Oppimispäiväkirja

Ennakkonäkemys aihealueesta

Kuten varmasti lähes kaikille nykyihmisille, tulee itsellenikin tietoliikenteestä ensimmäisenä mieleen tavalliset kuiduissa ja kuparikaapeleissa tapahtuvat eri tekniikoilla ja protokollilla toteutetut tietoliikennejärjestelmät. Näiden lisäksi tietoliikenteenä ajattelen myös laitteen sisäisten komponenttien välisen kommunikoinnin erilaisten väylien ja protokollien avulla, kuten esimerkiksi SMBus ja I2C.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe: Perusasiat tietoliikennetekniikasta
  • Päivän tärkeimmät asiat: Kerrosmallit, protokollat
  • Mitä opin tällä kertaa: Miten tieto kulkee esim. tietokoneiden välillä ja mistä se koostuu. TCP ja UDP protokollan otsakkeet.
  • Jäi epäselväksi: -

Luentopäivä 2:

  • Aiheena protokollien tehtävät, tiedonsiirron standardit, siirtotiet
  • Protokollat hoitavat mm. pienempien lohkojen (segmenttien) kokoamisen, yhteyden muodostuksen/purun (jos tarpeen) sekä virheen havainnoinnin ja korjauksen.
  • Standardoinnilla on etuja (esim. yhteensopivuus) mutta myös haittoja (uudet tekniikat tulevat hitaasti käyttöön hitaan standardointiprosessin takia). Tietoliikenteellä on useita eri standardointiorganisaatioita.
  • Tietoliikennetttä voidaan välittää useita erilaisia siirtoteitä pitkin, kuten radioilla, pari- tai koaksiaalikaapelilla, tai optisella kuidulla.

Luentopäivä 3:

  • Päivän aihe: Analoginen ja digitaalinen signaali
  • Tärkeimmät asiat: Analogisen ja digitaalisen signaalin ero, niiden muodostaminen ja rakenteet, virheiden esto ja korjaus.
  • Mitä opin: Asynkroninen ja synkroninen signaali, virheiden havaitseminen, muodostuminen ja esto/korjaaminen.
  • Jäi epäselväksi: Onko tilanteita jolloin nopeassa verkossa kannattaa käyttää virheenkorjausta uudelleenlähetyksen sijasta?

Luentopäivä 4:

  • Päivän aihe: Kanavointi ja kanavointimetodit, piiri- ja pakettikytkentäiset verkot.
  • Tärkeimmät asiat: Taajuusjakokanavointi (FDMA), Aikajakokanavointi (TDMA), Koodijakokanavointi (CDMA), Aallonpituusjakokanavointi (WDMA), verkkojen tehokkuus.
  • Mitä opin: Kanavointitekniikat ja niiden erot, paketti- ja piirikytkennän erot, tietoverkkojen suorituskykyyn vaikuttavat seikat.

Luentopäivä 5:

  • Päivän aihe: Matkapuhelinverkkojen toiminta, LAN-lähiverkot, WLAN-verkot, Internetworking
  • Tärkeimmät asiat: Matkapuhelinverkkojen (solu)rakenne, tilaajien liikkuminen solusta toiseen, LAN-verkkojen rakenne, tekniikat ja topologiat, WLAN-verkkojen tyypit ja toiminta, useiden verkkojen yhidistäminen
  • Mitä opin: Mistä matkapuhelinverkot muodostuvat, LAN-verkkojen topologiat, kuinka verkot toimivat yhdessä.
  • Jäi epäselväksi: Miten 4G-verkkojen rakenteet eroavat 3G-verkoista ja pysyvätkö 4G-verkot nopeina käyttäjien lisääntyessä verrattuna nykyisten 3G-verkkojen ruuhkautumiseen.

Mitä opin kurssin aikana

Minulla oli harrastuneisuuden vuoksi jo jonkin verran pohjatietoa aiheesta. Kurssilla opin kuitenkin syvällisemmin, miten tekniikka toimii tietoliikenteen takana. Tällä tarkoitan siis kanavointityyppejä, signaalinmuodostusta ja bittien koodausta, virheiden havaitsemista sekä korjausta. Opin nyt myös ymmärtämään kerrosmallit, ja verkkojen toiminnan niiden pohjalta. Uutena asiana tuli myös verkkojen suorituskyvyn muodostuminen, ja siirtoteiden ominaisuudet ja niiden vaikutukset verkkojen toimintaan.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Kotitehtävä1: Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista

Seuraava kuva kuvastaa kämppäni sisäisen tietoverkon:

Eli sisäverkosta löytyy sekä 100Mbps (punainen) että 1Gbps (sininen) linkkejä, gigaista tukevat laitteet kuten verkkokovalevy (+http-palvelin), työpöytäkone, sekä mm. virtualisointikäytössä oleva testailupalvelin ovat gigaisella linkillä yhteydessä keskenään. Mustalla merkitty yhteys on HDMI-kaapeli; RaspberryPi toimii mediatoistimena telkkarille. Myös televisio on kytketty verkkoon, sillä se tukee netti-tv:tä. Kaikki sisäverkon koneet pääsevät lnetin kautta nettiin käsiksi erillisen reitittimenä toimivan tietokoneen kautta.

Kysymykset: 1) Kuinka kauan menee, että N-standardin mukainen WLAN-yhteys koetaan langattomalle käytölle liian hitaaksi. 2) Tekeekö sähköverkon kautta tapahtuva tiedonsiirto jossain vaiheessa comebackin. 3) Kuinka vaikea todella esim. TOR-verkon kautta tapahtuvan anonyymin liikennöinnin alkuperäinen lähde on selvittää.

