Oppimispäiväkirja

Resources List

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tärkeys

Niin työelämässä kuin sen ulkopuolellakin tietoliikenne on hyvin tärkeässä osassa päivittäistä elämää.

Työelämä

Työelämässä yrityksemme liiketoiminta perustuu vahvasti tietotekniikan ja tietoliikenteen antamaan tukeen liiketoiminnoille. Tietoliikenteen toimintavarmuus on ehdottoman tärkeää. Yrityksessä, jossa eri liikekumppaneiden kanssa käytävät liiketapahtumat käsitellään sähköisinä tapahtumina, tietoliikenne on mitä kriittisin komponentti. Joka tapauksessa jokainen työpäivä tuo esille tapahtumia, joissa tietoliikenteen toimivuus on tavalla tai toisella aiheuttanut haasteita.

Näiden tapausten käsittely on sinällään antanut mahdollisuuden tutustua tekniikkaan ja sen tuomiin haasteisiin käytännön tasolla. Toisaalta nämä haasteet tuovat myös sopivasti väriä kahvipöytäkeskusteluihin.

Todellisuus

Yllättävää on se, että on vielä olemassa joitakin “siiloja”, joissa tietoliikenteen tukemaa sanomaliikennettä ei ole voitu ottaa kustannussyistä käyttöön; toisaalta yllättävää on sekin, miten suuria tietomassoja voidaan välittää paikasta A paikkaan B hyvinkin luotettavasti - tiedonsiirtojen haasteena ei välttämättä ole tietoliikenteen ja sanomanvälityksen hitaus.

Jotenkin helpotus on se, että on voinut työskennellä tietotekniikan parissa ja on saanut tutustua myös tietoliikenteen haasteisiin -kodin tietotekniikkaan ja tietoliikenteeseen liittyviä haasteita on ollut helpompi kohdata. Toisaalta on helppoa myös ymmärtää niitä, jotka tuskailevat näiden haasteiden parissa - ja emmehän me koskaan tule tässäkään suhteessa valmiiksi.

Johtopäätelmät

Kodin tietotekniikka ja tietoliikennettä ilman ei nykyaikana selviä juuri mitenkään, kun merkittävä osa palveluista on siirtynyt Internet -pohjaisiin palveluihin. Kovin harmillista on havaita, etteivät tietoliikenneyhteydet toimi - niiden oletetaan toimivan aina. Nyt on siis aika siirtyä käytännöläheisemmästä näkökulmasta teoreettisemmalle alueelle, mitä ei voi pitää aivan pienenä haasteena kenellekkään, vaikka ihan tuntemattomaan ei hypättäisikään.

Avainsanoja

Joitakin tuttuja avainsanoja tietoliikenteen alueelta: TCP/IP, DNS, ADSL, RJ-45, WIREWALL, PROXY, WIFI, WAN, LAN, ETHERNET

Luento 1

  • Pe 21.9.2012, Paikalla.Perusteet, yleiskuva tietoliikenteeseen ja kerrosmalleihin.
  • Ke 24.10.2012,reflektointi.
  • To 1.11.2012, reflektointi.
  • Pe 9.11.2012, reflektointi.
  • To 29.11.2012, reflektointi.
  • Pe 30.11.2012, reflektointi.

Opiskeluun orientoituminen

Ennen varsinaiseen aihealueeseen siirtymistä esiteltiin kurssin sisältö ja tehtävät, oppimateriaali, kurssin työkalut ja eri alustat, joilla opiskelijat työskentelevät. Tärkeää oli myös saada tietää, miten voi hankkia erikoispisteitä. Tänä vuonna kurssilla on enemmän teoriaa ja uutta on laajempi osuus tietoturvaa. Kurssiin sisältyy pistekokeet, jotka pidetään 3. ja 5. luentokerran aluksi, ja nämä ovat ns. 10 minuutin spurtteja.

Uusille opiskelijoille kurssin WIKI -alustaan liittyvä opastus oli keskeistä - ja tämä toteutettiin esimerkin avulla. Näin oli helppo perustaa oma WIKI ja aloittaa oman oppimispäiväkirjan työstäminen kopioidun pohjan avulla.

Oppimispäiväkirjan ohella käytiin läpi harjoitustehtävin luonnetta. Harjoitustehtävät löytyvät aina NOPASTA, ja niihin ei välttämättä tule muutosta verrattuna edelliseen vuoteen.

Tenttien osalta muistutettiin ensimmäisen tentin ajankohta, siis perjantai 30.11.2012 :!:

Päivän teeman keskeisiä avainsanoja

Keskeisiä avainsanoja: Verkkotopologia, TCP, IP, TCP/IP, WLAN, LAN, Ethernet, Internet, OSI

Päivän teeman keskeisiä asioita

Luennolla läpikäydyn ja koetun perusteella keskeisiä kirjan asioita/osioita.

  1. Kommunikointimalli, kts. 1.2. A communication model, p. 44.
  2. Verkot, kts. 1.4. Networks, p. 50.
  3. Verkon konfigurointi, kts. 1.6 En example of configuration, p. 58.
  4. TCP/IP, kts. 2.3. TCP/IP Protocol Architecture, p. 60.
  5. Siirtoprotokollat, kts. 22 Transport protocols, p. 720
  6. OSI, kts. Appendix D, Online Appendices. http://williamstallings.com/Extras/OSI.html
  7. TCP/IP -esimerkki, kts. Appendix O, TCP/IP Example.

Opit: luento 1

Mitä opin tällä kertaa?

Edellä esitettyjen pääkohtien keskeiset käsitteet ja termistön, sekä niihin sisältyvän toimintalogiikan perusteet.

Omissa muistiinpanoissa korostuneesti esille nousevat seuraavat asiat:

Ensimmäisen luentomateriaalipaketin osalta tuntuu siltä, että materiaali on selkeää ja englanninkielisyyskään ei ole hidasta.

Sisällön osalta vaikeutena on ja tulee olemaan se, että asioita esitetään useasta eri näkökulmasta ja monesta eri ulottuvuudesta, joten kokonaisuuksia ei ole helppo hahmottaa. Esimerkitkin ovat hyviä, mutta kaiken olennaisen hahmottaminen yhdellä kertaa, eli luennolla, on täysi mahdottomuus.

Opiskeluun käytettäväksi arvoidut tuntimäärät näyttävät hyvin vähäisiltä - tai arviot vaikuttavat kovin ylioptimistisilta.

Luentomateriaali on hyvin laadittu, mutta vain sillä edellytyksellä, et oppija ei ole aloittelija englannin kielisten tekstien kanssa.

Jäikö mitään epäselväksi?

Luennoitsijan sanoin: “Emme elä täydellisessä maailmassa - shit happens”. Yhä vähemmän on epäselvää luennon aikana käytyjen asioiden osalta läpikäydyssä laajuudessa, mutta se on edellyttänyt asioiden läpikäyntiä - yhä uudelleen ja uudelleen. Stallingsin lisämateriaali on ollut hyvänä apuna. Ja, työpaikallakin on tulkkeja, joilla on hyvinkin kirjavia, opettavaisia näkemyksiä asioista.

Ja, todellisuushan on se, että dataa on tarjolla joka puolella ja joka puolelta.

Vaikka jotain jäisi epäselväksi, mitään ei ole vaikeaa selvittää, kun käyttää wikiä tai toisten opiskelijoiden laatimia wiki -sivustoja. Toisaalta netissä on verrattain hyvin tietosisältöä saatavilla.

Saatavilla olevan materiaalin ja luentomateriaalin sekä Stallingsin kirjan materiaalin käteen saadessaan voi ihmetellä, jos asioita ei voisi selvittää omatoimisesti reflektoiden. Tosin oppiminen vie aina aikaa eri määrän itse kultakin.

Luento 2

  • To 4.10.2012, reflektioitni. Etukäteisperehtyminen, harjoitus, reflektointi.
  • Pe 5.10.2012, reflektiointi. Kerrosmallit ja tiedonsiirron perusteet.
  • Ke 24.10.2012, reflektointi.
  • Pe 1.11.2012, reflektointi.
  • To 29.11.2012, reflektointi.
  • Pe 30.11.2012, reflektointi.

Yleistä

Jatkuvasti kehittyvät standardit luovat hyvän perustan, jonka päälle voidaan rakentaa erilaisten sovellusten infrastruktuuri. Merkittävimmistä protokollista on tullut osa kansainvälistä yhteisöä ja globaalia taloutta.

Standardit

IEEE: http://www.ieee.org/index.html

ITU-T: http://en.wikipedia.org/wiki/ITU-T

ITU: http://www.ihs.com/products/industry-standards/organizations/itu/index.aspx

ISO: http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_ics/catalogue_ics_browse.htm?ICS1=33

Linkit: http://www.protocols.com/hot.htm

Protokolla

Eri kommunikaatiosysteemeissä sijaitsevat oliot keskustelevat keskenään samalla kielellä, jolloin eri olioiden kesken on tiedossa: mitä, kuinka ja koska. Kommunikaatiosysteemit voidaan tyypitellä seuraavasti muun muassa seuraavasti: point-to-point, multipoint-broadast, switched network ja internet.

Olioiden keskustelu edellyttää tiettyjä sääntöjä ja muodollisuuksia, jotta kaksi eri oliota voi keskustella keskenään.

Yhteinen kieli, ts. protokolla tai yhteyskäytäntö, määrittelee säännöt, jolla tietoliikenteen osapuolet keskustelevat toistensa kanssa. Säännöt määrittelevät muun muassa, miten yhteys luodaan, miten tietoa siirretään, miten yhteys päätetään ja miten toimitaan erikoistilanteissa.

Protokolla koostuu syntaksista (syntax), joka määrittelee muun muassa sanaston tuella tiedon muotoilun pakettien kentissä ja signaalitasot; semantiikan (semantics) eli toimintalogiikan tuella, miten tiettyä protokollan paketissa tehdään virheenkorjaus; ajoituksen (timing) tuella muun muassa siirtonopeuden, pakettien oikean järjestyksen ja muut siirron ajoitukseen liittyvät toimenpiteet.

Olioiden keskustelu

Olioiden keskustelu on joko reaaliaikaista ja yhteydellistä (Connection-oriented, esim. puhelu) tai dynaamista ja yhteydetöntä (Connectionless, esim. postikortti), vrt. circuit switching and packet switching.

Yhteydellisessä keskustelussa yhteys muodostetaan, pidetään ja palautetaan tai keskeytetään, kunnes sitä ei enää tarvita ja tiedonsiirto on toimintavarmempaa. Keskustelussa resurssit varataan ennen tiedonsiirtoa. Tiedonsiirto edellyttää luotettavia palveluitta. Kadonneet paketit lähetetään uudelleen. Tiedonsiirto on kytkentäpohjaista. Paketit, jotka eivät sisällä täydellistä tietoa vastaanottavasta järjestelmästä lähetään peräkkäisjärjestyksessä samaa polkua käyttäen. Otsikkotason tietosisältö minimoidaan, jolloin paketissa pyritään eliminoimaan ylimääräinen tieto. Palvelu on nopeampi kuin yhteydettömässä siirtomuodossa, jolloin se soveltuu paremmin nopeisiin ja vakaisiin tiedonsiirtoyhteyksiin.

Yhteydettömässä tiedonsiirrossa kukin paketti lähetetään kohteeseen erikseen, mikä edellyttää siirron ohjelmallista tarkistamista. Keskustelussa yhteyttä ei muodosteta ennen tiedonsiirtoa, eikä resursseja välttämättä varata ennen tiedonsiirtoa. Kadonneita paketteja ei lähetetä uudellaan tai tarjotaan paras mahdollinen palvelutaso. Tiedonsiirto on reitityspohjaista. Paketit eivät välttämättä saavu peräkkäisjärjestyksessä, eivätkä ne kulje samaa polkua käyttäen. Datapaketit sisältävät yksityiskohtaisen tiedon vastaanottajasta. Otsikkotason tietosisältö on laaja, jolloin paketissa ei eliminoida ylimääräistä tietoa. Palvelu on hitaampi kuin yhteydellisessä tiedonsiirrossa, jolloin se soveltuu paremmin hitaisiin ja epävakaisiin tiedonsiirtoyhteyksiin.

