Hanna-Leena Riissasen wiki

Oppimispäiväkirja

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenne on informaation välittämistä lähettäjältä vastaanottajalle erilaisia siirtoväyliä käyttäen. Esimerkkejä tietoliikenteestä on mm. matkapuhelinverkko, e-bisnes, verkkopankki, sähköinen tiedonsiirto. Tietoliikennejärjestelmä koostuu lähettimestä, siirtovälineestä ja vastaanottimesta. Verkko, jolla informaatiota välitetään, voi olla lähiverkko, paikallinen verkko tai koko maan kattava, kuten matkapuhelinverkko. Käyttäjälle tietoliikenne on usein näkymätöntä tai vain osin näkyvää. Tietoliikenteeseen kuuluu jatkuva tekninen kehitys. Tieto välitetään nykyisin digitaalisessa muodossa.

Tietoliikenteeseen kuuluvia termejä: matkapuhelinverkko, e-bisnes, myyntijärjestelmäsovellus, internet, sähköposti, verkkotulostin

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Kommunikointimalli, kerrosmallit ja protokolla

Tietoliikenteessä pyritään siirtämään tietoa muuttumattomana lähettäjältä vastaanottajalle. Siirtomuoto riippuu siirtokanavasta. Tieto täytyy muuttaa ensin sellaiseen muotoon, että sitä voidaan siirtää siirtokanavassa lähettäjältä vastaanottajalle. Se täytyy muuttaa vastaanottajan päässä takaisin ymmärrettävään muotoon. Tämä kuvataan tiedonsiirtomallin avulla.

Lähettäjän ja vastaanottajan välinen kommunikaatio tapahtuu verkon, laitteiden ja sovellusten avulla. Stallingsin 3-portainen teoreettinen kerrosmalli kuvaa, miten tiedonvälitys hoidetaan. Sovelluskerros välittää informaation, kuljetuskerros kertoo, kuka lähettää, miten ja kenelle sanoma välitetään. Verkkokerroksen kautta sanoma lähtee lähtettäjältä, kulkee tietokanavassa ja siirtyy vastaanottajan verkkokerroksen kautta, kuljetus- ja sovelluskerrokselle. TCP/IP mallissa tämä kuvataan viidellä kerroksella ja OSI-mallissa 7-kerroksella.

Protokolla on kieli, jolla lähettäjän ja vastaanottajan kerrokset kommunikoivat keskenään. Sanomaan lisätään kuljetus- ja verkkokerroksella lisätietoa, jotta vastaanottajan kerrokset ymmärtävät kuka lähettää, kenelle lähettää ja mitä lähettää.

Luentopäivä 2:

Protokolla ja siirtotiet

Protokolla on sopimus, miten asioita tehdään, jotta laitteet kommunikoivat keskenään. Protokolla toteuttaa kerrosmallin verkko-, kuljetus- ja sovelluskerroksen toiminnot. Protokolla sisältää muotoilun (syntax), toimintalogiikan (semantics) ja ajoituksen (timing). Kerrosarkkitehtuurissa tiedonsiirto jaetaan osatehtäviin,jolloin siitä saadaan hallittu kokonaisuus. Kukin kerros hoitaa oman osuutensa tiedonsiirrossa. Sovelluskerroksella viesti hajoitetaan segmenteiksi. Segmentoituun dataan lisätään ohjaustietoa. Tätä kutsutaan paketoinniksi. Ohjaustieto toteuttaa protokollan eli mahdollistaa lähettäjän ja vastaanottajan kerroksien välisen kommunikoinnin.

Siirtotie jaetaan, jotta siirtokanavassa voidaan siirtää mahdollisimman nopeasti ja tehokkaasti paljon tietoa. Tämä tarkoitaa, että siirtonopeus, käyttöaste ja kustannustehokkuus kasvaa. Tiedon pilkkominseen lähetyspäässä, tiedon siirtämiseen siirtotiellä ja tiedon kokoamiseen vastaanottajan päässä tarvitaan protokollaa.

