrolli-informaatioilla pakettiin liitettynä.

Kaikenlainen tiedonsiirto vaatii myös virheenkorjauksen siinä tapauksessa, jos data ei saavu perille tai saapuu vääränlaisena. Virheen havaitseminen voidaan hoitaa erilaisilla tavoilla. Yksi on parillisuuden tarkastaminen, jolloin jokaisen paketin loppuun laitetaan joko parillinen tai pariton bitti. Tämä on kuitenkin epävarma menetelmä. Toisena voidaan lisätä kontrolli-informaation jokin laskettu koodi datasta, joka tarkastetaan vastaanottajan päässä.

Joissakin tapauksissa on soveltuvampaa, että virhe korjataan mieluummin kuin, että kyseinen lähetetty paketti lähetettäisiin kokonaan uudelleen. Tällöin kyseinen asia voidaan hoitaa koodisanalla, jolla lähetetty paketti ensiksi koodataan aluksi ja vastaanottajan päässä se dekoodataan. Tämä toimii yleensä, vaikka muutama bitti olisikin mennyt siirron aikana pieleen.

Datan lähettämiseen kuitenkin tarvitaan jonkinlainen kontrollointimenetelmä. Tämä hoidetaan lisäämällä fyysisen kerroksen yläpuolella data link -kerros (data linkki suomeksi). Sen tehtävänä on seuraavat asiat.
- framejen synkronointi (varmistus jollakin tekniikalla, että framet menevät perille oikeassa järjestyksessä)
- vuokontrolli (varmistaa, ettei lähetetä liian nopeasti tietoa)
- virheiden kontrollointi (huomaa, jos sattuu virheitä lähetyksen aikana, niin osaa reagoida niihin)

Virheiden hoitamiseen data link -kerroksen protokolla voi käyttää erilaisia ARQ-menetelmiä:
- stop-and-wait (jos vastaanottaja ei lähetä hyväksymistä framen jälkeen, niin lähetetään se uudelleen)
- Go Back N (samalla tavalla kuin edellinen paitsi tässä käytetään tietyn pituista ikkunaa eli bufferia frameja varten)
- Selective Reject (ainoastaan puuttuvat tai vioittuneet framet lähetetään uudelleen. Vaatii hyvin paljon monimutkaisemman logiikan, joten käytetään harvoin)

Luentopäivä 4:

Neljäs luentokerta alkoi kanavoinnilla. Se tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että yksittäminen kommunikointilinkki voidaan jakaa useammalle signaalille samanaikaisesti. Se perustuu multipleksereiden käyttämiseen, jolloin tietty määrä syötteitä yhdistetään yhdelle linjalle ja ne puretaan vastaanottajan päässä samalla tavalla. Kanavointi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin:
- Taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access)
- Aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access)
- Koodijakokanavointi (CDMA, Code Division Multiple Access)
- Aallonpituuskanavointi (WDMA, Wavelenght Division Multiple Access)

FDMA:ssa kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelleen. Tällöin on jätettävä kyseisten taajuuksien välillä riittävän suuri väli, jotteivat ne häiritse toisiaan. Toiseksi siirtotien kapasiteetin pitää olla suurempi kuin signaalien yhteenlasketut kaistanleveydet. Data voi olla digitaalista tai analogista, mutta signaali itsessään on aina analoginen. Yksi esimerkki on TV-kanavien lähetys, jossa yksi kanava on 6 MHz taajuuskaista. Toisena esimerkkinä on ADSL, jossa käytetään taajuuskanavointia samalla tavalla hyödyksi saaden paljon suuremman kapasiteetin.

Aikajakokanavoinnissa taas signaali viipaloidaan ajan mukaan. Niiden koko voi vaihdella bittitasosta isompiin yksiköihin. Multiplekseri hoitaa asian niin, että se muodostaa lähetettävän signaalin kyseisistä viipaleista, jotka kaikki toimivat omassa puskurissaan. Synkronisessa TDMA:ssa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi. Haittapuolena jotkut näistä lähteistä eli aikaviipaleista ovat aina tyhjillään, joten sille muodostuu hukkakäyttöä. Tähän ongelmaan toimii asynkroninen TDMA, jossa aikaviipaleet varataan dynaamisesti käytön mukaan. Sen avulla pystytään käyttämään siirtojen tauot hyödyksi, mutta se vaatii kontrolli-informaation lisäyksen lähetettyihin frameihin.

Koodijakokanavoinnissa jokaiselle käyttäjälle annetaan uniikki koodi, jonka avulla on mahdollista lähettää eri tavalla koodattua signaalia samanaikaisesti. Sitä käytetään ainoastaan radiotien kanssa. Signaalin lähettävä päätelaite hoitaa koodijakokanavoinnin pelkästään, mutta vastaanottajan on oltava selvillä koodaustekniikasta. Esimerkiksi bluetooth käyttää tätä hyödyksi käyttämällä aina uniikkia koodaustapaa, jonka jokin yksi haluttu laite osaa ainoastaan vastaanottaa lähiympäristössä.

Aallonpituusjakokanavointi on pelkästään valokuiduissa käytetty tekniikka, jonka avulla saadaan sen kapasiteettia nostettua huomattavasti. Siinä lähetetään samassa kuidussa monta eri valon sädettä, joilla kaikilla on eri aallonpituus. Jokainen niistä kuljettaa dataa omalla vauhdillaan eteenpäin.