Kotitehtävä 2

Omassa ympäristössäni ovat käytössä mm. Ethernet: http://fi.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.3
WLAN (802.11g): http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11
I2C: http://i2c2p.twibright.com/spec/i2c.pdf

Kotitehtävä 3

1. Radioamatöörilähetin + pumpputyyppinen sähkötysavain: - Siirtotienä toimii ilma, taajuusalueena 1-30MHz radioamatööritaajuudet. - Koodauksena toimii morsekoodi, joka voidaan rinnastaa erittäin varhaiseen digitaaliseen signaaliin. (Kaksi tilaa, päällä (lyhyt tai pitkä merkki) ja pois päällä (merkkien ja sanojen tauot).

2. Ethernet - Siirtotienä (yleensä) parikaapeli. - Koodauksena Manchester. 1-bitti on laskeva tilamuutos ja 0-bitti nouseva. Manchesterissa bittimuutos tapahtuu keskellä bittiä, joten lähetettävästä signaalista voidaan muodostaa myös kello.

3. S/PDIF - Siirtotienä joko RCA-liittimellä varustettu koaksiaalikaapeli, tai TOSLINK-liitäntäinen valokuitu. - Koodauksena differentiaalinen Manchester, joka poikkeaa normaalista Manchesterista siten, että tasovaihtelut kuvaavat bittien muutosta, eivätkä suoraan bittejä. Jännitetaso muuttuu aina bitin muutoksen puolivälissä.

Kotitehtävä 4

1. Radio + Morsekoodi. - Sähkötyksessä tehokkuus saadaan yksinkertaisella lähetteellä, sekä siitä johtuvalla erittäin kapealla kaistanleveydellä. Yksinkertaisuuden vuoksi signaali voidaan kuulijasta riippuen tulkita heikostakin ja häiriöllisestä signaalista. Yhtäaikainen käyttö mahdollistetaan lähinnä taajuusjaolla, mutta päällekkäisetkin signaalit on helppo tulkita, sillä lähettimestä voidaan säätää “piippauksien” äänenkorkeutta.

2. Ethernet - Ethernet-verkot käyttävät kanavointina CSMA/CD:ia (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). verkkoon kytketyt laitteet kuuntelevat verkkoa, ja lähettävät mikäli verkko ei ole sillä hetkellä käytössä. Ethernetissä ei yritetä suoranaisesti välttää törmäyksiä, vaan havaita ne. Vastaanotin mittaa jännitetasoja, ja epänormaali jännitetaso voidaan tulkita kahden lähettimen samanaikaiseksi lähetykseksi. Törmäyksen havainnut vastaanottaja lähettää jam-signaalin, joka pysäyttää kaikki lähetykset. Kaikki asemat odottavat tällöin satunnaisen ajan, jonka jälkeen lyhimmän ajan odottanut asema aloittaa lähetyksen.

3. Valokuitu - Valokuituja voidaan käyttää tehokkaasti WDM eli Wavelength Division Multiplexing (Aallonpituusjakokanavointi)-tekniikalla. Tässä kanavointitavassa eri signaalit lähetetään eritaajuisilla valonsäteillä, joista jokainen muodostaa oman kanavansa.

Kotitehtävä 5

Otan omaksi sovelluksekseni radioamatöörien digitaalisena lähetelajina nykyään käytettämän PSK-31 lähetten.

Yleinen asettelu on siten, että radio on kytketty tietokoneen äänikorttiin, sekä sarjaporttiin. Sarjaportilla voidaan lukea CAT-protokollaa käyttäen radiolta mm. käytössä oleva taajuus. Tässä tapauksessa sitä käytetään kuitenkin lähettimen kytkemiseen päälle ja pois.

Tietokoneohjelmaan kirjoitetaan lähetettävä teksti, joka muodostaa PSK (Phase-Shift Keying, vaihesiirtomoduloidun) lähetteen. Tiedon koodaus toimii siten, että 180 asteen vaihesiirto vastaa nollabittiä ja vaihesiirron puute ykkösbittiä aina 32 millisekunnin välein. Äänikortti muuntaa lähetteen analogiseksi, josta se siirtyy radiolle. Radio luo SSB-moduloidun lähetteen, ja siirtää sen siirtolinjaa (useimmiten koaksiaalikaapeli) pitkin antenniin. Oikein rakennetusta ja vireessä olevasta antennista lähete lähtee ilmoille. Vastaanottavassa päässä SSB-moduloitu lähete ilmaistaan ensin vastaanottimessa, josta se siirtyy tietokoneelle. Äänikortti muuntaa PSK-lähetteen digitaaliseksi, ja tietokoneohjelma tulkitsee lähetteen tekstiksi näytölle.

Radioamatöörikäytössä lähetteet ovat aina salaamattomia, eli tietoturvaa niissä ei ole, eikä sille ole tarvettakaan. Kuitenkin PSK-tyyppiseen lähetteen voi saada tietoturvaa käyttämällä esim. koodikieltä (vastaanottaja näkee tekstin, muttei ymmärrä sitä), tai käyttämällä esimerkiksi taajuushypintää.

Viikoittainen ajankäyttö

Luentoviikko 1

  • Lähiopetus: 6 h + kotitehtävät 1h = yht. 7h

Luentoviikko 2

  • Lähiopetus: 0h + kotitehtävät 2h + itseopiskelu 1,5h = 3,5h

Luentoviikko 3

  • Lähiopetus: 0h + kotitehtävät 1h + itseopiskelu 1,5h = 2,5h

Luentoviikko 4

  • Lähiopetus: 6h + kotitehtävät 1h + itseopiskelu 1h = 8h

Luentoviikko 5

  • Lähiopetus: 3h + kotitehtävät 1h + itseopiskelu 1h = 5h

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