Siirtotiet jaetaan johtimellisiin ja johtimettomiin siirtoteihin. Johtimellisia siirtoteitä ovat kaapelit ja optiset kuidut. Johtimellisissa siirtoteissä siirtotien materiaali ja signaali vaikuttavat tiedonsiirroon laatuun ja ominaisuuksiin. Signaalin vaimenemista estetään analogisessa tiedonsiirrossa vahvistimella ja digitaalisessa tiedonsiirrossa toistimella. Etäisyys vaikuttaa datanopeuteen. Tulevaisuuden johtimellinen siirtotie on optinen kuitu. Disperstio on optisen signaalipulssin levenemistä vastaanottopäässä.

Johtimettomissa siirtoteissä signaali etenee väliaineen (kuten ilman) välityksellä. Johtimettomia siirtoteitä ovat radiotie, mikroaaltolinkit, satelliittilinkit ja infrapunalinkit. Linkki on kahden laitteen välinen yhteys. Signaalia vahvistetaan antenneilla. Antennin laatu ja kastan leveys ovat siirtotietä tärkeämpiä ominaisuuksia. Vapaan tilan vaimeneminen, eli signaalin tehon pieneneminen ilmassa, otetaan huomioon, kun lasketaan antennien etäisyyksiä. Johtimettomaan tiedonsiirtoon liittyy vaimenemisen lisäksi monitie-eteneminen. Interferenssi tarkoittaa, että samanvaiheiset aallot vahvistavat toisiaan ja vastakkaisen vaiheiset kumoavat toisensa. Monitie-eteneminen vaikuttaa signaalin laatuun. Vaimenemisen lisäksi aallot voivat heijastua, taittua, taipua tai sirota.

Sähkömagneettinen spektri kuvaa kaikki sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudet. Kun taajuus kasvaa, aallonpituus pienenee. Vain tiettyjä taajuuksia voidaan käyttää ja osa taajuuksista on säännöstelty esimerkiksi viranomaiskäyttöön.

Luentopäivä 3:

Tiedon koodaus siirtotielle, koodaustekniikat, synkronointi

Tiedonsiirto on signaalin lähettämistä siirtotielle. Jotta tieto saadaan muokattua siirtotielle sopiviksi bittijonoiksi, siitä pitää muodostaa signaali. Tiedon modulointi signaaliksi tapahtuu kerrosmallin alimalla, fyysisellä tasolla. Informaatio on muutettu ensin dataksi, josta muodostetaan signaali. Tiedonsiirto siirtokanavassa voi olla yksisuuntaista, yksisuuntaista kerrallaan tai kaksisuuntaista.

Signaali on sähkömagneettista värähtelyä, joka kuljettaa tietoa. Signaali koostuu useista taajuuksista, joita kuvataan siniaalloilla. Amplitudi ilmaisee signaalin voimakkuutta, jonka yksikkö on V. Taajuus ilmaisee muutosnopeutta ja sen yksikkö on Hz. Vaihe ilmaisee signaalin sijainnin ajan suhteen. Jakso ilmaisee aallon pituuden. Signaalin kaistanleveys on korkeimman ja matalimman sinikomponentin välinen erotus. Signaalin kaistanleveys voi olla suurempi kuin siirtotien kaistanleveys. Signaalia voidaan muokata eli moduloida. Amplitudiavainnuksessa muokataan signaalin voimakkuutta, taajuusavainnuksessa muutosnopeutta ja vaiheavainnuksessa signaalin vaihetta. Bittien eli nollien ja ykkösten vaihtumista signaalissa kuvataan siirtymillä. Siirtymien on oltava nopeita, jotta ne erotetaan signaalin vastaanotossa. Näin estetään lukuvirheiden syntyminen.

Data muutetaan signaaliksi neljällä eri tavalla:

  1. digitaalisesta datasta tehdään digitaalinen signaali - koodaus
  2. digitaalisesta datasta tehdään analoginen signaali (siirretään digitaalinen data puhelinverkkoon) - avainnus
  3. analogisestaen datasta tehdään digitaalinen signaali (ääni ja kuva) - modulointi
  4. analogisesta datasta tehdään analoginen signaali (lankapuhelinverkko) - modulointi

Kullakin siirtotiellä on oma kaistanleveytensä. Vain osa signaalin kaistanleveydestä mahtuu siirtotielle. Kohina, virheiden määrä ja siirtotien fyysiset rajoitteet vaikuttavat datanopeuteen. Datanopeutta laskemalla vastaanoton erotuskyky paranee.