Seuraavaksi siirryttiin hieman laajempaan kokonaisuuteen, jossa käsiteltiin tele -ja dataliikennettä. Nämä tarvitsivat muutaman peruskäsitteen mukaan, jotta niiden toimintaa pystyi hahmottamaan. Kytkennäiset verkot koostuvat solmupisteistä (node) ja verkkoa käyttäviä laitteita kutsutaan asemiksi (station). Tärkeimpänä asia mainittiin, että data siirtyy aina solmusta solmuun, kunnes se saapuu liitäntäsolmuun asti. Itse tele -ja dataliikenteen erot ovat melko selkeät. Teleliikenteessä vaaditaan reaaliaikaisuutta kommunikoinnin puolesta, kun taas dataliikenteestä tärkeintä on kommunikointiväylän tehokas käyttäminen.

Tästä johtuu kyseisten tekniikkojen erilaiset toteutustavat. Teleliikennettä varten käytetään piirikytkentäistä verkkoa, jossa edellytetään jo määriteltyä polkua kahden aseman välillä. Kyseisessä tapahtumassa on kolme vaihetta: yhteyden muodostus (piirin muodostus), datan siirto ja yhteyden lopetus (piirin purku). Kuten huomataan niin piirikytkennässä yhteys on muodostettava kohteiden välille jo ennen siirtoa, missä voi kestää hyvinkin kauan. Itse datan siirtämisessä koko kanavan kapasiteetti on varattu kyseiselle yhteydelle. Yleisin esimerkki piirikytkennästä on puhelinverkko.

Pakettikytkennässä taas data pilkotaan pienempiin osiin eli paketteihin. Niiden koko vaihtelee siirtoverkon mukaan. Kuitenkin jokainen datapaketti sisältää kontrolli-informaatiota. Huomataan, että suurin etu piirikytkentään verrattuna on, että paketteja voidaan lähettää solmuille paljon aikaisemmin. Tällä varmistutaan, että verkkoa käytetään mahdollisimman tehokkaasti hyödyksi. Pakettikytkennälle on silti kaksi tapaa: tietosähke tai virtuaalipiiri. Tietosähkeessä paketit lähetetään eteenpäin ilman mitään informaatiota muista paketeista. Se tietää ainoastaan mihin on saavuttava ja kohteessa sitten paketit järjestetään oikeaan järjestykseen vaikkapa numeroinnilla. Virtuaalipiirissä taas asema etsii parhaimman reitin kohteeseen ja lähettää siitä varmistuksen, jonka jälkeen kaikki paketit lähetetään järjestyksessä kohteeseen kyseistä reittiä pitkin.

Pakettikytkennäisiä verkkoja varten on kehitettävä tekniikoita, joilla saadaan ne mahdollisimman tarkasti ja nopeasti perille asti. Tähän käytetään erilaisia reitityspäätöksiä, jotka perustuvat verkon rakenteeseen, tietoliikenteen määrään ja linkkien arvoihin. Voidaan käyttää kiinteitä tauluja, joissa on aina tarkka reitti lähtöpaikasta kohteeseen. Tämä on määritelty käyttäen least cost -algoritmia hyödyksi. Tämä reitti ei itsessään muutu paitsi jos verkon topologia muuttuu. Toisena mahdollisuutena on käyttää hyväksi floodausta eli paketti lähetetään aina jokaiseen mahdolliseen solmuun. Tällöin kohteeseen saapuu monta kappaletta kyseisiä paketteja, mutta ylimääräiset voidaan poistaa, sillä ne on uniikisti numeroitu. On mahdollista myös käyttää satunnaista lähetystä, jolloin paketti saapuu jossakin välissä kohteeseen. Se ei ole kuitenkaan ikinä optimaalisin vaihtoehto.

Nykyään kuitenkin käytetään melkein aina mukautuvaa reititystä, jossa pakettien lähetykset vaihtelevat tiettyjen tietojen mukaan. Se käyttää hyödyksi viereisten solmujen tietoja ja laskee aina seuraavaksi parhaimman vaihtoehdon tietyn algoritmin mukaan. Tällöin käytetään hyödyksi myös ruuhkautumisesta johtuvia ongelmia. Jos jokin linja on tukossa, niin osataan kiertää se ja käyttää jotakin muuta reittiä hyödyksi.

On hyvinkin mahdollista, että tietyt solmut ruuhkautuvat verkoissa, jolloin data siirtyminen hidastuu huomattavasti. Siitä toipumiseen ja sen estämiseen on kehitetty keinoja tämän takia. Yhtenä keinona on mahdollista lähettää choke paketti kyseisessä solmusta takaisin lähteeseen, jolloin se ei enää lähetä dataa sinne, kunnes se saa vahvistuksen uudelleenlähettämisestä. Yhtenä keinona pidetään statiikkaa yllä solmujen ruuhkautumistilasta ja jos se ylittää tietyn pisteen niin lähetetään ilmoitus ruuhkautumisesta. Tällöin päätelaitteet osaavat varautua siihen ja toimivat tietyn säännön mukaisesti, kunnes ruuhkautuminen on loppunut.

Luentopäivä 5:

Viides luentokerta aloitettiin tutkimalla soluverkkoja. Ne ovat avain nykypäivän mobiiliteknologioille. Soloverkkojen tapauksessa jokainen solu pitää sisällään oman keskuksen, josta ohjataan verkon toimintaa. Ne pitävät sisällään aina erilaiset taajuudet, jotteivat ne häiritsisi vierekkäisiä soluja. Kyseinen tekniikka on hyvinkin dynaaminen verkon käytön suhteen. Ruuhkautumistilanteissa on mahdollista käyttää vapaita soluja höydyksi tai ottaa uusia taajuuksia käyttöön.

Solut ovat kuusikulmion muotoisia, jossa se jaetaan 3-6 kiilan muotoiseen alueeseen, jotka kaikki toimivat omilla taajuuksillaan. On myös mahdollista siirtää soluja pienenpään muotoon. Tällöin käytetään pienempitehoisia antenneja, jotka vain yksinkertaisesti kattavat pienemmän alueen. Tämä on toimiva vaihtoehto kaupungeissa esimerkiksi.