Palveluarkkitehtuuri

Kun tietty protokolla koostuu useista eri toiminnoista, taustalla on rakenteellisena näkymänä eri tasoille jakaantuva arkkitehtuuri (vrt. TCP/IP ja OSI), ja näille eri tasoille on määritelty tietty toiminnallisuus.

Jokaisella tasolla on tarkasti määritelty tehtävä, ja jokainen kerros käyttää alemman tason palveluita (service user). Vastaavasti tietty kerros tarjoaa palveluita ylemmälle kerrokselle (service provider). Tietyn protokollan määrittelyyn sisältyy ne palvelut, joita tämä tarjoaa tietyllä tasolla (service definition).

Eri tasojen välillä on liittymä (interface). Liittymän kuvaus määrittelee primitiiveinä (primitives), miten tietyllä tasolla saadaan käyttöön alemman tason palvelut. Tason (N+1) yksikkö kommunikoi alemman tason (N) yksikön kanssa palvelupisteiden (SAP, Service Access Point) kautta, joilla on yksikäsitteiset tunnisteet. Tason (N+1) yksiköt eri systeemeissä (peers) keskustelevat keskenään tietyllä protokollalla (peer-to-peer protocol), jolloin voidaan puhua näiden välisestä yhteisestä kielestä.

Protokollien toiminnot

Protokollien toiminnot määräytyvät protokollan roolin mukaisesti ja ne saattavat sisältää seuraavia toimintoja:

  • Segmentointi ja kokoaminen (segmentation and reassembly),
  • Paketointi (Encapsulation)
  • Yhteyden hallinta (Connection control)
  • Toimitus oikeassa järjestyksessä (Ordered delivery)
  • Vuonvalvonta (Flow control)
  • Virheen havainnointi (Error control)
  • Osoitteet (Addressing)
  • Kanavointi (Multiplexing)
  • Kuljetuspalvelut (Transmission services).

Kuljetukseen liittyvien peruspalvelujen osalta protokolla voi tarjota olioille lisäpalveluita kuten prioriteetit, laatu (QoS) ja tietoturva, joiden laajuus riippuu siirtojärjestelmästä ja alemman tason kerroksista.

Järjestelmä- ja verkkotason osoitus

Osoitustasolla viitataan kommunikoivien olioiden tasoon kommunikoivissa systeemeissä. Usein erillinen osoite varataan sekä järjestelmille että verkon solmuille, ja osoitusta voidaan kohdistaa yhdelle oliolle (Unicast), useammalle oliolle (Multicast) tai kaikille olioille (Broadcast).

Verkkotasolla määritellään verkkotason osoite (IP –osoite) ja verkon palvelupiste, eli NSAP (Network Service Access Point). Verkkotason IP-osoitteen tulee olla yksikäsitteinen ja kaikkialla käytettävissä (globaali).

Järjestelmän sisällä tiedonsiirtopaketti ohjataan sovellukselle tai yhteydelle. TCP/IP -protokollapaketissa on käytössä kaksitasoinen osoitus (IP + portti), kun taas OSI-mallissa tarvittaessa kullekkin kerrokselle määritellään SAP. Ylempien tasojen osoitteiden eri tarvitse olla yksikäsitteisiä (SAP, portti), koska nämä voidaan määritellä tai koodata ainutlaatuisiksi järjestelmittäin.

Yhteydettömässä kommunikoinnissa käytetään globaalia osoitetta, kun yhteydellisessä kommunikoinnissa voidaan käyttää yhteystunnistetta, joka vähentää ohjausinformaatiota, helpottaa reititystä ja kanavointia sekä mahdollistaa tilatietojen käytön.

Opit: luento 2

Päivän teeman keskeisiä asioita

Luennolla läpikäydyn ja koetun perusteella keskeisiä kirjan asioita/osioita. Edellä esitetyt otsikot kuvaavat hyvin sitä, mitä on tullut opittua.

Luennon materiaalit ovat selkeät ja niillä on selkeä yhteys kirjan materiaaliin.

Jotenkin opiskelua voisi helpottaa se, että asioita tehdäisiin tietyiltä osin harjoitustöinä, joihin liittyisi käytännönläheisempi ote asioihin. Sen sijaan, että istuu luennolla, ja lukee sen jälkeen materiaaleja ja yrittää yhdistää niitä vielä laajempaan luentokirjan materiaalin: ei välttämätttä opi mitään tai oppiminen on kovin hidasta - jopa mahdotonta esitettyjen arvioitujen ajankäyttöjen suhteen.

Harjoitustöiden kautta saisi paremmmin käytännönläheistä materiaalia luettavaksi toisten harjoitustöiden muodossa. Miksei voisi olla vaikka vaihtoehtoinen reitti? Joudut kuitenkin kahlaamaan materiaalin ja osa tätä kahlaamista on se, että kirjoita itse lyhennelmiä tai Power Point -kalvoja, jotta voi hahmottaa kokonaisuuksi. Niin - kirjoittaminen on myös osa reflektointia, sillä meistä jokainen oppii eri tavalla.

Tässä luentojaksossa heijastuu jo se tosiasia, että oppijalle työnnetään vallaton määrä erilaisia käsitteitä ja termejä, joita on mahdotonta oppia ja omaksua hetkessä. Asiaa onneksi helpottaa se, että on nopea lukemaan, joka helpottaa kertaamista.

Kun kertaa ensimmäisen luennon materiaalia ja sen jälkeen tämän luennon materiaalia, voi jo hyvin yhdistelläkin asoita toisiinsa. Vain käsitteiden ja termien sekamelska hämmentää.

Kaiken tämän aineiston puitteissa hämmästyttää se, miten asioita pyritään standardoimaan - jos ei ole helppoa tuoda asioita oppijoille luennon muodossa, ei niitä ole helppo muovata standardienkaan muotoon.

Jäikö mitään epäselväksi?

Vastaan tähän sen, mitä aiemminkin, mutta hieman toisin kuitenkin: jos et ole oppinut tai ymmärtänyt jotain senkään jälkeen, kun olet pohtinut asiaa tarkemmin kaiken saatavilla olevan materiaalin avulla, asioita on hyvä selvittää esimerkiksi työpaikalla tai viime kädessä kysymyllä opettajalta.

Eli yleisellä tasolla asioita ei jää epäselväksi, mutta hieman hämmästyttää, jos kokonaisuuksia voi edes jotenkin hahmottaa sekoittamatta asioita ja käsitteitä.

Oppimispäiväkirjassa esitetty vakiokysymys voisi ehkä paremmin olla: Mitkä asiat koet vaikeimmiksi ymmärtää? tai Mitkä asiat ovat vaikeasti opittavissa?

Vastauksena näihin uusiin kysymyksiin: termien ja käsitteiden “sekamelska” hämmentää.

Luento 3

To 25.10.2012, etukäteisperehtyminen, harjoitus, reflektointi. Pe 26.10.2012, klo 09.00 - 16.00, paikalla Iltapäivällä pistarit. To 1.11.2012, reflektointi. Pe 9.11.2012, reflektointi. To 29.11.2012, reflektointi. Pe 30.11.2012, reflektointi.

Data and Computer Communications, Chapter 3 - Data Transmission

Kommunikaatiojärjestelmä - mitä olemme käyneet läpi, mitä emme ?

  • Lähetys- ja vastaanottopää tunnistettu
  • Transmitter vs. receiver; information source vs. information user
  • Siirtotiet käyty läpi
  • Tieto tulee saada siirtotielle: multiplexing, useat toimijat samalle tiedonsiirtotielle (seuraava luentopäivä)
  • Oikea signaali oikeassa siirtotiessä: modulointi ja koodaus; analooginen vs. digitaalinen; muunnokset

Tiedonsiirto

  • “Kuinka hyvin voidaan toistaa tietyssä paikassa tuotettu viesti, joka on tietyn matkan päässä”
  • Signaalin laatu: oikea antenni, oikeanlainen vahvistus …
  • Oikea media

Terminologiaa

  • Johtimeton (quided) ja johtimellinen (unguided) media
  • Direct link - välillä ei muita laitteita
  • Point-to-point: tyypillisesti suora linkki - kaksi laitetta jakaa linkin
  • Multi-point: useampi kuin kaksi laitetta jakaa yhteyden tai linkin
  • Simplex: yhteen suuntaan tapahtuvaa kommunikointia
  • Half duplex: molemmat lähettävät, yksi kerrallaan
  • Full duplex: molemmat lähettävät, molemmat yhtäaikaisesti

Analoginen ja digitaalinen signaali

  • Analoginen: Yksilö, data tai signaali voi saada arvoja min - max ajassa (amplitude, volts)
  • Digitaalinen: Yksilö, data tai signaali voi olla eri tasoilla ja vaihdella jaksopituudeltaan

Tämän päivän maailma on selkeästi yhä digitaalisempaa. Tällöin puhutaan yleensä datan muodosta, vrt. kun siirtotie on analoginen, on signaalin oltava kuitenkin analoginen.

Taajus, avaruus ja kaistanleveys

Pohjustusta

Siniaalto esimerkkinä. Amplitudi kertoo aallon voimakkuuden. Siniaallon jaksonpituus alkaa ja päättyy siten, että tietty asia toistuu tietyin aikavälein yhtenäisesti (=jaksollinen signaali).

Jakson pituus on T=1/f. Käppyrä voidaan esittää kaavalla ajassa amplitudin, taajuuden, ajan ja vaiheen sin -funktiona. Vaihe kuvaa jakson sijainia ajan suhteen.

Vastakohtana on jaksoton signaali, jota tulee käsitellä hieman eri tavalla.

Useita siniaaltoja: Kun eri vaiheissa olevat aallot summataan, tapahtuu vahvistumista tai vaimenemista.

Aallonpituus = valon nopeus per taajuus.

Taajuus

Useista eri siniaaltojen taajuuksista saadaan summattua erilaisia käppyröitä, joilla on eri taajuus, esim. f ja 3f -käyrät ⇒ uusi käyrä 2f -taajuuskaistalla (tehollinen kaistan leveys).

Spektri: kaikki taajuudet, joita signaali sisältää.

Absoluuttinen kaistanleveys: spektrin leveys.

Tehokas kaistan leveys: ohut pätkä voimakkaita taajuuksia.

Tasavirtakomponentin piikki: 3f -levyinen kaistanleveys, signaali vaatii enemmmän tiedonsiirtokaistaa.

Riippumatta siirtotiestä taajuuskaista on rajoitettu. Kun esimerkiksi 20 MHz on rajoite, signaalien tulee käyttää kaistaa siten, että signaali on puhdas, eli se voidaan tunnistaa.

Stallings Math and Physics Applets http://www.falstad.com/mathphysics.html

Esimerkki: Kun lisätään taajuuksia (number of terms), sitä lähemmäksi mennään haluttua “kanttiaaltoa”, ja jos halutaan ideaali tilanne, tulee olla ääretön määrä taajuuksia. Amplitudi ja teho pienenee sitä enemmän, mitä enemmän on taajuuksia, ja toisaalta kaistanleveys kasvaa huomattavasti (vrt. 2f). Teho ei vastaavasti välttämättä kasva merkittäväksi.

Mitä meidän tulee oppia ?

Tässä vaiheessa ajattelemme, että siirrämme bittejä (0/1) tai signaaleja, eli emme ajattele, että dataa on muunnettu paketeiksi, joten meillä on dataa, joka tulee lähettää signaaleina.