Synkronointi tapahtuu kerrosmallin linkkikerroksella. Synkronointia tarvitaan, jotta lähetetty tieto pystytään lukemaan vastaanottopäässä oikein. Data voidaan lähettää synkronoituna tai synkronoimatta. Virheitä siirtotiellä aiheuttaa kohinan lisäksi vaimeneminen ja purskeet. Bittejä vahingoittuu tai katoaa siirtotiellä.

Virheitä voidaan havainnoida eri tavoilla. Synkronoimattomaan lähetykseen voidaan lisätä pariteettibitti. Tarkistussummasta voidaan nähdä, onko tieto otettu oikein vastaan. Synkronoidussa lähetyksessä biteistä tehdään kehyksiä, joihin voidaan lisätä tarkistussnumma tai koodisana. Linkkikerroksella valvotaan kehyksien synkronointia, vuon valvontaan, viheiden korjausta, osoitteita ja linkin hallintaa. Tähän on olemassa oma protokollansa.

Luentopäivä 4:

Tietoliikenne jaetaan tele- ja dataliikenteeseen. Televerkkoon kuuluu lankapuhelinverkko (johtimellinen) ja GSM-matkapuhelinverkko (langaton). Dataverkko koostuu mm. lähiverkoista (LAN-kotiverkko), kaupunkiverkoista, instututionaalisista verkoista (Eduroam) ja mjista etävarkoista (WAN). Verkko on laitteiden välisten linkkien yhteenlittymä. Verkko koostuu päätelaitteista (matkapuhelin, kannettava tietokone) linkeistä (kahden laitteen välinen kommunikointi) ja verkkolaitteista (verkossa toimivat, tietoavälittävät laitteet). Verkossa toimivia laitteita, jotka välittävät tietoa, kutsutaan solmuiksi.

Solmujen väliset linkit jaetaan kanavoinnin avulla. Kanavoinnissa hyödynnetään siirtotien kapasiteettia kuljettaa tietovirtoja. Siirtotie voidaan jakaa neljällä tavalla:

  1. taajuusjakokanavointi, siirtotien kaistanleveys jaetaan useammalle kavavalle (ADSL - puhe/data)
  2. aikajakokanavointi, signaalien viipailinti siirtotielle (GSM-matkapuhelinverkko, kaapelimodeemi)
  3. koodijakokanavointi, analoginen signaali levietään taajuudelle (3G-verkko, bluetooth)
  4. aallonpituusjakokanavointi (optiset yksimuotokuidut)

Tiedonsiirto voidaan tehdä piiri- tai pakettikytkentäisesti. Piirikytkentää käytetään televerkoissa ja pakettikytkentää dataverkoissa. Piirikytkennässä muodostetaan ensin yhteys, sitten siirretään data ja lopuksi yhteys katkaistaan. Pakettikytkennässä ei muodosteta kiinteää yhteyttä vaan pakeit voivat kulkea erilaisia reittejä pitkin. Reititys tapahtuu lähettäjän päätelaitteelta verkossa kytkettyjen verkkolaitteiden kautta päätelaitteelle. Reititys voidaan suorittaa pienimmän hypyn - tai pienimmän kustannuksen -periaatteella. Reitityksessä huomioidaan reitittimien väliset hypyt, kustannus ja viive, tehdänkö reititys paketille vai yhteydelle, missä kohtaa reitityspäätös tehdään, millainen informaatio reitistä tarvitaan ja milloin reititystä päivitetään.

Luentopäivä 5:

Reititykseen voidaan käyttää erilaisia strategioita.