Radiolinja tekee seuraavanlaiset vaatimukset mobiiliverkolle. Siinä pääaseman ja mobiililaitteen on oltava riittävän vahva koko ajan, muttei kuitenkaan liian vahva, koska muuten se aiheuttaa häiriöitä toisilla kanavilla. Vaimeneminen on otettava huomioon aina. Radiolinjassa signaali leviää aina tasaisesti ilmassa, joten on tehtävä suunnitteluja kuinka vahva signaali halutaan muodostaa ja miten kohteiden antennit tehdään. Leviämisen vaikututuksia on hyvin vaikea arvioida, mutta siihen käytetään joitakin tutkittuja malleja.

3G (Third Generation Systems) ovat jatkoa mobiiliverkoille, missä on otettu huomioon verkon laajempi käyttö eri sovelluksineen. Siinä voidaan siirtää monenlaista erilaista dataa sekä lähettää erilaisia signaaleja. Seuraavana vaiheena tulivat 4G-tekniikka, joka on aivan täysin IP-pohjainen ja vielä laajemmilla ominaisuuksilla.

Seuraavaksi oli vuorossa LANit eli lähiverkot ja niiden ominaisuudet tarkemmin. Ne kehitettiin jo 1970-luvulla korvaamaan kallita point-to-point -linkkejä ja ovat tällä hetkellä käytetyin verkkotyyppi. Nykyään niiden kehitykselle on kaksi merkittävintä suuntausta. Nämä ovat client/server -ajattelu sekä intranetit. Tärkeimmät käyttökohteet ovat PC-LAN eli yleisin LAN-kokoonpano, jossa yhteiset resurssit ja tietokoneet yhdistetään keskenään. Toisena ovat taustaverkot, joissa yhdistetään suurten järjestelmien koneet keskenään tiiviiksi kokonaisuudeksi, jolloin on tarkoitus siirtää hyvin isoja määriä tietoa pienellä alueella. Kolmantena on nopeat toimistoverkot, jotka toimivat taustaverkkojen tyyliin, mutta ovat isompia alueeltaan. Neljäntenä ovat runkoverkot, joiden avulla yhdistetään eri rakennusten tai osastojen pienemmät LANit yhteen.

LANien tärkeimmät ominaisuudet ovat topologia, siirtotie, johdotus ja MAC. Topologia tarkoittaa sitä, miten LANissa toimivat osat on yhdistettu keskenään. Ne voidaan jakaa seuraavasti:
- Väylä
- Puu
- Rengas
- Tähti

Seuraavana on siirtotien valitseminen, joka hoidetaan käyttötarkoituksen mukaan. Esimerkiksi runkoverkossa käytetään aina valokuitua, koska on tarkoitus siirtää niin suuria määriä dataa ja sillä se on halvin ja tehokkain tehdä.

LANissa tärkeimmät vaikuttavat kerrokset ovat fyysinen -ja linkkikerrokset. Linkkikerroksella toimivat LLC ja MAC -protokollat. LLC (Logical Link Control) hoitaa vuon valvonnan ja virheiden korjauksen, MAC (Medium Access Control) taas hallitsee yhteyttä siirtotiehen ja muodostaa siihen saapuvista paketeista kehyksiä lähetystä varten.

Kyseisiä verkkoja voidaan laajentaa tietysti isommiksi kokonaisuuksiksi. Tämä voidaan hoitaa joko siltaamalla tai reitittämällä verkot yhteen. Siltaus on yksinkertaisempi toimenpide, jossa jaetaan samat MAC:t ja LLC:t verkkojen välillä. Siltaus voi käyttää hyödykseen korjattua reititystä, joka on ennalleen määrätty tietyllä tavalla. Siinä silta perustuu topogian perusteella reititystaulun, jota käytetään hyödyksi kyseisessä operaatiossa.

Kuitenkin tason 2 kytkimet ovat korvanneet sillat käytännössä kokonaan nykyään. Näissä kytkimissä kehyksien eteenpäin vieminen hoidetaan rautatasolla verrattuna siltauksen softatasoon. Myös kytkimet voivat lähettää usean kehyksen samanaikaisesti verrattuna siltauksen yhteen kehykseen. Se voi lähettää kehykset myös heti MAC-tietojen lukemisen jälkeen eteenpäin. Näiden asioiden takia siltaus on korvattu kytkimillä kokonaan.

Kytkimien kanssa käytetään kuorman jakamiseksi ja porttien hallitsemiseksi käytetään tason 3 kytkimiä. Tällöin toisen tason kytkimistä muodostuu aliverkkoja ylemmälle tasolle.

Kaikki verkot nykyään melkein perustuvat suoraan runkoverkkoihin. Yksinkertaisesti ne ovat todella isolla kaistanleveydellä varustettuja verkkoja. Nykyään ne perustuvat suoraan Ethernetin päälle, mikä käyttää MAC:n pelveluita hyödyksi. Aluksi käytettiin parikaapelia verkkojen muodostukseen, mutta huomattiin sen käyvän pullonkaulaksi melko nopeasti. Nykypäivän suurnopeusverkot toimivat jopati 100 Gbps Ethernettinä, joka jaetaaan aina pienempiin kokonaisuuksiin. Sen jakamisen siirtotienä on valokuitu.