Datan lähetystä voidaan tarkastella aikatasossa, ja sen lähetystä voidaan seurata taajuuden tasolla, jolloin tietty määrä dataa voidaan olettaa lähetettävän tiettynä aikajaksona.

Tietty signaali välittää dataa, ja osa signaaleista ei välttämättä välity perille saakka, mm. siirtotiellä on rajoitteita kuten vaimeneminen. Toisaalta esimerkiksi radiokanavilla kuuntelu voi kodistua vain tiettyyn osaan signaaleja.

Analogisessa tiedonsiirrossa otat vastaan sen, mikä tulee, eli sinulla ei ole mitään mahdollisuuttaa korjata. Digitaalisessa bittivirrassa (0/1 -bitit) olevat häiriöt voidaan aina korjata.

Jos tiedonsiirto tapahtuu useamman linkin akuttaa, virheet voivat summautua, joka on täten erityisesti haaste analogisessa siirrossa.

Signaalit tulee pyrkiä “esittämään” tietyllä taajuuskaistalla (vrt. 2f), mutta tulee huomioida, että tietyllä siirtotiellä on rajoite, eli se ei voi olla ääretön ja rajoitteet vääristävät aina signaalia.

Case I & II (sivu 20)

  1. Kaistanleveys B
  2. Perustaajuus f
  3. Jakson pituus T
  4. Tiedonsiirtonopeus
    1. Tulos (1): Tuplaamalla kaistanleveys tuplataan tiedonsiirtonopeus

Case III (sivu 22)

  1. Signaalia muokkaamalla ja laadusta tingimällä
  2. Tulos (2): Saavutetaan sama tiedonsiirtonopeus
  3. Haaste: Tiedonsiirtovirheet vs. siirtymä

Case Bandwith-limited signals (sivu 23-24)

  1. Vastaa Stallingsin simulaattorilla simuloitua tapausta
    1. Enemmän taajuuksia → enemmän taajuuskaistaa

Johtopäätökset

  • Taajuksilla on rajoitteita, vrt. myös alku- ja lopppupään taajuuksien merkitys
  • Taajuudet rajoittavat siirtonopeutta medialla, vrt. johtimillinen ja johtimeton
  • Taajuuskaista ei voi olla ääretön, vrt. taajuuskaistan kasvattaminen
  • Singnaalin laatu poikkeaa, vrt. häiriöt
  • Kanavan laatu poikkeaa, vrt. häiriöt

Siirtotien häiriötekijät

  1. Analogisen signaalin häiriö vaikuttaa signaalin laituun
  2. Digitaalisessa signaalissa bitti saattaa kadota
  3. Attenuation (Vaimeneminen)
    • Tapahtuu aina, kun lähetetään signaali
    • Medialla on vaikutusta
    • Signaalin tulee olla riittävän voimakas, jotta se voidaan erottaa
    • Singaali tulee voida erottaa kohinasta
    • Esim. WLAN, siirtonopeus putoaa, bittien leveys kasvaa, signaali voidaan paremmin erottaa kohinasta
    • Signaalia voidaan vahvistaa: vahvistaa myös virheitä (analoginen)
    • Signaalia voidaan toistaa: virheitä ei toisteta (digitaalinen)
    • Korkeammilla taajuuksilla vaimeneminen on suurempaa
    • Vaimeneminen on taajuuksista riippuvaa, erilaista eri taajuuksilla
  4. Delay distortiation
    • Johtimellisilla siirtoteillä
    • Bitit menevät päällekkäin digitaalisessa signaalissa
  5. Noise
    • Elektronien liikkeestä johtuva lämpökohina (“white noise”)
    • Eri taajuuksien yhteisvaikutus lähettimessä/vastaanottimessa tai mediassa
    • Sähköinen induktio-ominaisuus, lyhytkin piikki voi tuhota bittejä
    • Vastaanottimen komponentista aiheutuva

Kaistan kapasiteetti (sivu 41-)

  1. Tiedonsiirtonopeus bit/s
  2. Kaistanleveys, syklit/s tai Hrz
  3. Häiriöt, keskimääräinen häiriö
  4. Virheet, virheiden määrä
  5. Nyquist Bandwith
    • Kuvitellaan täysin kohinanton kanava
    • Jos signaalin nopeus on 2B, siinä ei voi olla taajuuksia, joiden taajuus on suurempi kuin B
    • Oletuksena: binääriset signaalit (0/1)
    • Määritellään maksimi siirtonopeus
  6. Shannon Capacity Formula
    • Kohina peittää signaalia yhä enemmän suuremmilla siirtonopeuksilla
    • Määritellään maksimi siirtonopeus
  7. Energia per bitti per kohinan tehotihey

Chapter 5 - Signal Encoding TechniquesLuentomonisteet 3_2

Signaalien lähetystekniikat

  1. Unipolar: yhdelle puolelle X-akselia tapahtuvia koodeja
  2. Polar: molemmille puolille X-akselia sijoittuvia koodeja
  3. Data rate: tiedonsiirtonopeus, bits/second, bps
  4. Bitit: 1 (mark) - 0 (space)
  5. Signal element: lyhin vaihe, jonka voidaan katsoa sisältävän tietyn tiedon
  6. Modulation rate: nopeus, jolla edellisiä välitetään, signal elements / second, baud

Koodausmenetelmät

  1. Informaation sisältävät elementit taajuusalueen keskiössä
  2. Synkronointi edellyttää, että signaalin alku ja loppu tiedetään, vrt. vastaanottja ja lähettäjä
  3. Virheenkorjaus

Eri menetelmät

* NRZ-L, tietty bitti on tietty taso

  1. Pitkissä sarjoissa pitkä aikajakso samassa tasossa, synkronoinnin haaste

* NRZI http://en.wikipedia.org/wiki/NRZI#Non-Return-to-Zero_Inverted_.28NRZI.29

  1. Ordered List Item bitit määrää tilasiirtymät: 1 tilasiirtymä, 0 ei tilasiirtymää, differentiaalinen siirtymä (jos sama=muutos)
  2. Muutos on helpompi havaita kuin saavuttaa tietty taso
  3. Pitkissä sarjoissa pitkä aikajakso samassa tasossa, synkronoinnin haaste
  4. Esim. valokaapelit, pieni nopeus

* Bipolar-AMI http://en.wikipedia.org/wiki/Modified_AMI_code

  1. Vuorotellen pulssi ylös ja pulssi alas
  2. Sama ongelm kuin edelläkin, synkronointi
  3. Etu: jännitteet vuorotelleen, joten voidaan löytää virhetapahtumat
  4. Haitta: kolme tasoa, joten vaatii suuremman kaistanleveyden

* Pseudoternary

  1. Kuten edellinen, mutta päin vastoin

* Manchester http://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_code

  1. Perustuu tilasiirtymään
  2. Keskellä bittiä on tilasiirtymä, nollassa ylhäältä alas, ykkösessi alhaalta ylös
  3. Etu: synkronointi
  4. Hyödyntäminen: Ethernet

* Differential Manchester http://en.wikipedia.org/wiki/Differential_Manchester

  1. Ykkösellä ei ole alussa tilasiirtymää keskellä, nollalla on
  2. Hyödyntäminen: Token ring.

Sekoitustekniikalla (Scrambling) voidaan sekoittaa bittisarjoja, jotta voitaisiin luoda tasainen jännite: HDB3 -tekniikka ja B8ZS -tekniikka. Kts. http://en.wikipedia.org/wiki/HDB3#HDB3_.28European_E-carrier.29

Kohtalaisen pitkät nollasarjat muunnetaan käyttämään 0/1 -sarjoja, jotka sisältävät muutoksia, ja synkronointia voidaan tehostaa.

Nämä tekniikat voivat olla missä vaiheessa tahansa tiedonsiirtotiellä, eli bittijonoa pyritään muuttamaan oikeassa paikassa, oikeaan aikaan, oikeampaan muotoon.

Modulointitekniikat

Lähestymistapa on binäärinen. Digitaalinen data muokkaa analogista signaalia.

ASK http://en.wikipedia.org/wiki/Amplitude-shift_keying

Amplitudiavainnus. 0/1 koodataan eri amplitudeilla.

BFSK

Binäärinen taajuusavainnaus. Kaksi eri taajuutta.

MFSK http://en.wikipedia.org/wiki/Multiple_frequency-shift_keying

Useampi taajuus.

PSK & BPSK http://en.wikipedia.org/wiki/BPSK#Binary_phase-shift_keying_.28BPSK.29

Binäärinen vaiheavainnus, signaalin vaiheistus muuttuu tietyssä vaiheessa ja tämä kertoo, mikä bitti on kulloinkin kyseessä. Tämän modifikaatioita käytetään paljon.

DPSK

Muutoksella bitin alussa (180-asteen vaihesiirto)kerrotaan bitin vaihtuminen.

Quadrature PSK.

90-asteen vaihesiirto. Kts. http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_amplitude_modulation

QAM http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_amplitude_modulation

Vaihe-ero- ja amplitudimodulaation yhdistelmän hienompi nimi on QAM -modulaatio (Quarrature Amplitude Modulation), jossa (QAM-16) yhteen tasoon on sovitettu neljä bittiä (yleinen maksimi 2400 baudia), jolloin tällä tekniikalla voidaan kuljettaa ilman kopressiota 4 x 2400 b eli 9600 bps. Neljällä bitillä on siis 16 eri tilavaihtoehtoa.

Analogisen datan digitalisointi

PCM, Pulce Code Modulation http://en.wikipedia.org/wiki/PCM

Pulssikoodimodulaatio perustuu ns. näytteenottoteoriaan, joka perustuu pitkälti Nyqvistiin. Jos signaalista otetaan tietyllä aikavälillä, nopeudella, joka on kaksi kertaa nopeampi kuin korkein taajuus, näyte sisältää kaiken alkuperäisen signaalin informaation. Esimerkki luentomonisteen sivuilla 41-42. Analoginen signaali → Quantisointi → Koodaaminen → Lähetys siirtotielle digitaalisena bittivirtana.

Non-Linear Coding hyödyntää signaalin tehoja. Suuritehoisemmat signaalit voidaan esimerkiksi käsitellä poikkeuksina.

Delata modulation http://en.wikipedia.org/wiki/Delta_modulation

Delta modulation -esimerkki. Lähdetään tietystä signaalin arvosta ja kuvataan muutosta, joka on joko alaspäin tai ylöspäin. Matalissa paikoissa pysytään hyvin signaalin mukana. Quantisointivirhe suurempi kuin edellisessä tapauksessa. Tästä on eri variaatioita, jolloin askeleen kokoa voidaan vaihtaa tietyissä paikoissa. Näytteinä on yksittäiset bitit, jotka kertovat muutokset signaalissa.

PCM vs. Delta Modulation. Delta Modulation on yksinkertaisempi, mutta kohinasuhde on huonompi. PCM on suositumpi, mutta muitakin vaihtoethoja on olemassa.

Analoginen data, analoginen signaali

Jos taajuusaluetta halutaan siirtää, tällöin moduloidaan tiettyä kantoaaltoa. Tällöin voidaan muuttaa amplitudia, vaihetta ja taajuutta. Esimerkki, radiokanava.

Spesifejä tekniikoita

Bluetoot - FSK, taajuusavainnus 802.11 - BPSK/QPSK/FSK, Binäärinen vaiheavainnus, neljätasoinen vaiheavainnus, vaiheavainnus 802.11a, edellisten lisäksi 16-QAM ja 64-QAM, vrt. WLAN -artikkeli, kotitehtävä 2 ADSL - 8-QAM/PSK Fast Ethernet, 8B6T Giga Ethernet, 8B/10B

Chapter 6

Asynkroninen ja synkroninen tiedonsiirto

Asynkronisessa tiedonsiirrossa lähetetään merkeittäin ja alkuun ja loppun lisätään synkronointibittejä. Mitä isompi on bittien blokki, sitä suurempi voi olla ajastusvirhe. Aloitetaan start -bitillä, jolla vastapuoli herätetään. Tämän jälkeen tulevat oikeat bitit, pariteettibitti ja lopetusbitit. Esimerkki: kellovirheen vaikutus 8 bitin tiedonsiirrossa - luku oman kellon mukaisesti; viimeisen bitin kohdalla saatetaan lukea rajabitin kohdalta.

