Oppimispäiväkirja

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenne on tiedon siirtymistä laitteesta toiseen. Tiedon siirtyminen voi tapahtua eri reittejä pitkin esimimerkiksi paikallisesti LAN tai WLAN, mistä sitten ollaan yhteydessä internettiin. Itse laitteen ja internetin väli muodostuu mm. reitittimistä ja palomuurista, mikä voi olla softa- tai rautapohjainen. Paikallisessa tietoliikenteessä, esimerkiksi kotona, laitteet (pöytäkone, kannettavatietkokone, taulutietokone, matkapuhelin, digitaalisovitin) ovat kytkettynä toisiina yleensä reitittimellä, missä on rautapohjainen palomuuri ja reititin on puolestaan yhteydessä internetistä saatavaan tietoon.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe: Tietoliikenne yleisesti, kommunikointimalli ja kerrosarkkitehtuuri
  • Päivän tärkeimmät asiat: Tietoliikenne, sen kehitys ja rakenne. Stallingsin malli, mikä kuvastaa tiedon lähteen ja sen kulun kohdelähteeseen. Kerrosarkkitehtuureista OSI ja TCP/IP arkkitehtuurit, missä OSI:ssa on 7 kerrosta ja TCP/IP:ssä 5 kerrosta, joka on nykyisin käytössä.
  • Mitä opin tällä kertaa: Terminologiaa, Stallingsin mallin ja kerrosarkkitehtuurit.
  • Jäi epäselväksi: Kaikki käsitelty oli jo ennestään jollain tavalla tuttua. Lisänä tuli syvempi tarkastelu aiempaan tietoon.

Luentopäivä 2:

  • Päivän aihe: Protokollat, standardit ja siirtotiet.
  • Päivän tärkeimmät asiat:

Protokolla, mikä koostuu syntaksista, semantiikasta ja ajoituksesta, kertoo järjestelmien välisten olioiden keskustelusta. Protokolleihin liittyviä toimintoja:

  • Segmentoiminen ja kokoaminen
  • Paketointi
  • Yhteyden hallinta
  • Toimitus oikeasssa järjestyksessä
  • Vuon valvonta
  • Virheen havainnointi
  • Osoitteet
  • Kanavointi
  • Kuljetuspalvelu

Tietoliikenteessäkin on käytössä standardeja, standardit yleisesti tarkoittaa, että asiat ovat yhteensopivia toistensa kanssa. Tietoliikenteessä tärkeimmät standardointiorganisaatioita ovat Internet Society, ISO, ITU-T, ATM Forum ja IEEE. Siirtotiet jakaantuvat kahteen eri tyyppiin: johtimellinen ja johtimeton. Jälkimmäinen tarkoittaa tiedonsiirtoa langattomasti. Siirtotiet ovat tuttuja jo aikaisemmasta opiskelusta, varsinkin johdilliset siirtotiet. Myös johdittomat siirtotiet ovat tuttuja, varsinkin signaalin kulku ja lähettimien säteilykuviot.

  • Mitä opin tällä kertaa: Mitä protokollat käytännössä tarkoittavat ja tietoliikenteessä käytetyt standardit.
  • Jäi epäselväksi: Lyhenteet, tai lähinnä niiden muistaminen.

Luentopäivä 3:

  • Päivän aihe: Tiedonsiirto, Signaalin koodaus, digitaalisen tiedon kommunikointi tekniikat ja data linkkien kontrollointi protokollat.
  • Päivän tärkeimmät asiat:

Tiedonsiirrolle tärkeimpiä termejä ovat siirtotie, taajuus, kaistanleveys ja spektri. Siirtotiet jakaantuvat johdillisiin ja johdettomiin siirtoteihin, kuten aiemmin on käsitelty. Taajus tarkoittaa tässä tapauksessa signaalin värähtelynopeutta ja spektri signaalin sisältämät taajuudet, olivat ne sitten häiriöitä tai tarkoitettua signaalia. Kaistanleveys tarkoittaa aluetta, missä signaalin taajuudet sijaitsevat, toisin sanoen alataajuus vähennettynä ylätaajuudesta.

Digitaalinen signaali on diskreetti aikaista koodattua dataa. Sen sisältämä data voi olla eri muodossa, ja näistä muutamia ovat: NRZ-L, NRZI, Bipolar-AMI, Pseudoternary, Manchester, Differential Manchester, B8ZS ja HDB3. Digitaalisen signaalin muuntaminen analogiseksi kantoaalloksi voidaan suorittaa neljällä eri tavalla: ASK, BFSK, BPSK tai QAM. Analogisen tiedon muuntaminen digitaaliseksi puolestaan onnistuu PCM:llä tai DM:llä. Kun analoginen tieto moduloidaan analogikseksi signaaliksi, niin käytössä on PWM, FM, AM tai PM.