  1. kiinteät taulut
  2. tulviminen
  3. satunnainen reititys
  4. mukautuva reititys

Reititykseen liittyy ruuhkanhallinta. Solmuissa on sisääntulo- ja ulostulopuskurit. Datapaketit tulevat puskuriin odottamaan käsittelyä, tallennusta ja eteenpäin lähettämistä. Kun puskuri täyttyy, puskurin ulkopuolelle jäävä data häviää. Jos datan ei haluta häviävän, siitä pitää ilmoittaa verkossa taaksepäin lähettävälle solmulle. Ruuhkanhallintaan on erilaisia keinoja. Esimerkiksi liukuva ikkuna on tällainen keino. Verkossa tapahtuu viivettä, kun dataa käsitellään solmuissa. Dataa häviää, kun viive verkossa kasvaa tai kun solmun puskurit täyttyvät.

Mobiiliverkot

Matkapuhelinverkko on soluverkko, joka koostuu tukiasemista. Matkapuhelin etsii tukiaseman. Tukiasema ohjaa puhelun matkapuhelinkeskukseen, joka etsii tukiaseman, jonka piirissä vastaanottaja on. Kun soittaja tai vastaanottaja liikkuvat, he saattavat siirtyä tukiasemalta toiselle. Tukiasemat eivät keskustele keskenään vaan siirron tekee matkapuhelinkeskus.

3G-matkapuhelinverkossa siirtotie jaetaan koodijakokanavoinnin avulla. GSM-verkossa käytetään aikajakokanavointia. Suomeen on rakenteilla 4G-matkapuhelinverkko, joka käyttää LTE-teknologiaa. 4G-verkko mahdollistaa ubiikin eli jokapaikan tietotekniikan. Tiedonsiirtonopeus kasvaa 100 Mbps. Tällä hetkellä 4G-verkko on saatavilla vain suurimmissa kaupungeissa. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) on taajuuskaistalomitukseen perustuva tekniikka, jolla kyetään samaan aikaan lähettämään tietoa usealla kantoaaltotaajuudella. OFDM on laajakaistainen siirtotekniikka ja ihanteellinen käytettäväksi esim. MIMOn (Multiple Input Multiple Output) yhteydessä.

Lähiverkot

Lähiverkot muuttuvat yhä nopeammiksi. Avainelementtejä lähiverkoissa on verkon topologia, siirtotie ja kuka saa käyttää siirtotietä. Lähiverkkoja käytetään mm. kotona ja toimistoissa. Tekniikkana on usein parikaapeli-Ethernet. Ethernet vastaa kerrosarkkitehtuurin kahta alinta kerrosta. Fyysinen kerros huolehtii datan muuttamisesta signaaliksi ja signaalin lähettämisestä siirtotielle. Linkkikerros jaetaan MAC- ja LLC- kerrokseen. MAC huolehtii siirtotien hallinnasta ja LLC linkin hallinnasta.

Lähiverkkoja voidaan laajentaa siltaamalla tai reitittämällä. Siltaus tapahtuu kahden samanlaisen verkon välillä (LAN & LAN). Reititystä käytetään yhdistämään erilaisia verkkoja (LAN & WAN). Siltauksessa käytetään MAC-osoitetta ja reitityksessä IP-osoitetta. Lähiverkoissa MAC-osoitteella jaetaan siirtotie päätelaitteiden kesken.

Langatottomassa lähiverkossa viimeinen linkki on langaton, muut linkit ovat johtimellisia. Langattoman lähiverkon tukiasema (esim. ADSL) on kiinni verkossa. Tukiasema ei tarjoa siirtymistä tukiasemalta toiselle. Langattoman lähiverkon taajuusalue Suomessa on 2,4 GHz.