Synkroninen tiedonsiirto pyrkii siirtämään isompia blokkeja. Voidaan käyttää erillistä kellolinjaa tai tämä sijoiteaan datan sisälle (esim. Manchester -koodaus). Kehyksestä kerrotaan alku ja loppu. Tyypillisesti blokki alkaa aloituslipulla ja päättyy loptuslipulla. Nyt ollaan pääsemässä kehystasolle, eli pakettitasolle.

Virheen havinnointi kehystasolla. Lähtökohta on se, että aina tulee virheitä. Esimerkki: QAM-Wiki ja virheenkorjaus. Tarkistussumman lisääminen kehykseen voidaan toteuttaa eri tasoilla. Lähetetään vastaanottavaan päähän ja lasketaan siellä tarkistussumma sekä verrataan näitä, esim. CRC. Muitakin tekniikoita on olemassa. Esimerkki: tarkistussummafunktio, jonka molemmat osapuolet tuntevat. Data jaetaan tämän loppusummalla. Saadaan tarkistussumma, joka lisätään datan perään.

Virheenkorjauksessa datasta pyritään korjaamaan virhe, mikä ei sovellu hyvin langattomille sovelluksille, sillä virheet aiheuttavat jo sinällään paljon uudelleenlähtyksiä.

Linkkikerroksen kontrolli. Linkkitason ohjaamiseen on käytettävissä omia protokollia, kuten PPP ja HDLC. PPP:ssä löytyy synkronointi, kehyksen rakentaminen ja virheen korjaus (havainnointi). Ja tämä välitetään siirtotien kautta. Esimerkki, sivu 23.

Chapter 7 - Data Link Control Protocols.

Lähestymistavat

Lähtö- ja vastaanottavastaa päässä voidaan lähettää/tulkita paketteja. Tämä on prokollan kieltä. Linkki- tasolla puhutaan kehyksistä, tätä ylemmällä tasolla paketeista: lähetetään kehys, se saapuu perille, ehkä pienellä viiveellä. Virheitä kuitenkin tapahtuu: kehys häviää, kehys muuttaa muotoaan. Linkkitasolla tarvitaan seuraavia toimenpiteitä:

  1. Kehyksen synkronointi.
  2. Vuonvalvonta. Lähettäjän ja vastaanottajan tulee puhua samalla tahdilla.
  3. Virhekorjaus.
  4. Osoitus.

Stop and wait -lähestymistapa. Yksikertaisin tapa vuonvalvontaan. Lähetä, vastaaottaja vastaanottaa ja ja kuittaa. Lähde lähettää uuden. Vastaanottaja voi pysäyttää, jolloin lähettäjä odottaa. Jos on paljon dataa, tämä lähestymistapa ei ole toimiva.

Sliding Windows -lähestymistapa. Lähetetään useita kehyksiä ikkunaan, jonka koko on säädelty. Vastaanottaja kuittaa vastaanotetut kehyksen numeron avulla. Vastaanottaja voi viivyttää uusien kehysten lähettämistä. Kun ikkunassa on tilaa, se liukuu eteenpäin. Dynaamisuus mahdollistaa ikkunan koon säätämisen. Esimerkki, sivu 7.

Virheiden hallinta Virheen korjaus. Positiivinen hyväksyminen. Negatiivinen hyväksyminen ja uudelleenlähetys. Uudelleenlähetys aikakatkaisun jälkeen.

Kadonneet paketit. Esimerkiksi verkkotasolla ylivuototilanteissa paketti saattaa kadota.

Tekniikoita virheiden hallintaan Stop and Wait ARQ. Go Back N. Selective-Reject (ARQ).

Päivän yhteenveto

Olemme tehneet nyt biteistä kehyksiä.

Opit: luento 3

Mitä opin tällä kertaa?

On hyvä, että tältä luentokerralta tuli laadittua omat muistiinpanot osaksi wikiä, sillä tämä on kurssin mahdottomin luentojakso - ja tätä asiaa ei voi kukaan kiistää.

Luennolla ei ehkä voi puhua oppimisesta, vaan seuraamisesta. Ja, kokonaisuutta on vaikea hahmottaa tämmöisen tulituksen alla. Näitä asioita ei edes voi oppia mitenkään ulkoa - se on itse asiassa kovin mahdoton tehtävä.

Oppijan elämää helpottaisi paljon, jos luentosarjaan valittaisiin selkeästi ne asiata, jotka on hyvä omaksua, vaikkapa yleissivistyksen kannalta. On helppo ymmärtää se, että opiskelijat tuskastuvat, jos saavat kokea opiskelijana tämäntyyppistä uusien asioiden “tykitystä” - tosin opettaja kyllä onnistuu erinomaisen hyvin esittämään asiat käytännönläheisesti. Mutta ongelmana on se, että asiat unhotuvat helposti, ja kertaaminen sekä olennaisen hahmottaminen on todella tuskallista: on helppo kuvitella, miten vaikeaa voi olla opiskelijalla, joka ei koskaan ole perehtynyt tietoliikenteeseen käyttökokemusta enemmän. No, toisaalta voisiko tällöin jo syyttää siitä ,että ole hankkinut syvällisempää kokemusta.

Joka tapauksessa tämä opintojakso on haasteellisuudessaan hyvä piristysruiske ja muistutus siitä ,että ympärillämme olevat tietotekninen insfrastruktuuri on äärimmäisen kopleksinen kokonaisuus - ja kehitys on huikeaa.

Tämän luennon asioita on hyvä kerrata ja aina voi oppia ja oivaltaa uuttaa.

Jäikö mitään epäselväksi? Mitä asiat koet vaikeimmiksi ymmärtää? Mitkä asiat ovat vaikeasti opittavissa?

Tämä luentojakso on kokonaisuudessaan liian haasteellinen ja vaikea ymmärrettäväksi, mutta tuo hyvin esille tietoliikenteen kompleksisuuden, mikä on positiivinen asia.

Reflektoinnin kannalta tämä luentojakso on sellainen, joka varmasta antaa aina uusia oppimisen oivalluksia, jos oppijalla on vain aikaa harrastaa.

Peruslukemisella tästä jaksosta ei jää paljon muistiin, mutta kertaaminen vahvistaa sen, että me kyllä opimme yhä enemmän, kun vain jaksamme tehdä töitä.

Kokonaisuudessa voisi todeta, että vaikeimmin opittavia ovat asiat, joissa tulee paljon uusia termejä ja käsitteitä - erityisesti, jos asiaa vielä tarkastellaan useammasta eri näkökulmasta.

Tämän luentojakson osalta erityisenä haasteena on se, että sisältö ei ole kovin käytännönläheistä, vaan hyvin teoreettista.

Luento 4

Luentopäivä 4, osa I To 1.11.2012, perehtyminen materiaaliin, kotitehtävä, reflektointi. Pe 2.11.2012, klo 9-16. Paikalla. Pe 9.11.2012, reflektointi. Pe 16.11.2012, reflektointi. To 29.11.2012, reflektointi. Pe 30.11.2012, reflektointi.

Ensin käyty läpi siirtoteitä, joita on langattomia ja langallisia. Siirtotielle tarvitaan jonkinlainen signaali. Siirtotie rajoittaa tiedonsiirtoa - signaalia ja sen kaistanleveyttä. Signaali kuvaa meille bittejä. Näistä tehtiin kehyksiä, jotka ovat osa linkin hallintaa.

Yksittäistä linkkiä ei käytä aina välttämättä vain yksi yhteys, esimerkki ilmatie, autoradio, televisio, ADSL-yhteys (vrt. lankapuhelimen kanssa suodatin, joka jakoi siirtotien …), kaapelimodeemi TV-verkossa, GSM -puhelin …

Kanavointi (multiplexing)

Usein kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia.

Multiple Access Links and Protocols. Point-to-point. PPP for dial-up access. Link between Ethernet switch and host. Broadcast (shared wire or medium): shared wire, shared RF (802.11 WiFi), shared RF (satellite), humans at a cocktail party.

Kanavoinnin jaottelu, sivu 6. FDMA, TDMA, CDMA, WDMA.

Taajuus vs. aallonpituus.

FDMA Signaalit keskittyvät omalle taajuusalueelle, eli kanavalle. Signaali moduloidaan tietyn taajuisille kantoaalloille. Sivu 8.

Kuva: Signaalin tietty spektri. Tämän keskitaajuus. Kanavalla menevä tieto tietyssä kanavassa. Kaikki muu, mikä menee ulkopuolella on tietoa tietyssä toisessa kanavassa. Riippuen kanavan voimakkuudesta: toinen kuuluu paremmin, toinen huonommin. Signaalin taso naapurikanavalla tulee huomoida.

Sivu 9. Taajuusjakokanavoinnin toiminta. Data joko analogista tai digitaalista. Radio ja tv käyttävät tätä. Sivu 12. Tv ja kolme taajuutta: video, väri ja audio. Signaalin lähetys tietyllä taajuudella. Siirtotiellä eri kanavat. Kuullaan vain tiettyä kanavaa. Antenni ottaa vastaan signaalin. Signaali on purettava kantoaallosta (f1, f2 jne.).

Sivu 11. Kaistanleveydet ja välit. Eivät saa merkittävästi ylittää toisiaan.

Sivu 14. Yhdellä siirtotiellä voidaan siirtää useita kanavia (puhetta). Mitä etäämmälle, sitä suurempia kaistoja käytössä, esim. 10800 kanavaa tietyssä kaapelissa.

AT&T ja ITU-T -määritelmät poikkeavat, mutta näistä voidaan rakentaa erilaisia kokonaisuuksia.

ADSL

Asymmetrinen, erikokoiset siirtotiet jakelu- ja paluusuunnassa. Verkon suuntaan vähän, paluu suurempana.

Sivu 16. Esimerkki. Miten sähköposti toimii? - Selvitä, miten eri osat toimivat. Splitter -malli. Päätekeskukset ⇒ keskukset. Puhelin- ja adsl -liikenteen erottaminen. DSLAM, reititys ISP:lle. Etäisyys tärkeä tarjonnan kannalta. Nykyisin: puhe ja data, jotka eri tekniikoissa jaetaan.

Kuva 18. POTS. Play on Telephone System. Adsl: 25 kHz ⇒ ylöspäin. Puhelinosuus alemmilla taajuksilla; data ylemmillä taajuuksilla.

Kuva 20-21, 19. DMT, discrete multitone. Häiriöt ja vaimenemiset johtuvat taajuudesta. Korkeammilla taajuuksilla virheitä ja häiriöitä enemmän. Data pyritään siirtämään laadukkaalla alueella, eli linjaa pyritään käyttämään tehokkaasti hyväksi. SNR, paras signaalikohinasuhde valitaan, modeemi tarkistaa.

Kuva 22. Ei ole syytä pohtia syvemmälle.

xDSL, eli eri DSL:t

Normaalisti yksi pari kytketty. Kuva 24. Tämän voi huomioida kotitehtävässä.

TDMA, Time-division multiplexing

Jako ajan suhteen. Tietyn aikavälin jälkeen tulee uudelleen tietty kanava käyttöön. Tuleva data digitaalisena puskuriin, jota kanavointilaite käy läpi. Signaali voi olla joko digitaalista tai analogista. Siirrettävä data muodostaa kehyksiä, millä ei ole yhteyttä linkkikehyksiin. Eri datojen aikaviipaleiden muodostama kokonaisuus = kehys, jokaisesta kohteesta otetaan mukaan yksi elementti ja kehykset toistuvat aina tietyin aikavälein.

