Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenne tarkoittaa minulle tiedon liikuttamista paikasta toiseen. Se käsittää kyseisen prosessin kaikki mahdolliset tasot eli sen fyysisestä lähetyksestä aina sen sisältämän informaation esitysmuotoon. Fyysisellä tasolla se vastaa kysymykseen “miten data saadaan paikasta A paikkaan B” esimerkiksi kaapelia pitkin tai langattomasti. Tähän tasoon kuuluu myös tiedon reititys eri välietappien välillä. Korkeammalla tasolla se tarkoittaa tiedon lähettämistä fyysistä kanavaa pitkin, sen pakkaamista ja virheiden korjaamista.

Avainsanoja: TCP, UDP, IP, HTTP, FTP, CRC, LAN, WAN, ISP, DNS

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe: Antaa yleiskäsitys tietoliikenteestä.
  • Päivän tärkeimmät asiat: Tietoliikenne verkkoja ja datan liikuttamista voidaan helpoiten kuvata kerrosmallilla. Ja millaisista tasoista nämä mallit koostuvat.
  • Mitä opin tällä kertaa: OSI ja TCP/IP kerrosmallin. Missä osissa portit ovat. hiukan ftp protokollasta.
  • Jäi epäselväksi: Miten FTP protokollan yhteydet toimivat eri tilanteissa. ( eli miten data liikkuu, mitä portteja se käyttää )

Luentopäivä 2:

  • Päivän aihe: Luennolla käsiteltiin Protokollien tehtäviä ja toimintoja, standardoinnista ja sen tärkeydestä sekä käytiin läpi erilaisia siirtoteitä.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    • Protokollien rakenteissa pitää ottaa huomioon monia asioita. Ne koostuvat syntaksista ( pakettien kentät ), semantiikasta ( toimintalogiikka mm. virheenkorjaus ) ja ajoituksesta ( esim. pakettien järjestyksen ylläpito ). Protokollan tarkoitus on kapsuloida tietovirta niin, että sitä voidaan käyttää helposti. Toisissa protokollissa kuten TCP/IP:ssä on lisäominaisuukksia kuten pakettien saapumisen vahvistus.
    • Standardointi on hyvin tärkeää tietoliikenteessä. Protokollien ja laitteiden standardoinnin tarkoituksena on, että useat laitteet ymmärtäisivät toisiaan. Näin ollen laitteiden välille ei tarvitse itse alkaa luoda protokollaa vaan ne ymmärtävät toisiaan jo valmiiksi. Standardit mahdollistavat tuotteiden massatuotannon sillä ei ole pelkoa, että ne eivät menisi kaupaksi. Standardeja tehdessä joudutaan kuitenkin yleensä tekemään kompromissejä mitkä eivät aina välttämättä ole edullisia.
    • Siirtotie on tapa millä data oikeasti liikkuu laitteiden välillä. Nämä voidaan jakaa johtimellisiin ja johtimettomiin ( lannagllisiin ) siitoteihin. Johtimellisia siirtoteitä ovat mm. parikaapeli, valokuitu ja sähköjohto. Johtimettomia taas mikroaaltolinkit, radiotiet ja infrapuna. Huomioonotettavia asioita on esim. siirtotien tarjoama kaista, kantama, mahdolliset häiriötekijät ja montako laitetta siihen voidaan kytkeä.
  • Mitä opin tällä kertaa: Protokollien tarjoamista palveluista ja eri siirtoteissä huomioitavista asioista.
  • Jäi epäselväksi: Miten monitie-etenemiseltä voitaisiin suojautua tai tilannetta korjata.