Langattomat lähiverkot ovat nykypäivänä yleistymässä kovaa tahtia. Ne käyttävät hyödykseen radiotietä, joka on jaettu 915, 2.5 ja 5.8 MHz:n alueille. Tekniikat toteutetaan näillä taajuuksilla riippuen käyttökohteesta. Jokainen langaton lähiverkko perustuu 802.11 -standardissa määritettyihin sääntöihin. Yksinkertaisimmillaan verkko koostuu yhdestä BSS:stä (Basic Service Set), josta löytyy yksi yhteys eli Access Point (AP) Distribution Systemiin (DS). Itse MAC:ssa luodut framet menevät näiden kohteiden kautta aina tiettyjen sääntöjen mukaan perille. Jokainen MAC-frame voi pitää sisällään dataa ja erilaisia kontrolli-informaatoita. Nämä muodostavat WLAN:n yleisen kokonaisuuden.

Kotitehtävät:

Kotitehtävä 1:

Tehtäväkuvaus: Pyri kuvaamaan ennakkotehtävässä määrittelemäsi termit/aihepiirit/kokonaisuudet yhdessä kuvassa.

Käytännössä protokollaan on suoraan liitetty kuvassa standardi, joka siihen tarvitaan. Myöskään kokonaisuuteen ihan kaikkia tarvittavia osia ei ole laitettu, vaan yritetty mahdollisimman selkeesti mainitut termit laittaa kuvaan.

- Miten käytännössä ohjelmatarjonta hoidetaan digi-TV:lle? Onkos se tietyn standardin mukaista sovittua toimintaa kuin Internetin kanssa myös?
- Missä vaiheessa tietoa käsitellään taikka siirretään analogisena, kun käytät vaikka selainta tietokoneella?
- Miten 3g/4g-verkko toimii periaatteessa?

Kotitehtävä 2:

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

Valittu protokolla: BitTorrent Protocol (p2p-verkot)

p2p-verkkojen arkkitehtuurilla tarkoitetaan uudenlaista lähestymistapaa verkkoajatteluun verrattuna yleiseen client-server pohjaiseen tyyliin. Siinä voidaan käytännössä ajatella, että jokainen tietokone p2p-verkon alla on oma client ja kaikki sen verkon alla olevat tietokoneet ovat yhteydessä toisiinsa. Tämä mahdollistaa hyvin paljon suuremman kapasiteetin ja hyvin paljon pienemmän rasituksen yleiselle serverkoneelle, johon kaikki olisivat normaalisti yhteydessä.

Valitsin p2p-verkon protokollaksi nykyään helposti yleisimmän BitTorrent protokollan (lyhenteenä BT). Sitä käytetään hyvin paljon suurempien tiedostojen jakamiseen Internetin välityksellä, sillä se on helppo eikä vaadi kalliita serveriratkaisuja. Varsinkin laittomien tiedostojen jakaminen on yleistä, sillä mikään ei estä sitä ja protokollan suunnittelulla ei ole siihen mitään vaikutusta.

Itse BT-protokolla koostuu viidestä pääkomponentista. Nämä ovat:
- Metainfo tiedosto (sisältää tiedot, jotka vaaditaan protokollan toimintaa varten)
- Tracker (palvelin, joka hallinnoi protokollan toimintaa)
- Peers (käyttäjät, jotka vaihtavat dataa)
- Data (tiedosto tai useammat tiedostot, jotka siirretään)
- Client (ohjelma, joka on käyttäjän koneella ja käyttää hyödyksi itse protokollaa)

Kyseisistä komponenteista voi päätellä protokollan toimintaperiaatteen. Se käyttää TCP:tä (Transfer Control Protocol) eri käyttäjien välillä kommunikointiin ja datan siirtämiseen. Kyseistä protokollaa suositaan, sillä se antaa varmuuden datan siirtymisestä verrattuna muihin. Itse tracker antaa käyttäjille tiedon, että ketkä käyttäjät pitävät hallussaan tiettyä dataa ja antaa niille mahdollisuuden kommunikointiin. Ne käyttävät trackerin kanssa HTTP:tä (HyperText Transfer Protocol) kommunikointiin.

Kuvassa on näytetty eri yhteydet protokollien, käyttäjien ja trackerin välillä, mitkä kuuluvat BT-protokollaan.

BitTorrentin avulla siirretään vaikka minkä tapaisia tiedostoja tai monen tiedoston ryhmiä kerrallaan. Niiden kokokin voi vaihdella huomattavasti. BT-protokolla pilkkoo tiedostot aina pienempiin osiin. Tämä johtuu suurimmaksi osaksi siitä, että tällöin saadaan helpommin jaettua tiedostot sellaisiin osiin, joita voidaan lataa useammalta ja todennäköisyys tietyn osan löytymiseen parantuu. Näiden osien määrä ja tiedot tallennetaan metainfo-tiedostoon.

Siitä päästäänkin itse metainfo-tiedostoon, joka on perusta BT-protokollan toiminnalle. Tämä tiedosto on aina tehtävä siinä vaiheessa, kun jotakin dataa halutaan julkaista ladattavaksi. Se pitää sisällään tiedot ladattavasta datasta ja trackerista. Metainfo saa aina .torrent päätteen, jonka avulla client eli ohjelmisto osaa hahmottaa sen tiedot ja osaa sovittaa protokollan toimintaa siihen.

{‘info’: {‘piece length’: 131072,
‘length’: 38190848L,
‘name’: ‘Cory_Doctorow_Microsoft_Research_DRM_talk.mp3′,
‘pieces’: ‘\xcb\xfaz\r\x9b\xe1\x9a\xe1\x83\x91~\xed@\…..’,
}
‘announce’: ‘http://tracker.var.cc:6969/announce’,
‘creation date’: 1089749086L
}

Edellisessä on metainfon sisältämät tiedot eli data, nimi, osat, tracker ja päiväys sen tekemisestä.

Yleisin tapa metainfon käyttämisessä on jakaa sitä jonkin yleisen palvelimen kautta, joka pitää sisällään eri metainfo-tiedostoja. Tällöin käyttäjät voivat vain ladata kyseisen tiedoston palvelimelta käyttäen HTTP:ta ja osallistua torrentin käyttämiseen.