Sivu 28-31, synkroninen TDMA. Kanava on yksi aikaviipale ja sen muodostama kokonaisuus. Aikaviipaleet varataan koko yhteyden ajaksi, joten tämä kapasiteetti ei ole muiden käytössä. Tiedonsiirtovaiheessa ei tarvita ohjausinformaatiota, koska bitit välitetään yhteyden yli. Linkin vuonvalvonta on kiinteällä yhtydellä tarpeetonta. Lähettäjä ei kuitenkaan saa “ylivuotaa” vastaanottopuskuria, eli valvonta ylemmällä tasolla. Virheenkorjaus tapahtuu ylemmällä tasolla, ei aikajakokanavissa.

Pulse Stuffing Sivu 34. Esimerkki Stallingsin kirjasta.

Kehyksen täyttö dummy -biteillä, jotta saadaan tietty kapasiteetti putken läpi. Läpimenevät kehykset tulee olla tietyn kokoisia ja vastaanottaja tulee olla määritelty. Tarvittaessa eri lähettäjien dataa voidaan yhdistää tai jakaa.

TDM PCM signal, analog ⇒ digital. Äänisignaali digitaaliseksi.

Sivu 36, Digital Carrier Systems.

Sivu 37. Time Division Multiplexing.

Kanavan biteistä voidaan käytttää tietty bittimäärä datalle ja loput signaloinnille, esim. 7 data, bit 8 signaloinnille (tulee esille myöhemmin).

Kehyksen mitta vs. kuinka usein tämä toistuu?

Sivu 38. Signalointi.

ISDN

Vrt. ISDN -puhelimet. Datasiirtomahdollisuus. Ennen ADSL -maailmaa. 48 bits per 250 mikrosec. Kaksi kanavaa puheelle, yksi datalle (2B+D).

Sivu 41. SONET/SDH.

GSM Sivu 44.

Linkitytään tietylle taajuudelle ja tietylle aikajakokanavalle (8 bit kerrallaan tietyin aikavälein).

Kun näytteitä otetaan tietyllä taajuudella, tietystä signaalista ja kun näyttöönottotaajuus on riittävän suuri, näytteistä voidaan rekonstruoida lähetettävä signaali, vrt. 8/4 KHz -suhde.

Statistical TDM

Aikaviipaleiden varaaminen dynaamisesti kunnes kehys on täynnä.

Mitä enemmän on käyttäjiä, sitä enemmän jäädään siirron teoreettissta maksimista.

Sivu 49. Synkroninen TDMA : puolet kapasiteetista käyttämättä. Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA. Tarpeen mukainen aikaviipale varataan. Lisäkaista.

Kaapelimodeemit Sivu 54. Asemien tulee pyytää lähetyslupaa. Sivu 55. Tietty taajuusalue käytössä. Mitä korkeammalle taajuusalueelle mennään, sitä huonnommaksi signaali muodostuu. Operaattorit myyvät ulos enemmän kapasiteettia kuin he pystyvät tarjoamaan. Sivu 56.

CDMA & Spread Spectrum, taajuushyppely ja suora sequenssi http://www.telecomspace.com/cdma.html

Pseudosatunnaisluvut. Näitä käytetään kanavointijärjestelmissä. Kun annat siemenluvun, tästä luodaan satunnaislukuja; jos aloitat samalla satunnaisluvulla, saat samoja satunnaislukuja sarjana.

Ortogonaalinen lähestymistapa. Kaksi ortogonaalista signaalia eivät häiritse toisiaan.

Taajuushyppely (FHSS)http://en.wikipedia.org/wiki/FHSS Vrt. kanavasurffailu (tv) on hyppelyä kanavalta toiselle ja data tulee näiltä eri kanavilta. Sama satunnaisjärjestys molemmissa päissä. Hidas ja nopea. Hidas: taajuus vaihtuu, kun symboli vaihtuu.

DSSS http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-sequence_spread_spectrum Bitit hajautetaan suoraan koko taajuusalueelle tietyllä koodausmenetelmällä (-kaavalla).

CDMA http://en.wikipedia.org/wiki/Cdma Esimerkki, ortogonaalisuus.

CDMA Equipment http://www.telecomspace.com/cdma-equipment.html

WDM, Aallonpituusjakokanavointi http://en.wikipedia.org/wiki/Wavelength-division_multiplexing Tiettyjä kantoaaltoja. Tiettyjä laser -lähteitä. Kanavanjakolaitteet.

DWDM, Tiheä aallonjakokanavointi, Dense Wavelenght Division Multiplexing http://en.wikipedia.org/wiki/DWDM#Dense_WDM

Luentopäivä 4, osa II Pe 2.11.2012, klo 13.30-16. Paikalla. Pe 9.11.2012, reflektointi. Pe 16.11.2012, reflektointi. To 29.11.2012, reflektointi. Pe 30.11.2012, reflektointi.

Tähän saakka on olettu, että yhden linkin molemmissa päissä on laitteet. Näkökulmaa tulee

Kytkentäinen verkko Laitteet kytkeytyvät verkon tiettyyn pisteeseen. Verkon sisällä olevat laitteet - verkon päissä olevat laitteet.

Esimerkit: Netflix stream verkosta, data, reaaliaikaisuus: pakettikytkentä + puskurointi Videokonferenssit, pakettikytkentä Ryhmäkeskustelu, piirikytkentäinen/pakettikytkentäinen (Skype), Lumia -malli, Push to Talk (Nokia)

Piirikytkentäiset verkot → Sivu 21

Sivu 11. Esimerkki.

Pakettikytkentäiset verkot Sivu 22 →

Tietoliikenneverkko, Communications network http://en.wikipedia.org/wiki/Telecommunications_network Pakettikytkentä, Packet Switching [[External Linkhttp://en.wikipedia.org/wiki/Packet_switching]] Piirikytkentä, Circuit Switching http://en.wikipedia.org/wiki/Circuit_switching

Opit: luento 4

Mitä opin tällä kertaa?

Tämä luentojakso on käytännönläheinen ja sisältää runsaasti käytännönläheisiä esimerkkejä; mitään mikä tuli kirjoitettua, ei jäänyt oppimatta ainakin jollakin tasolla. Kertaus helpottaa.

Sinällään tämä luentojakso kertaa hyvin jo aiemmin opittua, mikä helpottaa paljon oppimista.

Voisi sano, että edellisen luentojakson jälkeen tämä luentojakso on ollut sinällään helpotus, mutta edelleenkään ei voi sano, etteikö uusien käsitteiden ja termin kokonaisuus hämmentäisi.

Jäikö mitään epäselväksi? Mitä asiat koet vaikeimmiksi ymmärtää? Mitkä asiat ovat vaikeasti opittavissa?

Tällä jaksolla oli vähemmän sellaisia asioita, joita jäi ymmärtämättä: tämän huomasi erityisesti silloin, kun kävi käsiksi kirjaan luennon jälkeen ja kertaisi asioita.

Edelleen vaikeinta on ymmärtää asioita, joissa hyvin teoreettisien rakennelmien lähestytään kompleksista viritystä, eikä ole aavistustakaan siitä, miten asia liittyy käytännön sovelluksiin - muutoin kuin esitetyn yhden ainoan sovelluksen ohella, eli ilman palaaamista kirjaan tai luentomonisteeseen on kyllä vaikea yhdistää tiettyjä termejä tai käsitteitä - ja käytännön sovelluksia - no, onneksi tältä osin tiettyjä termejä ja käsitteitä on tullut aiemmin vastaan käytännössä, ja näiden osalta ei olekaan mitään oppimishaastetta.

Luento 5

Pe 16.11.2012, EI paikalla, materiaaliin perehtyminen. Pe 23.11.2012, reflektointi. To 29.11.2012, reflektointi. Pe 30.11.2012, reflektointi.

Tämän jakson teemat ovat selkeitä, eli jo kunkin aineiston pääotsikko kertoo selkeästi, mitä nyt tullaan käsittelemään. Näistä aineistoistoisa ei kannata jättää mitään väliin. Kirjankin kappaleet kannattaa kahlata läpi, sillä monet asiat tulee kerrattua näiden luentomateriaalian ja erityisesti kirjan kappaleiden myötä.

Itseopiskelu luentomateriaalien pohjalta: Chapter 14 –Cellular Wireless Networks + kirjan aineisto. Chapter 15 – Local Area Network Overview + kirjan aineisto. Chapter 16 – High Speed LANs + kirjan aineisto. Chapter 17 – Wireless LANs + kirjan aineisto. Internetworking-arkkitehtuuri + vastaava kirjan aineisto. Extra: Chapter 18 – Internet Protocols + kirjan aineisto. Extra: Chapter 19 – Internetwork Operation + kirjan aineisto. Extra: Chapter 23 – Computer and Network Security Threats + kirjan aineisto.

Opit: luento 5

Mitä opin tällä kertaa?

Vaikka tämä luentokerta jäikin väliin, aineistoon perehtyminen on ollut helppoa. Nämä aineistot tuntuvat koko kurssin selkeimmiltä aineistoilta - tältä tuntuu, koska sisällöltään ja käsitteistöltään aineistot tuntuvat tutuimmilta: enää ei tule vallatonta tulvaa uusia käsitteitä ja termejä. No, tietoturvaosuus on ehkä tältä osin poikkeus, mutta sen “kestää”.

Jos koko kurssin aineisto olisi tällä tasolla, olisi helpompi hahmottaa, mikä on olennaista ja mikä ei - ja useimmat asiat tehdään helposti ymmärrettäviksi, kun asioiden ympärille ei rakenneta kaikkia mahdollisia teorioiden ulottuvuuksia, vaan ote on käytännönläheisempi.

Jäikö mitään epäselväksi? Mitä asiat koet vaikeimmiksi ymmärtää? Mitkä asiat ovat vaikeasti opittavissa?

Näistä osioista tietoturvaosuus on haastavin ja vaikein, mutta muutoin tämän osion luentomateriaalit ja kirjan aineisto on hyvää kertausta aiempaan opittuun - koko kokonaisuuteenkin osiltaan.

Eli näitä aineistoja ja kirjan kappaleita ei tule ohittaa, jos on vain aikaa.

Sinällään näiden aineistojen läpi kahlaaminen on työlästä ja edelleen arvioidut työmäärät tuntuvat kovin utopistisilta, jos ei halua selvitä vain hyvällä arpaonnella läpi koko ruljanssista.

Oppimistulokset kurssin aikana

Kurssin sisältö on erittäin vaativa ja haasteellinen - siitä huolimatta, miten erilaisia pistareita tai kokeita järjestetään. Mutta jotain ei voi olla oppimatta kuitenkaan.

Erityisen haastellista on se, että on vaikea hahmottaa sitä, mikä on tärkeää, kun on paljon uusia asioita ja termejä - käsitteitä ja niiden selityksiä. Itse asiassa kaikki tämä on hyödyllistä ja tärkeää, ja mitä enemmän oppii, sitä enemmän voi hyödyntää työelämässä - osa aineistoa on jo vahvaa yleisivistystäkin.

Jokainen hahmottaa kokonaisuuksia omalla tavallaan ja välttämättä se tapa, jolla kurssi etenee ei ole se oikea tapa itselle - en tiedä, onko yleensä aikuisopiskelijallekkaan. Kokemuksen mukaan parasta tapa omaksua asioita aikuisena on se, että tekee harjoituksia ja harjoituksen omaisia työtehtäviä tai ratkaisee case -tyyppisiä ongelmia. Tätä ovat olleet kotitehtävät, mutta niihin paneutuminen on ollut riittämätöntä, kun ajankäyttö on ollut ajateltua runsaampaa.