Digitaalisen datan lähettämiseen on olemassa kaksi keinoa ja ne ovat asynkroninen- ja synkroninenlähetys. Asynkronisella lähetyksellä tarkoitetaan, että data lähetetään paketeissa, kun taas synkronisessa lähetetään paljon dataa kerralla, mikä vaatii lähettäjän ja vastaanottajan kellojen olevan synkronoitu. Asynkronista lähetystä käytetään, kun halutaan lähettää pieniä paketteja. Koska mitä isompi paketti on tässä tavassa, niin sitä suurempi on virheen mahdollisuus. Virhe digitaalisessa maailmassa tarkoittaa sitä, että bitti on vaihtanut arvoaan tai paketin koko on muuttunut. Virhe voidaan havaita tarkistus biteillä tai parillisuudella. Virhe korjataan yleensä uudelleenlähetyksellä, mutta langattomissa sovelluksissa tämä ei ole hyvä keino, koska langottomasti lähettetty tieto sisältää enemmän virheitä kuin langallinen. Korjaus tapahtuu tässä tapauksessa sen tiedon perusteella, mitä on vastaanotettu.

Jotta data liikkuisi data linkin läpi, tarvitaan data linkin kontrollointi protokollia. Datan liikkeen hallitsemiseksi tämän kerroksen läpi tarvitaan ikkunan synkronisointia, vuon hallintaa, virheen hallintaa, osoitteistamista ja linkin hallitsemista. Vuon hallinnan tehtävä on estää lähettävän olion tukkimasta vastaanottavaa oliota, estämällä puskurin täyttyminen. Yksinkertaisin tapa toteuttaa virheen hallinta on stop and wait, jossa lähettäjä odottaa viestiä vastaanottajalta, että tämä on saanut datan perille ennen kuin lähettäjä lähettää lisää dataa. Go Back N on liukuvan ikkunan menetelmä, mahdollistaa useamman datapaketin lähettämisen peräjälkeen ilman ACK:ia. Jos vastaanottaja ei saa pakettia tai lähettäjä ei saa ACK:ia, niin lähettäjä aloittaa datasarjan lähettämisen uudelleen. Selective-Reject on samantyyppinen kuin Go Back N, mutta sen sijaan, että datasarjan lähettäminen alkaisi alusta, niin lähettäjä lähettää kadonneen paketin uudelleen.

  • Mitä opin tällä kertaa: Koodausta ja sähkötekniikkaa yhdistämällä suurin osa-asiasta oli jo tuttua, mutta tämä avasi käsitteitä tosi paljon. Asioita, mitä oli jo aiemmin käyttänyt ja kuullut, muttei ollut perehtynyt asiaan sen enempää. Uusia asioita olivat digitaalinen modulaatio tai digitaalisignaalin koodaus.
  • Jäi epäselväksi: Ei mikään.

Luentopäivä 4:

  • Päivän aihe: Kanavointi, piiri- ja pakettikytkennät, reititys sekä dataverkkojen tukkeutuminen.
  • Päivän tärkeimmät asiat:

Kanavoinnilla tarkoitetaan, että signaalit yhdistetään yhdeksi signaaliksi lähetyksessä ja syötetään siirtolinjalle. Tämän jälkeen signaalin vastaanotossa se puretaan alkupeiräisiksi signaaleiksi. Kanavointi voidaan suorittaa neljällä pääperiaatteella: FDMA, TDMA, CDMA ja WDMA. FDMA:ssa signaalit jaetaan omiin taajuuksiin, eli signaalien kapasiteetti ei ylitä siirtotien kapasiteettia. TDMA tarkoittaa, että signaali on jaettu eri aikajaksoille. TDMA:ssa signaalien kapasiteetti ylittää siirtotien kapasiteetin, ja TDMA:stä käytetään synkronista tai asynkronista (tilastollinen) tapaa. CDMA:ssa jokaiselle käyttäjälle on oma koodinsa, minkä johdosta tieto menee oikealle vastaanottojalle. Tämä tekniikka lisää tietoturvaa, koska tieto sisältää vastaanottojan koodin ja tälle tekniikalle on olemassa kaksi eri tapaa: DSSS ja FHSS. FHSS:ssä signaali jaetaan usealle eri taajuudelle, mistä tietyllä ajanhetkellä poimitaan tietyltä taajuudelta signaali. DSSS:ssä tieto jaetaan ja lähetetään tietylle taajuusalueelle. CDMA:ta käytetään radioteitse. WDMA:ta käytetään valokuidussa, missä eritaajuudet vastaavat omaa kanavaa.

Tietoliikenneverkko koostuu solmupisteistä ja asemista. Tieto liikkuu tietoverkossa, kunnes se saavuttaa vastaanottojan. Teleliikenteessä käytetään piirikytkentää, koska ääni tarvitsee reaaliaikaisen kommunikointiväylän. Dataliikenteessä käytetään paketti kytkentää, koska siirtotie halutaan käyttää tehokkaasti. Piirikytkentäisellä verkolla tarkoitetaan, että datan liikkeen suorittamiseksi avataan piiri ja datan liikkeen jälkeen suljetaan piiri. Pakettikytkentäisellä verkolla tarkoitetaan, että data pilkotaan paketteihin ja lähetetään solmupisteeseen. Datapaketettia säilytetään vähän aikaa solmupisteessä, ennen kuin se lähetetään eteenpäin. Solmujen tulee olla tietoisia verkon tilasta, jotta solmupiste tietää minne lähettää paketti seuraavaksi. Pakettikytkentäisissä verkoissa on kaksi kytkentätapaa, tietosähke ja virtuaalipiiri. Tietosähkeessä paketit lähetetään ilman, että niissä on viittauksia muihin paketteihin. Virtuaalipiiri on samantyyppinen kuin piirikytkentäisessä verkossa, sillä erolla, että piiri ei ole varattu kuten piirikytkentäisessä verkossa.