Trackerista on jo kerrottu, että sen tehtävänä on hoitaa yhteyksien löytyminen eri käyttäjien välillä. Tämä onkin sen tärkein tehtävä, mutta se pitää tilastoja myös kyseisen torrentin käytöstä. Käyttäjät eli peerit eivät tiedä toisista saman torrentin käyttäjistä mitään ennen trackeriin yhdistämistä ja sen apua kommunikointiin. Peer aina ensimmäisenä ilmoittaa trackerille mitä osia sillä on jo kyseisestä torrentista, jotta tracker tietää mitä se vielä tarvitsee. Tämän jälkeen peer kyselee puuttuvia osia ja tracker kertoo sen jälkeen ketkä omistavat kyseisen osan. Sen jälkeen tapahtuva tiedonsiirto tapahtuu vain käyttäjien välillä.

Peerit eli käyttäjät ovat tietysti pääosassa BT-protokollan toiminnassa. Niillä tarkoitetaan kaikki käyttäjiä, jotka omistavat torrentin datan tai ovat halukkaita sen lataamiseen. Peerit pitävät jonossa koko ajan tietoja mitä osia tarvitsevat seuraavaksi ladattavaksi. Tällöin tracker pitää koko ajan huolta, että kaikki käyttäjät löytävät mahdollisimman nopeasti toisensa. Seedeiksi kutsutaan sellaisia käyttäjiä, joilla on jo kokonaan kyseinen torrent ladattuna ja hän ainoastaan jakaa sitä muille käyttäjille.

Kyseinen kuva yrittää hahmottaa protokollan toimintaa ajan funktiona. Eli ensimmäisenä käyttäjä lataa torrent-tiedoston omalle koneelle palvelimelta käyttäen HTTP:ta. Tämän jälkeen tracker astuu mukaan kuvioihin ja kertoo clienteille eli tässä tilanteessa käyttäjille, että mihin niiden on otettava yhteyttä, jotta he löytävät haluamansa tiedostonosan. Nämä osat ovat ainoastaan protokollan mukaan tietyn kokoisia pilkottuja osia tiedostosta. Yleensä niiden koko on 250 kilotavua ja ne pitävät sisällään SHA1 hashin, jotka toimivat tarkastuspisteinä protokollalle. Eli ladattua osaa verrataan aina kyseiseen hashiin sen valmistuessa, jolloin varmistutaan sen oikeudesta.

Kyseinen BT-protokolla on p2p-verkkojen tärkein toimintatapa nykyään. Sitä käytetään hyvin paljon isompien tiedostojen jakamiseen, sillä sen avulla kaikki kyseisen tiedoston käyttäjät eli peerit ovat mukana tiedoston jakamisessa. Nykyään on hyvin paljon erilaisia ohjelmistoja BitTorrentin käyttämiseen.

Www-sivustot:
http://aplawrence.com/Girish/gv-peer-to-peer.html
http://www.morehawes.co.uk/the-bittorrent-protocol


Valittu protokolla: UDP (User Datagram Protocol)

UDP tiedetään yleisesti siinä toisena internetprotokollana TCP:n korvaajana tietyissä tilanteissa. Tähän on päädytty, sillä molempia protokollia käytetään samaan tarkoitukseen eli tiedon siirtoon IP:n (Internet Protocol) välityksellä. Itse UDP kehitettiin 80-luvulla, kun huomattiin tarvitsevan yksinkertaista ja kevyttä protokollaa tietyille ohjelmistoille, jotka eivät olleet riippuvaisia TCP:n tarjoamista varmistusmenetelmistä. Yksinkertaisuudessaan UDP toimii vain rajapintana sovelluksille, jotka haluavat lähettää dataa eteenpäin. Se toimii porttien avulla ja paketoi tiedon yksinkertaiseen muotoon IP-protokollalle, joka lähettää tiedon eteenpäin.

Seuraavassa kuvassa nähdään kuinka UDP sisältää ainoastaan 4 kenttää, joiden avulla paketin olisi tarkoitus saapua perille kohteeseen. Kentät ovat yksinkertaisuudessaan lähtöportti eli lähettäjän käyttämä portti, kohdeportti eli kohteen portti datalle, koko paketin laskettu koko ja checksum, joka sisältää yksinkertaisen virheentarkistuksen. Tietysti UDP-paketti sisältää vielä itse datan, joka sen on tarkoituskin lähettää eteenpäin.

UDP perustoiminnot tarkemmin:

1. Korkeamman kerroksen datan siirto: korkeammalla kerroksella eli yleensä ohjelmakerroksella jokin lähettää UDP-softalle pyynnön.
2. UDP-viestin kapsulointi: korkeammam kerroksen viesti kapsuloidaan UDP-paketin datakenttään ja UDP-softa täyttää muut kentät automaattisesti. Koko ja virheentarkistusta varten oleva checksum lasketaan viestistä ja täytetään myös
3. Siirtäminen IP-protokollalle: kyseinen paketti siirretään ainoastaan IP-protolalle, joka huolehtii sen lähettämisestä.
- UDP ei takaa, että viestit saapuvat perille asti, sillä se ei ota tarkistuksia vastaan.
- UDP ei luo yhteyttä lähettämiseen. Se ainoastaan paketoi sen.
- UDP ei tarkasta, että paketit menevät kohteeseen oikeassa järjestyksessä.
- UDP ei havaitse, jos paketit eivät saavu perille ja uudelleenlähettäisi ne.
- UDP:lla ei ole vaihtoehtoisia tarkastusmetodeja, jos paketti saapuu väärään paikkaan.