Kokonaisuudessan kurssi on kuitenkin erinomainen - erityisesti siinä mielessä, että se opettaa hahmottamaan ainakin jollakin tasolla hyvinkin kompleksisia asioita, joita kuitenkin joutuu kohtaamaan työelämässä päivittään - ja ne on vain ratkaistava.

Voiko kukaan enää olla uusavuton tietoliikenneasioiden parissa tämän kurssin jälkeen? No, voi toki. Mutta ehkä hitusen helpompaa on selviytyminen.

Tämän kurssin sisältö ei vaikuta kovin TIMOlaiselta, kun kurssilla keskitytään vain TITE-alueeseen. Kurssi voisi olla huomattavasti antoisampi, jos jätettäisiin syvälle menevien teorioiden kahlaaminen ja keskityttäisiin käytännönläheisemmin alueen haasteisiin ja otettaisiin TITE-kirjan oheen aineistoa, joka käsittelee aluettaa esimerkiksi syvällisemmin TUTA -näkökulmasta ja sivuten myös KATI -näkökulmaa. Tällöin opintojakso ei olisi vain jatkuvaa selviytymistaistelua, vaan hyödyllistä puurtamista ja siten, että oppija voi todella kokea oppivansa jotain - ilman jatkuvaa ulkomuistiin lataamista ja mitä ihmeellisempien termien ja käsitteiden kahlaamista aineistoa reflektoidessa. On helppoa perustella, ettei näin voisi toimia, mutta toisaalta voisi ajatella, että miksei oppijan ajankäyttöä voisi ajatella myös tehokkuuden näkökulmasta.

Kokonaisuutena kurssi on ollut kuitenkin yksi parhaimmista kokemuksista, sillä opiskelussa joutuu ja oppii hyödyntämään moninaista ja laajaa aineistoa, ja englanninkielinen aineisto on hyvä plussa kielitaidonkin kannalta. Ainoana luento- sarjana Wiki antaa mahdollisuuden kerätä omaa aineistoa omalla tyylillä tenttia tai tenttejä ajatellen. Lisämausteena tarjotut plussat ovat hyvä kannustin, jota ei osata tarjota muissa luentosarjoissa oikealla tavalla. Harjoitustyöt tarjoavat sinällään oppimishaasteita niille, jotka haluavat syventyä asioiden osalta - vaikka ne jäisivät ajanpuutteen vuoksi hieman keskeneräiseksikin. Toivottava lisämauste olisi laajempi harjoitustyö - jopa kurssin ajan kestävänä yksilö- tai ryhmätyönä, jolla voisi korvata tuotoksen laadun/tuloksen mukaan osan opinnoista; sisällön voisi saada noista nykyisistä harjoitustöistä, mutta lisäkytkentä TUTA/KATI -alueelle ja käytäntöön olisi suotavaa, sillä käytännön esimerkkien kautta oppiminen on aina vaivattomampaa.

Muuta

Pistarit I

Matkan varrellakin tulee oppia, joten siksi meillä on pistarit. Jopa puolikin tuntia kertausta luentojen jälkeen helpottaa, jotta voi selviytyä pistareista.

Mukana oli helpohkoja lausahduksia, jotka meidän tulee muistaa, vaikka ei kuitenkaan haeta tarkkoja lausetta, vaan lähinnä oikeaa sisältöä.

Tentin termit ja yhdistely on tehtävä, jossa ei ole ennalta määriteltyjä pareja, vaan on useita vaihtoehtoisia ratkaisuja, mutta ratkaisu tulee osata kuvata (“selittää”).

Jatka lauseita

Standardit - Kerrosmalli Pilkotaan asioita pienempiin osiin, joita on helpompi hallita.

Protokolla Protokollalla on aina tietty tehtävä tietyssä kerroksessa, eli protokolla toteuttaa kerroksen tehtäviä.

Protokolla toteutetaan ohjausinformaatiosta, eli ohjausinformaation avulla. Muitakin vastauksia on hyväksytty.

Oikein/Väärin

1. Väärin. TCP/IP: Kevyempi mahdollisesti, tarjoaa enemmän, ohjausinformaation määrä lisääntyy, ei ole syrjäyttänyt tehokkuuden vuoksi UDP: Tätä voidaan myös käyttää OSI: Useampia kerroksia, kerrosten määrä ei ratkaise tehokkuutta

Miten tehokkuus määritellään ?

2. Oikein. Kehyksen koko vaihtelee, joten joudutaan pilkkomaan.

3. Oikein. Antennilla on suurempi merkitys.

4. Väärin.

5. Väärin.

PM - Tulkki - Puhelin

1: PM - Tulkki (ranska ja englanti) - Puhelin ⇒ Englanti ⇒PM - Tulkki (kiina ja japani) - Puhelin. 2: PM - Puhelin ⇒ Tulkkipalvelu (reititin/gateway: parikaapeli vs. valokaapeli) - Puhelin.

Miksi teemme kotitehtäviä?

Kotitehtävät ovat oppimista ja soveltamista varten, eikä niissä aina kannata ottaa esille asiaa, joka tulee mieleen. Voi olla hyvä hakea ratkaisua vaikeammankin kautta.

Kotitehtävä 1

Tehtäväkuvaus:

Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista.

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus:

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.

Protokollalinkkejä

DHCP http://en.wikipedia.org/wiki/DHCP ETHERNET http://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet HTTP http://en.wikipedia.org/wiki/HTTP IP http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Protocol TCP http://en.wikipedia.org/wiki/TCP WIFI http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_network#Wireless_LAN

IPSEC http://en.wikipedia.org/wiki/IPSEC SSH http://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Shell

WLAN -artikkeli

- Langattomien verkkojen seuraava haamuraja: 7 Gbits / s

  • Käyttäjien näkemät siirtonopeudet murto-osa esitetystä maksimista
  • 80211n -standardin lupaus 600 Mbit / s
  • 80211n: yksi tietovirta, maksimi 150 Mbit / s, MIMO: 300 Mbit/s, 3 tietovirtaa: 450 Mbit/s, 4 tietovirtaa: ei markkinoilla

- Kilpailevat standardit http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#802.11ad

  1. 802.11ac:
    • 1/3 tehokkaampi koodaus- ja modulointialgoritmi (256-QAM),2X (80 MHz)ja 4X (160 MHz) kaistanleveydet,
    • Kahdeksan MIMO -tietovirran spatiaalinen limitys (?),
    • Teoreettinen maksiminopeus: 6,9 GBits / s
    • 5 GHz alueen ruuhkattomuus “ryöstetään”
  2. 802.11ad
    • Siirtyminen käyttämättömälle 60 GHz -taajuusalueelle: 2,16 GHz -levyiset kanavat
    • Korkeat bittivirrat ilman spatiaalista limitystäkin
    • Useita koodaus- ja modulointialgoritmeja
    • ODF -moduloinnilla dataa siirtyy jopa 6,8 Gbits / s, standardissa maksimi 4,6 Gbits / s.

- Uusia tuotteita tulee markkinoille ennen kuin standardit on hyväksytty

- Wireless HDMI -konsortio (2006-): viihdeteollisuus, oma specifikaatio 1.0 (2008) ja 1.1 (2010. - Wireless Gigabit -allianssi: specifikaatiot WiGig (2010) ja 802.11ad (2011).

- Käytännön sovellukset:

  1. Reitittimissä 802.11ad:tä ei tulla näkemään alkuvaiheessa
  2. Kodeissa yli Gbits / s Ethernet harvinainen näky
  3. Ulkoisten näyttölaitteiden liitäntöjen lisäksi todennäköinen sovellus on kannettavan langaton telakka

Ethernet, USB 3.0 ja ESATA(?) -liitännällä

  1. Laitteiden fyysisen toteutuksen kannalta merkittävä ero eri taajuusalueilla, mm. antennien pituus
  2. Älypuhelimiin ja tabletteihn ympärisäteilevien antennien sijasta vaiheohjattuja antenniryhmiä
    • Kilanmuodostus: laitteet etsivät optimaalisen lähetystehon kullekin antenniryhmälle
    • Suuntaus: Radioliikenne voidaan kohdistaa päätelaitteesta suoraan vastinlaitteeseen ja päinvastoin (Multi-User MIMO)
  3. IGTHz -ryhma ja terahertzin aallot
    • 802.15 -työryhmässä terahertzin (275 GigaHz - 3 TeraHz) käyttöä tutkiva ryhmä
    • Avaruuden tyhjiössä terahertzin aallot etenevät esteittä, mutta ilmakehä ja sen kosteus vaimentavat signaalia
    • Soveltamisesimerkki: Videovuokraus ja Full HD -kuva

Avainkäsitteet

  1. MIMO (Multiple Input-Multiple output): http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO
  2. Spateettinen limitys (Ultra-wideband): http://en.wikipedia.org/wiki/Ultra_wide-band
  3. Monitie eteneminen (Multipath propagation): http://en.wikipedia.org/wiki/Multipath_propagation

Käsitteitä luonnolta

  1. Monitie-eteneminen
    • Signaali tulee useampaa reittiä, eri aikaisesti
    • Signaali hajoaa
    • Tämä voi olla myös vahvuus, vrt. MIMO (=tekniikka)
  2. Spatiaalinen limitys
    • MIMO -tekniikalla saavutetaan tavoite
    • MIMO hyödyntää monitie-etenemistä
  3. MIMO
    • Hyödyntää monitie-etenemistä, antennipatteri
    • Esimerkkki: kaksi lankapuhelinta - singnaali perille tehokkaammin
  4. Gb -yhteysnopeus
  5. Kaistanleveydet
    • Olivat luennon aiheena
    • Nykyisin 20 MHz vrs. > 50 GHz (2000x leveys)
    • 256 QAM
  6. Taajuusalueet
  7. Standardit

Kotitehtävä 3

Kotitehtävä 4

Tarkastallaan 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.

Kotiyhteyteni rakentuu ZyXelin Prestige 600 sarjan ADSL-modeemi WLAN ominaisuudella. Kytkintä ei voi vaihtaa, kun se on kytketty yrityksen määrittämillä asetuksilla. Tällöin selivitykseni mukaisesti WLAN on salattu, palomuuri on käytössä, NAT on käytössä, WPA(2)-PSK-kryptaus käytössä ja IPSEC VPN on käytössä. Konfiguraatiossa WLAN-verkko ja lankaverkko on sillattu samaan IP-verkkoon

Siirtotien alkupäässä on halvin ja käytetyin siirtotie, eli parikaapeli (Category 5). Käytännössä parikaapeliin liittyvänä heikkoutena on tullut todettua, että yhteys on herkkä erilaisille häiriöille. Ajatelleen saatavilla olevaa nykytekniikkaa ja nopeuksia,käyttäjänä voisi ajatella, että tietoliikennettä voisi hyödyntää tehokkaammin, kun tiedonsiirtotie olisi nopein mahdollinen ja ominaisuuksiltaan kestävin, kuten valokuitu: suuri kapasiteetti, alhainen signaalin heikentyminen, ei altis elektromageneettiselle säteilylle, minimaalinen tarve toisimille. Ratkaisua odottaa saavan sovellettavaksi myös omassa Ethernet -kotiatyöasemaverkossa. Tosin tehokkuutta voi ajatella myös suhteessa panostettuun rahaan, eli infraan käytettyyn sijoitukseen. Tällöin nykyinen ratkaisu on tyydyttävä, mutta skenaarion voisi rakentaa ratkaisulle, joka ylittää käyttäjän odotusarvotkin. Parikaapelikin tukee suurempiakin nopeuksia.

Tarkistin, että sisäverkoin laitteet voitaisiin toimittaa erillisen tarjouksen mukaan (mm. mahdolliset kuitumuuntimet), jos sisäverkon pituus (Cat 5e tai Cat 6) ylittää sallitun maksimipituuden 90 m ja sisäverkko rakennetaan valkuitukaapelilla.