Luentopäivä 3:

  • Päivän aihe: Tälläkertaa käsittelyssä oli asiaa signaalin digitalisointiin ja näiden signaalien välittämiseen käytetyistä protokollista.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    • Analogisen tiedon digitaalisointia voidaan tehdä monella eri tapaa. Tapoja millä nollia ja ykkösiä voidaan ilmaista on monia mm. NRZ-L missä nolla ilmaistaan yhtenä tilana ja ykkönen toisena. Monimutaisemmassa “Bipolar-AMI” tavassa nolla on aina perustaso mutta ykköset vuorotellaan +1 ja -1 tasoilla. Dataa voidaan myös moduloida eri tavoilla. Näitä tapoja on amplitudi-, taajuus- ja vaihemodulointi.
    • Dataa vastaanottaessa on helpointa havaita muutokset tiloissa. Tästä syystä on kehitetty tapoja millä pitkät nolla ja ykkos jonot voidaan muuttaa vaihtelevaksi signaaliksi. Esimerkiksi HDB3 rikkoo näitä pitkiä nolla/ykkös jonosta lisäämällä siihen virheellisen kohdan minkä vastaanottaja huomaa ja korjaa oikeaksi sarjaksi.
    • Dataa häviää aina silloin tällöin eli siirtolaitteissa on virheentunnistus ja korjaus algoritmejä. Tunnistus hoituu helpoiten CRC:n avulla. Jos paketti häviää kokonaan lähetetään se uudestaan pienen hetken kuluttua.
  • Mitä opin tällä kertaa: Miten digitaalista dataa voidaan lähettää langattomasti niin, että sen havaitseminen olisi mahdollisimman helppoa. Miten synkronoitninopeus ja kaistan muutos vaikuttaa tiedonsiirron teoreettiseen maksimiin.
  • Jäi epäselväksi: Kuinka paljon taajuustasoja oikean elämän laitteilla on käytössä. esim radio, wlan?

Luentopäivä 4:

  • Päivän aihe: Multipleksointi ja eri tietoliikenteen kytkentätavat.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    • Multipleksoinnilla tai kanavoinnilla tarkoitetaan siirtotien kapasiteetin jakamista usean samanaikaisen käyttäjän kesken. Multipleksointi voidaan toteuttaa eri tavoilla. Näitä tapoja on taajuus-, aika-, koodi- ja aallonpituuskanavointi.
      • Taajuuskanavoinnissa kapasiteetti jaetaan taajuusalueisiin. Jokainen käyttäjä käyttää omaa alitaajuutta. Taajuuksien välille tulee jättää riittävästi tilaa jotta häiriöitä ei syntyisi.
      • Aikakanavoinnissa jokainen käyttäjä voi lähettää dataa vain tiettynä hetkenä. Näin ei tarvita erillistä vuonvalvontaa. Linkin kaistaa kuitenkin menee hukkaan jos joku ei lähetä dataa.
      • Koodijakokanavoinnissa kanvoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite. Vastaanottajan pitää tietää rakasti mitä koodaustekniikkaa käytetään.
      • Aallonpituuskanavointi on varsinkin valokuitulinkkien käytössä. Aallonpituus on suhteellinen taajuuteen eli aallonpituuskanavointi on käytännössä taajuuskanavointia.
    • Tietoliikenneverkoissa voidaan muodostaa kahdenlaisia kytkentöjä: piiri- ja pakettikytkentöjä.
      • Piirikytkennässä lähettäjän ja vastaanottajan välille muodostuu kiinteä reitti mitä pitkin kaikki data liikkuu. Piirikytkentää voidaan käyttää myös pakettiverkoissa virtuaalisten piirikytkentöjen avulla. Tällöin paketit kulkevat aina samojen noodien kautta.
      • Pakettikytkennässä jokainen paketti lähetetään ja niiden käyttämät reitit voivat erota toisistaan. Tästä syystä pakettien saapumista samassa järjestyksessä kuin ne lähetettiin ei voida taata.
  • Mitä opin tällä kertaa: Eri multipleksointitavat ja miten virtuaalikytkentä toimii periaatteessa.
  • Jäi epäselväksi: Onko virtuaalistapakettikytkentää käytössä missään?