Kyseisistä asioista huomaa, että UDP ei kannata käyttää sellaisissa lähetyksissä, joissa painotetaan sen onnistumista mahdollisimman tarkasti. Sen käyttökohteet ovatkin suoraan sellaisissa kohteissa, joissa nopeus ja tehokkuus ovat tärkeimmät tekijät. Esimerkkinä voisi vaikka toimia netissä oleva streamkanava, jossa ei ole pahemmin haitaksi, jos osa paketeista jää lähettämättä.

Www-sivustot:
- http://ipv6.com/articles/general/User-Datagram-Protocol.htm
- http://tools.ietf.org/html/rfc768


Valittu protokolla: RTP (Real Time Protocol tai Real-Time Transport Protocol)

RTP antaa datan siirtoon mahdollisuudet, että ne toimisivat reaaliajassa. Ihan kokonaan tämä ei ole mahdollista, mutta protokollan ominaisuudet vastaavat sitä melko lähelle. Sitä käytetään nykyään melko yleisesti videon ja äänen siirtämiseen. RTP on kuitenkin ylemmän tason protokolla, joten se antaa vain kuvaukset miten dataa olisi siirrettävä eteenpäin, jotta se säilyttäisi mahdollisimman reaaliaikaisen luonteen. Se hoitaa datan siirron melkein aina UDP:n (User Datagram Protocol) avulla ja siitä vielä IP:n (Internet Protocol) kautta kohteeseen.

Kyseinen protokolla koostuu kahdesta tiukkaan linkitetystä protokollasta:
- RTP (Real Time Protocol), joka välittää datan, jolla on reaaliaikaisuuden ominaisuudet.
- RTCP (Real Time Control Protocol), joka monitoroi lähetyksen laatua ja kerää informaatiota lähetykseen osallistuvista osapuolista.

Seuraavassa on RTP-paketin sisältämä header, jossa on kyseisen protokollan ominaisuudet.

Seuraavassa on taas RTCP-protokollan määrittelemät kentät, joita käytetään kokonaisuudessa.

Kuten huomataan niin RTP pitää sisällään huomattavasti vähemmän tavaraa kuin RTCP. RTP:ssä onkin vain ja ainoastaan lähettämiseen tarvittavat tiedot.

Www-sivustot:
- https://prof.hti.bfh.ch/myf1/www/projects/polyphem/www/documents/projectwork-techreport-mediainternet.html
- http://www.javvin.com/protocolRTP.html
- http://www.ietf.org/rfc/rfc3550.txt

Kotitehtävä 3: Selvittäkää 3 eri tapausta ja niistä käytetty siirtotie ja sillä käytetty koodaus. Jos käytetään ilmatietä niin olisi hyvä selvittää taajuusalue jolla toimitaan.

Valittu siirtotie: USB (Universal Series Bus)

USB on nykyään kaikista yleisin käytössä oleva siirtotie tietokoneiden ja muiden laitteiden käytössä. Se alunperin suunniteltiin printtereitä ja hitaita modeemeita varten korvaamaan silloin käytössä olleen sarjaportin.

USB-laitteet ovat yhdistetty halvalla parikaapelilla toisiinsa. Se sisältää kaksi eri paria, joista toista käytetään virran siirtämiseen laitteiden välillä. Toinen pari taas siirtää dataa, jota lähetetään laitteiden välillä synkronoituna bittivirtana. Tämä bittivirta enkoodataan NRZI-tekniikalla (Non Return to Zero Invert).

NRZI-enkoodauksessa 1 kertoo, ettei tasossa ole muutosta kun taas 0 kertoo tason muutoksesta. Eli pitkät 1 luvun jaksot kertovat, ettei bittivirrassa tapahdu muutoksia.

USB:n kanssa käytetään myös Bit Stuffingia. Se tarkoittaa, että bittivirtaan lisätään 0 aina joka kuudennelle bitille, jotta varmistutaan lähetyksen perille saapumisesta. Tämä tehdään myös, että pystytään säilyttämään bittivirta mahdollisimman synkronoituna laitteiden välillä.

Www-sivustot:
- http://www.tech-pro.net/intro_usb.html
- http://www.faculty.iu-bremen.de/birk/lectures/PC101-2003/14usb/FINAL%20VERSION/usb_protocol.html


Valittu siirtotie: Bluetooth

Bluetooth on langaton protokolla, jonka tarkoituksena on höydyntää erilaisia lyhyen kantaman teknologiaa muodostamaan yhteyksiä lyhyellä kantamalla laitteiden välillä. Se käyttää 2,4 gigahertsin taajuusalueella olevaa radiolinkkiä yhteyden muodostamiseen laitteiden välillä. Tarkemmin ottaen kylläkin sen toiminta-alue on 2,4000 – 2,4835 gigahertsiä, sillä bluetoothilla on 79 tasaisin välein jaettua taajuutta kyseisellä alueella.

Siinä käytetään modulaationa GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) taajuussirtokoodausta. Tämä on melko vaikeasti hahmotettava koodaus, mutta tarkoituksena on lähettää sama data eteenpäin, mutta perustaajuutta muutetaan pienemmäksi tai suuremmaksi riippuen siitä, että lähetetäänkö binäärinen 0 tai 1.