Siirtotiehen liittyvien häiriöiden osalta verkon voi sanoa olevan tehokas, kun tiedossa on, että verkkoyhteys on rakennettu kaupungin taajama-alueelle ja parikaapeliyhteys vaihtuu hyvin lähellä kuituun tukeutuvaan runkoverkkoon (kaupunkiverkko), joka on eletromagneettisesti eristetty ja vaimeneminen on pientä: pieni virhealttius ja kustannustehokkuus - myös suhteessa saavutettavissa oleviin nopeuksiin. Kun on kyse kaupunkialueesta, tehokkuutta eivät ole pientämässä siirtotien pituutta lisäävät useat analogiset vahvistimet ja digitaaliset toistimet.

Täten käyttäjän näkökulmasta tehokkuus tulee myös verkkotekniikoista - niiden luotettavuudesta ja toisaalta laajennettavuudesta, jolla voidaan lisätä tehokkuutta. Toisaalta korkea käytettävyys ei ole mahdollista, ellei verkkotekniikat tukisi yhtäaikaista käytettävyyttä, tehokasta virheenkorjausta,erilaisia pakettikokoja ja palvelutasoja. ADSL -käyttää modulaationa DMT:tä, joka on OFDM:n kantaajuinen muunnelma, jolloin käytössä oleva taajuusalue on jaettu 255 kanavaan, mikä mahdollistaa sen, että kunkin kanavan häiriönsietokykyä ja tiedonsiirtonopeuttaa voidaan säättää erikseen. Nousevaan suuntaan käytetään taajuusaluetta 23-138 kHz ja laskevan suunnan taajuusalue on 2,2 MHz ja kanavien määrä vastaavasti 512.

Nykyiset ADSL-tekniikat käyttävät modulaationa DMT:tä, OFDM:n kantataajuista muunnelmaa. ADSL- ja ADSL2-tekniikoissa laskevaan suuntaan käytössä oleva 1,1 MHz:n taajuusalue on jaettu 255 kanavaan. Kunkin kanavan häiriönsietokykyä ja tiedonsiirtonopeutta voidaan säätää erikseen. Nousevaan suuntaan käytetään taajuusaluetta 23–138 kHz, joka on jaettu 32 kanavaan. ADSL2+:n laskevan suunnan taajuusalue on 2,2 MHz ja kanavien lukumäärä 512. ADSL2+:n teoreettinen siirtonopeus laskevaan suuntaan on 24 Mb/s ja nousevaan suuntaan 1,4 Mb/s. Toimiakseen tehokkaasti ADSL:n tulee tukea tarkoituksenmukaisesti virheenkorjausta (kts. Wiki-liittet). (Viitteet: [http://fi.wikipedia.org/wiki/ADSL2%2B]] http://fi.wikipedia.org/wiki/ADSL

Verkkotekniikoiden osalta myös ADSL-laitteen hyödyntämillä tekniikoilla on merkitystä; vaikka nykyinenkin siirtotie tukisi jopa Gbps nopeuksia, tämä ei kuitenkaan ole vielä mahdollista end-to-end. ADSL -laitteeseen kytketyn WiFi -yhteyden, eli tukiaseman tehottomuutta ilmentää alttius häiriöille, joiden yhteydessä latausnopeudet putavat muutamiksi sekunneiksi, jolloin esimerkiksi Skype -yhteydet “pätkivät”. No, erään kerran yhteydet olivat poissa, ja kahden Elisan kahden päivän selvitystyö paljasti, että DNAn porukka oli katkaisuun koko taloyhtiön verkkoyhteydet kaivamalla kaapelit poikki ja poitumalla tekopaikalta.

Ongelmia selvitettäessä viitataan usein siihen, että tulisi vaihtaa kanavaa, ottaa palomuuri pois päältä, päivittää laitteen firmware tms. eli todellista syytä tehottomuuten on vaikea selvittää. Netistä löytyneiden tietojen mukaan käytössä on 13 eri kanavaa, joille ei kuitenkaan ole varattu täysin omia taajuusalueita, vaan ne menevät osittain päällekkäin toistensa kanssa. Lienee niin, että häiriötä saattaa tulla myös naapurin langattomasta yhteydestä, jos siellä käytetään samaa kanavaa, tai taajuusalueet muutoin menevät päällekkäin. Toisalta seinärakenteet, ikkunat, jopa huonekalut ja muut ulkopuoliset häiriötaajuudet vaikuttavat WiFi -kanavan valintaan, koska ne aiheuttavat häiriöitä eri muodoissaan. Käytännössä sopivan ja parhaiten toimivan taajuuden löytää vain kokeilemalla. Tukiaseman sijoitus (antennin suuntaus) vaikuttaa myös erittäin paljon langattoman verkon toimivuuteen. Tämäkin asia on selvinnyt parhaiten kokeilemalla.

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.

Kokonaiskuvan hahmottaminen asiakas-palvelin -sovelluksen kautta

TCP/IP -protokollapino mahdollistaa internet -pohjaiseen työskentelyyn soveltuvan arkkitehtuurin, jossa koko esimerkiksi tietty sovellus voi palvellla suurta joukkoa käyttäjiä ympäri maailman.

Asiakas-palvelin -tyyppiset sovellukset ovat tyypillisiä verkottuneen ympäristön sovelluksia. Tällöin asiakassovellus (aktiivinen osapuoli) keskustelee kerrallaan normaalisti yhden palvelinsovelluksen (passiivinen osapuoli) kansssa kanssa (peer-to-peer communication). Palvelimen näkökulmasta tarkastellen asiakkaita voi kuitenkin olla rajaton määrä (riippuen palvelukyvystä).

Tyypillinen sovellus on web- eli selainpohjainen sovellus, joka tukeutuu HTTP -protokollaan. Jos asiakas-palvelin -kommunikaatio on yhteydetöntä, tällöin asiakas- ja palvelinohjelma keskustelevat UDP-protokollalla. Tässä oletamme, että keskustalu on yhteydellistä, jolloin keskustelu on TCP -pohjaista. Tässä suhteessa UDP-pohjainen toimintamalli ei tarjoa luotettavaa asiakas- ja palvelinsovelluksen välistä tiedonvälitystä yli verkon (WAN), vaikka se voisi tarjota luotettavan toiminnan tietyssä verkossa (LAN).

Asiakassovelluksen täytyy tunnistaa palvelin osoite (ja porttinumero), mutta palvelin tunnistaa asikkaan vasta, kun yhteys palvelimeen on muodostettu. Porttinumeroiden avulla tunnistetaan tietyt asiakas- ja palvelinsovellukset, jolloin tietty palvelinsovellus odottaa yhteyttä tietyssä porttinumerossa (kuten HTTP:80).

Käyttäjälle asiakas-palvelin sovellus on yksi sovellus, jonka hän käynnistää, ja tämä ohjelma sijaitsee jossakin levyn kulmalla ja tietyssä hakemistossa.

Asiakas ja palvelin voivat olla eri verkoissa, joiden välinen yhteys muodostetaan verkkojen välityksellä. Tietyssä verkossa voi olla kytkimiä ja muita verkkolaitteita.

Kun käyttäjä käynnistää ohjelman ja tallentaa tietoa, tietovirta asiakkaan päässä tapahtuu TCP-protokollapinossa ylhäältä alaspäin, tämän jälkeen läpi verkon ja edelleen TCP-protokollapinossa ylöspäin palvelinpuolella. Asiakasohjelma kommunikoi palvelinsovelluksen kanssa tietyn tunnetun protokollaportin kautta.

TCP -varmistaa asiakas-palvelin -sovelluksessa yhteyden luotettavuuden tarjoamalla seuraavia palveluita: segmenttien uudelleenlähetys, tarkistussummat tietosisältöjen oikeellisuuden varmistamiseksi ja vuonohjauksen.

Asiakassovellus kommunikoi jokaisessa TCP-protokollapinon kerroksessa vastaavan tason kanssa kohdepäässä, eli palvelinsovelluksen kanssa sen tietosisällön avulla, joka välitetään kussakin kerroksessa (header). Jokainen kerros lisää oman tietosisältönsä (header) aiemman tason tietosisällön lisäksi. Tämä vastaava tietosisältö poistetaan aina vastaavalla tasolla kohdepäässä.

Verkkolaitteiden (kuten reitittimet ja sillat) voivat toimia TCP/IP -protokollapinon eri kerroksissa, kuten reitittimet, jotka välittävät paketteja internet -kerroksessa (internet layer) ja sillat, jotka välittävät kehyksiä linkkikerroksessa (Data Link Layer).

Executive summary

Asiakas-palvelin sovelluksen käyttäjän pyyntö tiettyyn web-sovellukseen pelkistetysti, jolloin oletetaan, että siirto tapahtuu virheettä, ilman ylivuotoja ja verkkohäiriöitä. Myöhemmin eritellään soveltuvin osin eri kerrosten toimintaa tarkemmin.

Käyttäjä kirjautuu koneelleen, jolla on tietoturvaohjelmisto: hän huomaa, että virustarkistusohjelma kertoo, ettei koneella ole tietoturvamielessä mitään uhkia.

Käyttäjä kirjoittaa web-selaimelle sovelluksen www-osoitteen. Virustarkistusohjelma tekee tarkistuksia. Kun käyttäjä toteuttaa tietyn toiminnon, eli pyynnön, asiakasohjelma muodostaa HTTP:llä TCP -yhteyden palvelimelle, jossa on palvelinsovellus.

Kun TCP ei tunnista isäntien nimiä,www-osoite täytyy muuntaa 32-bittiseksi IP-osoitteeksi. Tämä tapahtuu DNS-palvelun (Domain name services) avulla. Lisäksi kohdepalvelimen HTTP-palvelin tunnistetaan 16-bittisellä porttinumerolla, samoin web-sovellus, jonka käyttäjä on käynnistänyt.

Kuljetuskerroksen TCP lähettää kohteeseen pyynnön muodostaa yhteys HTTP-porttiin sekä palvelinsovellukseen tietyssä portissa.

Tämä tehdään pyytämällä Internet -kerroksen IP-modulia lähettämään IP -datagrammi aiemmin tunnistettuun IP-osoitteeseen. IP-datagrammin tieto-osio määrittelee, että pyynnön tulee avata yhteys.

Verkkoyhteyskerros muodostaa yhteyden kohdepalvelimelle käyttäen tässä hyväkseen reititystä ja tunnistamalla eri reittien rajapinnat - eli tarvitaan eri protokollia.

Ethernet -laitteen ohjan lähettää Ethernet -kehyksessä pyynnön lähettää paketti Ethernet -verkkoliitynnän kautta (NIC,network interface card) edelleen fyysiselle siirtotielle ja edelleen kohti kohdepalvelinta.

Fyysisellä siirtotiellä olevien verkkolaitteiden täytyy tunnistaa kohdepalvelimen MAC-osoite, jotta paketti voidaan toimittaa kohdepalvelimelle ja edelleen protokollapinon kautta ylös sovelluskerrokselle. Muunnoksessa käytetään apuna protokollaa.

Viimein paketti on saapunut kohdepalvelimelle, mutta tarvitaan vielä työtä, jotta voidaan muodostaa TCP-yhteys ja siirtää käyttäjän lähettämä HTTP-pyyntö.

Ja, kun käyttäjä jatkaa työskentelyään sovelluksella, edellä mainittu tiedonsiirto eri kerroksissa jatkuu uusien pyyntöjen myötä.

Sovelluskerros (application layer)

Sovelluskerros määrittelee, kuinka tietty sovellus hyödyntää verkkoa.