Luentopäivä 5:

  • Päivän aihe: Edellisen kerran reititysaihetta jatkettiin ja uutena käytiin läpi lähiverkkoja ja tietoturvaa.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    • Matkapuhelinverkot rakentuvat nykyään soluista. Eri soluissa käytetään eri taajuuksia niin, että ne eivät häiritse toisiaan.
    • Lähiverkko on tarkoitettu pienelle alueelle käytettäväksi ( esim. rakennus ). Lähiverkko on helppo rakentaa ja sen sisäiset nopeudet ovat suuria, nykyään vähintään 100 megatavua/ sekunti. Lähiverkko voidaan toteuttaa myös langattomasti WLAN laitteen avulla. Lähiverkkoja voidaan myös muodostaa internetin yli VPN ( virtual private network ) avulla. Näin esimerkiksi kaksi lähiverkkoa voidaan yhdistää vaikka ne olisivat toisella puolella maailmaa.
    • Tietoturvan tarkoituksena on estää ulkopuolisten pääsy lähetettävään dataan ja sen salaaminen sellaiseen muotoon, että sitä ei ulkopuolinen voi sellaisenaan käyttää.
  • Mitä opin tällä kertaa: Matkapuhelinverkkojen solumaisen rakenteen.
  • Jäi epäselväksi: Nomad verkot.

Mitä opin kurssin aikana

Kurssi oli hyvin antoisa ja opin paljon uutta tietoliikennetekniikasta. Kerrosmallin ymmärtäminen on hyvin hyödyllistä sillä se on helppo ja ymmärrettävä tapa kuvata tietoverkon rakennetta ja tiedon siirtymistä siinä. Mielenkiintoisin asia minusta oli multipleksointi ja tiedon koodaustavat. Kerrosmallin eri kerrosten protokollien ymmärtäminen auttoi myös huomattavasti tietoliikenneverkkojen toiminnan tajuamiseen.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1


1) Miten multicast ja anycast toimivat
2) Miten DNSSEC toimii
3) Miten virheenkorjaus toimii protokollissa

Kotitehtävä 2

WWW-Selain käyttää HTML ( Hypertext Transfer Protocol ) protokollaa:
http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616.html

  • HTML protokolla on tekstipohjainne eli ihminen voi ymmärtää tietoliikennettä helposti. Protokolla käyttää TCP:tä kuljetuskerroksenaan. HTTP on yhteydetön protokolla eli eri kutsujen välillä luodaan aina uusi yhteys ja näinollen käyttäjä pitää tunnistaa uudestaan tarvittaessa.

Sähköpostiohjelma käyttää SMTP ( Simple Mail Transfer Protocol ) protokollaa:
http://tools.ietf.org/html/rfc5321

  • SMTP on myös tekstipohjainen protokolla. Sekin käyttää TCP:tä mutta on yhteydellinen eli yhteys katkaistaan vasta lopetus komennolla.

Käyttöjärjestelmä käyttää NTP ( Network Time Protocol ) kellonajan pävittämiseen:
http://www.ietf.org/rfc/rfc5905.txt

  • NTP on laajalti käytössä oleva ajanhakuprotokolla. Kuljetuskerroksena se käyttää UDP:tä. Protokollassa on pyritty ottamaan algoritmisesti huomioon viestin matkallaoloaika. Näin saatu aika on entistäkin tarkempi.

WLAN artikkeli:
Artikkelissa kerrotiin seuraavan sukupolven WLAN standardista. Tällähetkellä kilpailevia standardeja on kaksi ja laitteita on odotettavissa lähikuukausina.

Kurssiin liittyen artikkelissa oli hyvin selitetty miksi standardin mahdollistamiin tiedonsiisrtonopeuksiin harvoin päästään. Ongelmaiksi muodostuvat ulkoiset häiriöt ( esim. muut langattomat laitteet ), monitiekulku ja muut häiritsevät esteet. Lisäksi standardia suunnitellessa on otettava huomioon mihin taajuusalueelle sen voisi sijoittaa. Tämä on hankalaa sillä monet alueet ovat jo käytössä ja niiden käyttö eroa jopa maakohtaisesti.

Tulevaisuudessa langatontiedonsiirto on kuitenkin entistä nopeampaa teknisten ja ohjelmallisten parannusten myötä.