Www-sivustot:
- http://www.tml.tkk.fi/Studies/Tik-110.300/1999/Essays/bluetooth.html
- http://www.nationmaster.com/encyclopedia/Bluetooth
- http://fi.wikipedia.org/wiki/Bluetooth


Valittu siirtotie: Langaton Internet (Wi-Fi)

Kyseinen siirtotie yleensä luokitellaan 802.11 standardin mukaisiin siirtoteihin. Itse WLAN:n alle kuuluu kuitenkin GSM-verkot, joita ei kuitenkaan tietokoneiden kanssa käytetä. Kyseiset siirtotiet noudattavat seuraavaa:

standardi…taajuusalue…………………………..koodaukset
802.11a…..5.15-5.825 GHz…………………….BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
802.11b…..2.4-2.5 GHz………………………….CCK
802.11g…..2.4-2.5 GHz………………………….BPSK, QPSK, CCK
802.11n…..2.4-2.5, 5.15-8.825 GHz……..64-QAM

Www-sivustot:
- http://www.cromwell-intl.com/tcpip/wlan-specs.html

Kotitehtävä 4: 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.

Tarkasteltava siirtotie: USB (Universal Series Bus)

USB perustuu suoraan USB-laitteisiin, jotka yhdistetään kaapelille keskenään. Se käyttää kuitenkin monikerroksista tähtitopologiaa, joka näyttää hieman puurakenteiselta topologialta. Siinä väylä jakautuu kahteen tai useampaan osaan, joita kutsutaan hubeiksi. Jokaisen oksan päässä on sitten aina funktio, jossa on kyseiset toiminnallisuudet. Seuraava kuva hahmottaa hieman tarkemmin sen rakennetta.

Jokainen fyysinen USB-laite sisältää aina väylän rajapinnan, loogisen laitteen ja yhden tai useamman funktion. Itse väylän rajapinta on aina sama jokaiselle USB-laitteelle, joten niiden kommunikointi hoidetaan aina samalla tavalla. Looginen laite tarkoittaa sitä näkymää, jonka käyttäjä näkee itse laitteesta sitä käyttäessään. Funktiot taas ovat niitä toimintoja, jotka liittyvät laitteeseen. Kyseisessä tähtitopologiassa voi olla vain yksi juurihubi, johon muut sitten liitetään.

Www-sivustot:
- http://www.eetimes.com/design/industrial-control/4009927/Which-version-of-USB-is-right-for-your-application--Part-1-


Tarkasteltava siirtotie: Bluetooth

Bluetooth on langaton tekniikka, joka perustuu suoraan sen helppokäyttöisyyteen ja liikuteltavuuteen varsinkin pienillä etäisyyksillä. Tästä syystä bluetooth käyttää hyväkseen ad hoc -verkkoa, joka perustuu siihen, että se ei tarvitse erillisiä terminaaleja tai keskuksia, joiden kautta se muodostaa yhteyden. Ad hocin avulla se pystyy muodostamaan suoraan yhteyden toiseen laitteeseen peer-to-peer -tekniikalla. Tämän ansiosta se mahdollistaa, että kaikki bluetoothia tukevat digitaaliset laitteet voidaan yhdistää keskenään tietyllä alueella muodostaen PAN-verkkoja (Personal Area Network).

Kuvassa näkyy suurimmat erot P2P-verkon hyödyntämisessä verrattuna muihin verkkoihin.

Bluetooth antaa mahdollisuudet muodostaan kahdenlaisia topologioita hyödyntäen P2P-tekniikkaa. Point-to-point -tekniikassa ainoastaan kaksi laitetta jakavat yhteyden keskenään, kun taas point-to-multipoint -tekniikassa verkko on jaettu monen bluetooth-laitteen kesken. Tällöin muodostuu nämä kaksi topologiaa.

- Piconet: Bluetooth-protokolla olettaa, että ainoastaan pieni määrä laitteita ottaa yhteyttä minä aikana tahansa. Piconetissä ainoastaan yksi laite toimii isäntänä ja loput ovat orjia sille. Niitä voi olla yhdestä seitsemään asti.

- Scatternet: Jos kaksi tai useampi piconettiä on samalla fyysisellä alueella, niin muodostuu scatternet. Nämä pienemmät verkot yhdistyvät, jonka jälkeen sen jäsenet voivat keskustella keskenään.

Seuraava kuva selventää verkkojen toimintaa.

Kuvassa on kaksi piconettiä, jotka yhdistyvät yhden orjan avulla scatternetiksi, koska saapuvat tarpeeksi lähelle toisiaan.

Www-sivustot:
- https://sites.google.com/site/securezrp/introduction


Tarkasteltava siirtotie: Langaton Internet (Wi-Fi)

Uusimmat Wi-Fin standardit antavat entistä parempia mahdollisuuksia verkon tehokkaampaan käyttöön. Suurimpana uudistuksena on kanavointi 802.11n standardissa, mitä kutsutaan MIMO-tekniikaksi. Tämä on lyhenne Multiple-Input Multiple-Output sanoista. Vanhoissa lähettimissä käytetään yleensä yhtä antennia langattomaan lähetykseen, mutta MIMO-tekniikan avulla on mahdollista käyttää useampaa antennia samaan aikaan. Tällöin on melko selkeä, että on mahdollista lähettää enemmän dataa kerralla.

MIMO käyttää hyödyksi spatial multiplexing -tekniikkaa. Se tarkoittaa ainoastaan sitä, että tiedon lähetys on kanavoitu useaan eri virtaan ja se vastaanotetaan myös useassa eri paikassa. Tällöin on osattava kuitenkin ottaa tieto vastaan oikeassa järjestyksessä. Myös siihen on tullut lisänä useasuuntainen signaali, jonka avulla on mahdollista hyödyntää eri tavalla esteistä kimpoilevat signaalit kohteessa. Tähän ei ollut ennen mahdollisuutta.

Wi-Fissä käytetään myös hyödyksi eri taajuusalueiden käyttöä samanaikaisesti, jolloin datan siirtonopetus kasvaa tietysti. Tätä tekniikkaa kutsutaan channel-bondingiksi.

Www-sivustot:
- http://www.maxi-pedia.com/802.11n+standard+basics

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.