Asiakassovellus keskustalee palvelinsovelluksen kanssa sessioiden kautta, jotka voidaan suoraja autentikointimentelmin tai toisaalta kryptaamalla lähetettävää tietosisältö.Sovelluskerroksessa hallitaan kommunikaatiota käyttäjälle, esimerkiksi tilanteissa, joissa päädytään virhetilanteeseen yhteyden osalta. Sovellus lähettää tietopyyntöjä sokettien avulla luomalla yhteyden, yhdistämällä soketin tiettyyn palvelimeen (IP -osoite ja portti) sekä lähettämällä ja vastaanottamalla tietosisältöä.

Kuljetuskerros (transport layer)

Jokaisella TCP -segementillä on määritelty otsikkotason tietosisältö, joka on välttämätön edellytys luotettavalle tiedonsiirrolle, mm. järjestysnumero (sequence number), hyväksymisnumero (acknowledgement number), kontrollibitit (control bits), ikkunan koko (windows size) ja tarkistussumma (checksum), joita käytetään ohjaamana tietosisällön välitystä siten, että voidaan tunnistaa virheet ja kadonnut tietosisältä sekä käynnistää uudelleensiirtoja, kunnes tietosisältö on välitetty - täydellisesti hoidettu.

TCP -yhteys lähteen ja kohteen (asiakkaan ja palvelimen) välillä muodostaan käyttelymenetelyn avulla. Ns. “SYN” hyökkäys (the den voi hyödyntää tätä prosessia hyödyntämällä avoinna olevaa yhteyttä ja välittämällä peräkkäisiä yhteyspyyntöjä, eli Kun palvelin vastaanottaa asiakkaalta “SYN” pyynnön, sen tulee seurata osittain avoinna olevaa yhteyttä “kuuntelujonossa” tietyn ajan.

Tietoturvaongelmien ratkaisuna on varautuminen tiettyihin tunnettuihin aukkoihin teknologistilla ja sovellusratkaisuilla sekä monitoroimalla verkkoa vähentän vahinkoja, jos hyökkäys toteutuu.

Kuljetuskerros määrittelee, kuinka varmistetaan luotettava tiedonsiirto.

TCP välittää muodostaa sovelluskerrokselta välitetystä tietosisällöstä segmentin/segmentit (TCP UDP) ja välittää sen edelleen internet -kerrokselle.

Kun asiakassovellus lähettää tietosisältö palvelinsovellukselle, se vaatii palvelimelta kuittauksen. Jos tätä hyväksyntää ei saada, TCP lähettää kadonneen tai virheellisen tietosisällön uudestaan. Näitä prosesseja kutsutaan virheenkorjausmekanismeiksi, eli ARQ (Automatic Repeat Request). TCP protokolla käyttää ARQ -mekanisimia, jota kutsutaan Go-Back-N -protokollaksi: segmentti lähetetään uudelleen, kun sen oletetaan kadonneen tai olevan virheellinen, eli kun kuittausta ei ole saatu tai tapahtuu TCP:n kellon mukainen aikakatkaisu (tietyn määritetyn ajan kuluessa) tai samalle segementille on saatu useita kuittauksia.

Internet -kerros (internet layer)

Internet -kerros määrittelee, kuinka tietosisältö muotoillaan ja reititetään edelleen verkkokerrokselle.

Kun Internet -kerros saa paketin ylemmän tason protokollalta, eli TCP:tä, verkosta etsitään sellaista reititystaulua, josta löytyvä IP-osoite lähinnä vastaa kohde IP-osoitteen reittiä, eli voi olla juuri kohde IP-osoite (host route), tai IP-osoitetta, joka sisältää kohteen IP-osoitteen verkko-osan, tai oletusreittiä. Ellei reittiä löydetä, datagrammi hylätään.

Kohteen IP -osoite Interner -layerin tietosisällössä (header) sisältää IP -datagrammin määräänpään, mutta tämä voi kulkea usein IP-osoitteiden kautta (reitittimien) päämääräänsä.

Internet -tasolla tietosisältö voidaan jakaa pienempiin paketteihin, mikä varmistaa, ettei välitetä verkon läpi sellaisia paketteja, joita ei hyväksytä kokorajoitteen vuoksi.

Jokaisella pakeitlla on “elinaika”, joka ilmoitetaan paketilla omassa kentässään (Time to live), joka päivitetään jokaisella kerralla, kun paketti “ohittaa” tietyn reitittimen, ja jos tämä arvo saavuttaa arvon nollla, paketti hylätään.

Verkkoyhteys (Network access)

Toisin kuin ylemmän tason kerrosten, verkkoyhteyskerroksen protokollien täytyy tunnistaa verkon fyysinen rakenne, jotta se voi osallistua tietosisällön välitykseen ja mukata tietosisällön oikeaan muotoon fyysisellä siirtotiellä.

Verkkoyhteyskerros määrittelee, kuinka tietosisältö, eli kehykset (frame delay), paketit (packet switch) tai kennot/solut (cells) organisoidaan ja välitetään verkkoon (network level packet).

Verkkoyhteyskerros kontrolloi palmuurien avulla liikennettä käyttäen hyväksi lähde- ja kohdeosoitteen osoitetta ja porttinumeroita, joko hyväksyen tai estäen tietosisällön välityksen.

ARP -protokollan (Address Resolution Protocol) tuella voidaan muuntaa IP-osoite osoitteeseen, joka vastaa fyysisen tason osoitteistusta, eli kuten Ethernet tai MAC-osoite.

Fyysinen kerros (physical layer)

Fyysinen kerros määrittelee verkon fyysisen infrastruktuurin, eli muun muassa siirtotien mediat ja näiden operaatiot, langattomien yhteyden vastaatottimet, verkkokorttien rajapinnan. Osa fyysisten laitteiden toiminnallisuudesta sijoittuu verkkoyhteys -kerrokseen.

Data täytyy koodata ja signaloida fyysisessä kerroksessa, eli datan muuntamisesta biteiksi fyysisessä infrastruktuurissa, kuten tietokoneet ja palvelimet. Näin data voidaan sekä vastaanottaa että edelleen välittää siirtotiellä signaaleina.

Verkon rakenne on fyysiseen kerrokseen liittyvä ominaisuus, jolloin keskeisenä elementtinä on topologiat niin LANeissa kuin WANeissakin. Asiakas-palvelin sovelluksessa oletettiin, että toimitaan WAN -ympäristössä.

Tietopyyntö välitetään tietyn Ethernet -verkon läpi palvelinsovellukselle, joka on tietyllä palvelimella toisessa verkossa (WAN). Tietopyyntö välitetään lähdeverkon kytkimien (switch) kautta ulkopuoliseen verkkoon ja edelleen muiden verkkojen reitittimien (routers) kautta kohdeverkkoon, jossa se kulkee sisäisen verkon sillan (bridge) kautta välitettäväksi palvelinsovellukselle.

Sillat yhdistävät verkkoja (LAN) toisiinsa, ja niissä tietoa käsitellään kehystasolla. Kytkimet välittävät tietosisältöä pakettitasolla tallentaen tiedon puskurimuistiin ja lähettäen sen edelleen (Store and Forward).

Kaksi järjestelmää voivat “kuunnella” verkossa toisaan, kunnes on hiljainen tila, joka mahdollistaa tiedonsiirron ilman “törmäyksiä”. Jos törmäys tapahtuu, nämä osapuolet joutuvat odottaaan tietyn ajan, kunnes voidaan lähettää uudelleen. Ethernet -verkossa tätä prosessia oma protokollansa CSMA/CD (Carrien Sense Multiple Access with Collision Detect).

Fyysinen verkkoyhteyden näkökulmasta verkon nopeudella ja häiriöttömyydellä on merkistä, koska käyttäjä näkee sovelluksen toiminnan kautta verkossakin olevat häiriöt. Toisaalta tietopyynnön vastaanotto verkon kautta ja uuden tietopyynnön muodostaminen vaativat aina aikaa ja kuluttavat järjestelmäresursseja (sovelluspalvelin, käyttöjärjestelmä, levyjärjestelmän I/O, tietokantaratkaisu).

Fyysisessä verkossa verkkoliikennettä kontrolloivat laitteet voivat toimia palomuureina, jotka ovat ensimmäisenä mahdollisena puolustuksena kuhunkin verkkoon kohdistuvia hyökkäyksiä vastaan.

Asiakassovelluspään protokollapino

Fyysinen kerros välittää tietopyynnön palvelinsovelluspäässä protokollapinossa ylöspäin kohtisovelluskerrosta käyttäen kunkin tason palveluita.

TCP/IP ja tietoturva kontekstissa

Tietyt ohjelmat sallivat kirjautumisen etäkohteesta ilman salasanaa, kuten rsh ja rcp; tai asiakas-palvelin -sovellukseen ei ole rakennettu riittäviä käyttöoikeusroolituksia, joilla varmistetaan käyttöoikeustarkistukset. Kirjautuminen niin sovelluksissa kuin käyttöjärjestelmätasolla on tietoturvaongelma, joka tulee aina ratkaista suojauksin.

Tietyntyyppisiltä hyökkäyksiltä voidaan suojautua tietyntyyppisin menetelmin, kuten: ICMP -protokollan (Internet Control Message Protocol) viestien uudelleenlähetystä voidaan estää suojatun yhteyden, eli IPSEC -protokollan avulla. TCP -istunnon “varastaminen” tai blind spoofing (“sokkovarastaminen”) voidaan estää SSH -protokollaan (Secure Shell Protocol) tai suojatun yhteyden avulla. Virustorjuntaohjelmat tarjoavat jo sinällään monipuolisen suojan virustorjunnan ja ohjelmallisten palomuurien avulla. Verkkoihin kytketyt palomuurijärjestelmät sisältävä monipuolisia mahdollisuuksia tietoturvaan.

Wiki-linkkejä tietoturvaan:

http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_security http://wiki.apache.org/tomcat/FAQ/Security http://en.wikibooks.org/wiki/FOSS_Network_Infrastructure_and_Security/Security_Functions_with_FOSS

Wiki-linkkejä asiakas-palvelin -sovelluskontekstiin liittyen: http://simple.wikipedia.org/wiki/Client-server http://en.wikipedia.org/wiki/Network_socket http://wiki.answers.com/Q/Explain_the_client-server_model_on_the_Internet_In_which_layer_of_the_TCPIP_protocol_suite_is_the_model_implemented

Ajankäytöstä

Luento 1

  • Lähiopetus: 6 h
  • Itseopiskelu: 15 h, sisältäen Wiki + ennakkotehtävä + kirja + kotitehtävä 1, reflektio

Luento 2

  • Lähiopetus: 2 h, etukäteen, itseopiskeluna, luentomateriaalit ja kirja
  • Lähiopetus: 6 h, itseopiskeluna
  • Itseopiskelu: 15 h, sisältäen Wiki + kirja + kotitehtävä 2, reflektio

Luento 3

  • Lähiopetus: 2 h, etukäteen: itseopiskeluna, luentomateriaalit ja kirja
  • Lähiopetus: 6 h, paikalla
  • Itseopiskelu: 15 h, sisältäen Wiki + kirja + kotitehtävä 3, reflektio

Luento 4

  • Lähiopetus: 2 h, etukäteen: itseopiskeluna, luentomateriaalit ja kirja
  • Lähiopetus: 6 h, paikalla
  • Itseopiskelu: 15 h, sisältäen Wiki + kirja + kotitehtävä 4, reflektio

Luento 5

  • Lähiopetus: 2 h, etukäteen: itseopiskeluna, luentomateriaalit ja kirja
  • Lähiopetus: 6 h, itseopiskeluna, Ei paikalla
  • Itseopiskelu: 20 h, sisältäen Wiki + kirja + kotitehtävä 4, reflektio

Huomautus: Muu wallaton ajankäyttö ennen koetta.


http://www2.it.lut.fi/wiki/doku.php/courses/ct30a2001/start