Kotitehtävä 3

WLAN ( IEEE 802.11n ):

  • Siirtotie: radioaallot
    • Taajuus: 2437MHz
    • Kaista: 20MHz
    • Modulaatio: BPSK, QPSK, 16QAM tai 64QAM

Ethernet ( IEEE 802.3-2008 ):

  • Siirtotie: kaapeli
    • koodaus: 8b/10b
    • Kaista: 1000Mbps

3G ( UMTS ):

  • Siirtotie: radioaallot
    • Taajuus: 2100 MHz
    • Modulaatio: QPSK

Lähteet:

Wlan: http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11n-2009
Ethernet: http://en.wikipedia.org/wiki/Gigabit_Ethernet#1000BASE-TX
UTMS:http://www.umtsworld.com/technology/wcdma.htm

Kotitehtävä 4

WLAN käyttää DMT-modulointia eli siirtotie jaetaan useisiin taajuusalueisiin mitkä eivät häiritse toisiaan.

LNET:n tarjoama internetyhteys käyttää luultavasti valokuitua eli luultavasti jonkinlaista Aallonpituuskanavointia.

Kotitehtävä 5

* Tutkitaan verkkosivun lataamista HTML protokollaa käyttäen.

Kun käyttäjä tekee pyynnön sivulle ( esim. www.wikipedia.com ) tekee selain ensin DNS etsinnän eli se pyytää DNS palvelimelta kyseisen sivun IP osoitteen. Kun oikea IP osoite on saatu vastauksena selain avaa TCP yhteyden kyseiseen osoitteeseen. Yhteys reitittyy Internetin läpi ja kun se on onnistuneesti muodostettu serveri vastaa TCP kädenpuristukseen. Tämän jälkeen selain lähettää käyttäjän kutsun serverille. Koska yhteys muodostettiin TCP yhteyttä käyttäen pitää protokolla huolen siitä, että viestin paketit saapuvat serverille oikeassa järjestyksessä. Jos paketteja häviää ne pyydetään uudelleenlähetettäviksi. Kun serveri on saanut käyttäjän pyynnön se käsittelee sen ja lähettää vastauksen samaa yhteyttä pitkin. Tälläkertaa käyttäjän päässä pidetään huoli siitä, että paketit saapuvat perille oikeassa järjestyksessä. Kun serveri on lähettänyt kaiken datan yhteys suljetaan. Kun käyttäjä tekee uuden pyynnön prosessi aloitetaan alusta.

* Lisätään tietoturva edelliseen esimerkkiin.

Käyttäjä tekee uuden pyynnön, tälläkertaa käyttäen HTTPS protokollaa. Parhaimmassa tapauksessa myös aluksi lähtevä DNS pyyntö käyttää DNSSEC protokollaa. Tällöin DNS serverin lähettämä vastaus on digitaalisesti allekirjoitettu ja käyttäjä pystyy varmistamaan, että se on virallinen eikä sitä ole muutettu matkalla. Tämän jälkeen käyttäjä avaa salataun yhteyden TCP protokollan avulla. Käyttäjä ja serveri sopivat käytettävän salauksen ja serveri lähettää oman digitaalisesti allekirjoitetun sertifikaatin minkä avulla käyttäjä voi varmistua siitä, että kyseinen sivu on juuri se sivu jota hän yritti tavoitaa. Kun sertifikaatin aitous on tarkistettu liikenne käyttäjän ja serverin välillä kulkee salattuna, eli ulkopuoliset eivät pysty lukemaan välitettyä dataa. Kun kaikki paketit on lähettetty serverin ja käyttäjän välillä yhteys suljetaan.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1

Lähiopetus: 6 h
Kotitehtävät: 1,5h

  • Luentoviikko 2

Lähiopetus: 6 h
Kotitehtävät: 1h

  • Luentoviikko 3

Lähiopetus: 6 h
Kotitehtävät: 2h

  • Luentoviikko 4

Lähiopetus: 6 h
Kotitehtävät: 1,5h

  • Luentoviikko 5

Lähiopetus: 6 h
Kotitehtävät: 1,5h


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