Valitsin sovellukseksi itselleni melko yleisesti käytetyn mumblen, joka on tietokoneiden välillä toimiva VoiP-ohjelmisto. Se toimii niinkuin kaikki samantapaiset ohjelmat serveripohjaisena, joten sillä ei voi muodostaa yksittäisiä yhteyksiä kahden kohteen välillä.

Kyseinen sovellus aloittaa toimintansa ottamalla yhteyttä palvelimeen aivan normaalisti käyttäen TCP/IP-protokollaan vaadittavia menetelmiä.

Kyseinen kutsu lähtee lähtökoneelta suorittaen sovelluskerroksen toimet, josta se haluaa ainoastaan lähettää pyynnön serverin sovellustasolle, jotta kohdekone pääsisi serverille. Kohdekone muuntaa sen vielä TCP-kerroksella sille oman TCP-headerin, josta löytyy tiedot, jotta tieto pyynnöstä pääsee serverille oikeaan paikkaan.

Kyseisten kenttien tiedot menevät IP-kerrokselle, joka sitten ottaa hommakseen kirjata pyynnölle tiedot, jotta se löytää oikealle serverille asti Internetissä.

IP-kerroksella luotu header kertoo seuraavaksi mihin osoitteeseen ollaan lähettämässä kyselyä. Se saapuu serverille asti, jossa se hyväksytään, jos siellä ei vaadita mitään muita tietoja. Nämä tiedot ovat yleensä käyttäjätunnuksen ja salasanan vaatiminen. Siinä tapauksessa serveri lähettäisi käyttäjälle takaisin ilmoituksen niiden tarpeesta. Tässä vaiheessa käyttäjä kirjoittaisi oikeat tunnukset, missä niiden tunnistamiseen käytetään CHAP-protokollaa (Challenge-Handshake Authentication Protocol), mikä lähetetään uudestaan serverille.

Serveri voi olla määritelty vielä eteenpäin tästä. Se voi sisältää ainoastaan juurihuoneen eli yhden huoneen eikä ole muita vaihtoehtoja. Yleisin vaihtoehto on, että serverillä on useita eri huoneita, joihin on mahdollista osallistua. Voi olla vielä määritelty, että huoneet vaativat siellä uuden erilaisen käyttäjätunnuksen ja salasanan. Tällöin siinäkin käytetään samaa CHAP-protokollaa tunnistamiseen, jos haluaa osallistua kyseiseen huoneeseen.

Huoneeseen päästyään käyttäjä muodostaa H.323 -protokollalla yhteyden siellä olevien kanssa.

H.323 -perhe sisältää kaikki protokollat, joita tarvitaan reaaliaikasen datan siirtämiseen. Mutta tässä huomataan, että päällimmäisenä H.323 sisältää äänen siirtämiseen vaadittavat koodekit, joissa analooginen ääni muunnetaan digitaaliseen muotoon. Seuraavana RTP/RTCP-protokollat (Real-Time Transport Protocol/Real-Time Transport Control Protocol) hoitavat datalle sellaiset ominaisuudet, jotta se säilyisi mahdollisimman tarkasti reaaliaikaisena.

Jo nähdyissä kuvissa voidaan huomata, että kyseisten protokollien kentät antavat tietoa missä ajassa dataa lähetetään eteenpäin ja tarkkailleen sen edistymistä. Yleisesti sanottuna RTP antaa tiedot synkronoinnista, pakettien numeroinnista (pakettien katoaminen ja uudelleenlähetys) ja lähetyksen tyypistä (onko data ääntä vai videota vai jotakin muuta). RTCP taas yrittää pitää lähetyksen laadun QoS (Quality of Service) mukaisena ja pitää huolta synkronoinnista.

Seuraavana RTP:n tiedot saa äänen lähetyksessä varsinkin UDP-protokolla, joka antaa sille omat tietonsa, jotta paketti löytää kohteeseensa. UDP:ta (User Datagram Protocol) käytetään suoraan äänen kanssa, koska ei ole kovin huono asia, jos muutama paketti hukkuu matkan aikana, kunhan saadaan lähetys pidettyä hyvin tasaisena. Muutaman paketin menetys merkitsee vain hyvin pientä taukoa äänen lähetyksessä, jota harvoin edes vastakuulija huomaa.

Seuraavana IP-protokolla hoitaa, että paketit siirtyvät oikeeseen osoitteeseen tietyn siirtotien yli mikä onkaan kyseessä silloisella kertaa. Tällä tavalla reaaliaikaisen äänen siirtäminen jatkuu niin kauan kuin sovellusta käytetään.

Www-sivustot:
- http://www.protocols.com/papers/voip2.htm
- http://en.wikipedia.org/wiki/Challenge-handshake_authentication_protocol

Viikoittainen ajankäyttö

  Luentoviikko 1

Lähiopetus: 6 h
Itseopiskelu: 2 h
Oman wikisivuston päivittäminen: 2 h

  Luentoviikko 2

Lähiopetus: 5 h
Itseopiskelu: 3 h
Oman wikisivuston päivittäminen: 2 h
Kotitehtävien tekeminen: 5 h

  Luentoviikko 3

Lähiopetus: 0 h
Itseopiskelu: 3 h
Oman wikisivuston päivittäminen: 1 h
Kotitehtävien tekeminen: 0 h

  Luentoviikko 4

Lähiopetus: 0 h
Itseopiskelu: 4 h
Oman wikisivuston päivittäminen: 1 h
Kotitehtävien tekeminen: 4 h

  Luentoviikko 5

Lähiopetus: 0 h
Itseopiskelu: 4 h
Oman wikisivuston päivittäminen: 6 h
Kotitehtävien tekeminen: 14 h
Tenttiin lukeminen: 10 h