Mitä opin kurssin aikana

Opin kurssin aikana, että tiedonsiirto voidaan jakaa puhe- ja dataliikenteeseen. Tiedonsiirrossa digitaalinen data muutetaan useimmiten analogiseksi signaaliksi modulaation avulla. Signaalin ja siirtotien kaistanleveys vaikuttavat siirtonopeuteen. Tiedonsiirto voidaan tehdä piiri- tai pakettikytkennän avulla. Opin, miten nämä tavat eroavat toisistaan ja milloin niitä käytetään. Opin erilaiset tekniikat, joilla siirtotie voidaan jakaa käyttäjien kesken. Ymmärrän eron GSM, 3G ja 4G matkapuhelinverkkojen välillä. Opin, että optiset kuidut ovat tulevaisuuden johtimellisia siirtoteitä. Langattomat yhteydet mahdollistavat jokapaikan tietotekniikan. 4G-verkkoa on Suomessa jo suurimmissa kaupungeissa. Tulevaisuudessa 4G-verkko syrjäyttää lankapuhelinverkon kiinteän laajakaistan, koska se on nopeampi. Opin kurssilla, miten erilaisia siirtoteitä käytetään hyväksi ja mitkä ovat tulevaisuuden siirtoteitä. Opin myös miten niiden kapasiteettia ja nopeutta voidaan lisätä. Kurssi oli mielenkiintoinen ja antoi selkeän kuvan, miten tiedonsiirto tapahtuu kotona tai työpaikalla kiinteän yhteyden avulla ja esim. autossa tai junassa langattoman yhteyden avulla. saehkoepostin_laehetys_kaennykaestae_yrityksen_palvelimelle.odt

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

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

Kysymykset

  1. Miten kotoa lähetetään sähköpostia?
  2. Miten tieto siirtyy työpisteestä yrityksen palvelimelle valokuitukaapelia pitkin?
  3. Miten verkkopankki toimii netissä?
  4. Miten sähköpostia voidaan käyttää sekä kannettavalta tietokoneelta että matkapuhelimsesta?

Järjestelmässä käytettäviä palveluita

  1. sähköposti
  2. verkkopankki
  3. matkapuhelinliikenne

Kotitehtävä 2

Kotitehtävässä 1 käytettäviä protokollia:

IMAP – Internet Mail Access Protocol - on sähköpostien lukemiseen tarkoitettu protokolla. IMAP säilyttää viestit palvelimella. Viestit voidaan järjestellä eri hakemistoihin. IMAP:n avulla palvelimella oleviin sähköpostiviesteihin voidaan päästä käsiksi useilta eri koneilta. IMAP-protokollan loi Mark Crispin vuonna 1986.IMAP aiheuttaa palvelimelle kuormitusta ja vaatii palvelimelta levytilaa. IMAP määritellään RFC-dokumentissa RFC 3501 - Internet message access protocol - version 4rev1. Tällä hetkellä käytössä oleva IMAP protokolla on versio 4 eli IMAP4. IMAP toimii TCP/IP-yhteyden yli käyttäen porttia 143, ja SSL-suojattuna porttia 993. http://tools.ietf.org/html/rfc3501

TCP - Transmission Control Protocol - on tietoliikenneprotokolla, jolla luodaan yhteyksiä tietokoneiden välille, joilla on pääsy Internetiin. TCP-yhteyksien avulla tietokoneet voivat lähettää toisilleen tavujonoja luotettavasti. TCP-protokolla pitää huolta, että paketit saapuvat perille oikeassa järjestyksessä. Tarvittaessa hävinnyt paketti voidaan lähettää uudestaan. Tätä tarkoitusta varten TCP-protokollaan on kehitetty erilaisia vuonvalvonta- ja ruuhkanhallintamekanismeja. Suurin osa Internetin liikenteestä perustuu TCP-protokollaan ja koko TCP/IP-protokollaperhe on saanut nimensä TCP-protokollan perusteella. http://tools.ietf.org/html/rfc793

IP - Internet Protocol - on protokolla, joka huolehtii IP-tietoliikennepakettien toimittamisesta perille. Se yhdistää kaikki Internetiin liitetyt koneet toisiinsa. IP-paketit toimitetaan perille IP-osoitteiden perusteella. Verkkotunnuksien muuttamisesta IP-osoitteiksi vastaa DNS-järjestelmä. IP-pakettien perille toimittamista sanotaan reitittämiseksi. Tällä hetkellä Internetissä on yleisimmin käytössä IP-protokollan neljäs versio eli IPv4. http://tools.ietf.org/html/rfc791

Kotitehtävä 3

Tehtävässä 1 käytettäviä siirtoteitä ja niillä käytettävät koodaukset.

1. Matkapuhelinverkko - radiotie

Analoginen signaali välitetään korkeataajuuksisilla radioaalloilla eli mikroaalloilla. Puhe (datanopeus 64 kbs) muutetaan vaiheavainnuksella analogiseksi signaaliksi (datanopeus 5 kbs). Radiotien kaistanleveys on 5 MhZ.

2. Lankapuhelinverkko - johtimellinen siirtotie, parikaapeli

Digitaalinen data muutetaan ADSL-modeemilla analogiseksi signaaliksi puhelinverkossa siirrettäväksi. Käytetään QAM-avainnusta ali amplitudi- ja vaiheavainnuksen yhdistelmää. Laajakaistayhteyden kaistanleveys on 20 Mz ja datanopeus 20Mbs.

3. Optinen kuitu - johdollinen siirtotie

Muutetaan digitaalinen data valoaalloiksi, jotka välitetään yksimuotokuitua pitkin. Signaali muutetaan amplitudiavainnuksella. Optisen kuidun kaistanleveys on 100 - 1000 THz ja datanopeus 10 GBS.

Kotitehtävä 4

1. GSM-matkapuhelinverkossa käytetään aikajakokanavointia (TDMA)radioverkossa. Useampi käyttäjä pystyy käyttämään radiotietä, kun signaali lähetetään viipailoituna ajan suhteen. Aikajakokanavoinnissa datan pitää olla digitaalista. Signaali voi olla analoginen tai digitaalinen.

UMTS/3G-verkossa käytetään koodijakokanavointia (CDMA), jolloin signaali levitetään taajuudelle koodausavaimen avulla. Määränpäässä signaali erotetaan levitetystä taajuudesta.

4G-verkossa käytetään OFDM-tekniikkaa(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Se on taajuuskaistalomitukseen perustuva tekniikka, jolla kyetään samaan aikaan lähettämään tietoa usealla kantoaaltotaajuudella.

2. Lankapuhelinverkossa hyödynnetään parikaapelin siirtotien kaistanleveyttä jakamalla se puhe-kanavaan ja data-kanavaan. ADSL-modeemi käyttää taajusjakokanavointia (FDMA). Signaalin pitää olla analoginen.

3. Optinen yksimuotokuitu käyttää aallonpituusjakokanavointia (WDMA). Lasersäde lähettää jopa 160 kanavaa, jolloin saadaan optisen kuidun datanopeudeksi 1,6 Tbps.

Kotitehtävä 5

Sähköpostin lähetys kännykästä sähköpostipalvelimelle Tietoturva toteutetaan sähköpostiohjelmaan kirjautuessa (käyttäjätunnus ja salasana), kännykän tietoturvaohjelman avulla, koodijakokanavoinnilla langattomalla siirtotiellä, palomuurilla yrityksen sähköpostipalvelimen ja verkon välissä.

Viikoittainen ajankäyttö

Luentoviikko 1

  1. Lähiopetus: 6 h
  2. Kotitehtävä: 2 h
  3. Oppimispäiväkirja: 1 h
  4. Luentomateriaalien ja omien muistiinpanojen lukeminen: 2 h

Luentoviikko 2

  1. Lähiopetus 6 h
  2. Kotitehtävä 2h
  3. Oppimispäiväkirja 1 h
  4. Luentomateriaalin ja omien muistiinpajoen lukeminen 2 h

Luentoviikko 3

  1. Lähiopetus 6 h
  2. Kotitehtävä 2h
  3. Oppimispäiväkirja 1 h
  4. Luentomateriaalin ja omien muistiinpajoen lukeminen 2 h

Luentoviikko 4

  1. Lähiopetus 6 h
  2. Kotitehtävä 2h
  3. Oppimispäiväkirja 1 h
  4. Luentomateriaalin ja omien muistiinpajoen lukeminen 2 h

Luentoviikko 5

  1. Lähiopetus 6 h
  2. Kotitehtävä 2h
  3. Oppimispäiväkirja 1 h
  4. Luentomateriaalin ja omien muistiinpajoen lukeminen 2 h

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