Reitityksellä tarkoitetaan valittua reittiä, missä paketti kulkee tietoverkossa. Reititykselle yksinkertaisin tapa on, että reitti valitaan sillä perusteella, että paketti käyttää minimi määrän solmupisteitä lähettäjän ja vastaanottojan välillä. Toinen tapa on kiinteän taulun menetelmä, missä reitti kulkee ennaltamäärättyä ja pysyvää reittiä pitkin. Tämän menetelmä etuna on yksinkertaisuus, mutta sillä ei ole ollenkaan joustavuutta. Kolmas menetelmä on flooding, missä paketti lähetetään jokaiselle solmupisteelle. Etuna on, ettei tarvitse tietää verkkoa, mutta se luo paljon liikennettä verkkoon. Neljäs menetelmä reitityksen toteuttamiseen on satunnainen. Tämä tarkoittaa, että solmupiste lähettää paketin jollekkin solmupisteelle, ilman että se tietää verkosta. Etuna, että se kuluttaa verkkoa vähemmän kuin flooding, mutta ei yleensä toteuta minimi hyppyä. Viimeinen menetelmä on mukautuva reititys, mikä tarkoittaa, että reititys muuttuu sen hetkisen verkon tilanteen mukaan. Tämä menetelmä tarvitsee tiedon verkon tilasta, ja sitä myötä se tarvitsee myös algoritmin toteutuakseen. Tämän menetelmän etuna ovat tehokkuus ja ruuhkautumisen kontrollointi. Haittana on liian nopea tai hidas toiminta.

Dataverkkojen tukkeutumisella tarkoitetaan, että datapaketti ei saavata määränpäätään verkossa. Tämän estämiseksi on myös eri keinoja, kuten backpressure, choke packet, implicit congestion signaling ja explicit congestion signaling. Jos solmupiste tukkeutuu, niin se voi pysäyttää tai hidastaa pakettien tulon. Tätä sanotaan backpressure:ksi. Choke packet tarkoittaa, että tukkeutunut solmupiste lähettää lähettäjälle viestin, että se hylkää paketin. Implicit congestion signaling:llä tarkoitetaan, että kun verkko tukkeutuu, niin lisätään välitys viivettä. Tämä voi johtaa pakettien hylkäämiseen. Explicit congestion signaling:llä tarkoitetaan tukkeutumisen välttämistä sillä, että verkko ilmoittaa tukkeutumisestaan ja määränpäät suorittavat toimenpiteitä kuorman pienentämiseksi.

  • Mitä opin tällä kertaa: Suurimmalta osin kaikki oli uutta, joten tämän kaiken sisäistäminen vie tovin.
  • Jäi epäselväksi: Implicit congestion signaling ja explicit congestion signaling.

Luentopäivä 5:

  • Päivän aihe: Teleliikenteen langattomat verkot, LAN, nopeat lähiverkot, WLAN ja internetworking.
  • Päivän tärkeimmät asiat:

Teleliikenteen langattomissa verkoissa kuuluvuus perustuu soluhin, joissa jokaisessa on oma lähetin ja omat taajuudet. Vierekkäiset solut käyttävät eri taajuuksia, ettei taajuudet mene päällekkäin ja näin sekoita dataa. Eri taajuuksia käytetään, jotta pystytään pitämään yllä useaa eri keskustelua. Kapasiteetin lisääminen onnistuu lisäämällä uusia kanava, taajuudeen lainaamista vierestä solusta tai solun jakaminen pinempiin soluihin.

LAN eli Local Area Network:llä tarkoittaa lähiverkkoa. Lähiverkon merkitys on yhdistää fyysisesti lähellä olevat laitteet toisiinsa nopealla yhteydellä. Lähiverkon kapasiteetti ja nopeus määräytyvät tarpeen mukaan. MAC-protokolla on tarpeellinen lähiverkolle, sillä sen avulla saavutetaan lähiverkon tehokas käyttö. MAC-protokollan toteutus voidaan tehdä keskitetysti tai hajautetusti. Lähiverkko yleensä yhdistetään toiseen lähiverkkoon. Tämä operaatio mahdollistaa verkon toiminnan, vaikka toiseen verkkoon tulee vika. Haittapuolena ovat suorituskyvyn sekä tietoturvan pieneneminen. Lähiverkkojen yhdistäminen toteutetaan yleensä siltauksella tai reitittämisellä.

Nopean lähiverkon teknologiat ovat: nopea ja gigabit ethernet, fibre channel ja langaton LAN. Gigabit ethernetiä käytetään nopean ethernetin runkoverkkona. Nykyisin langattomassa verkossa käytetään CSMA/CD:ta. Sen toiminta perustuu edeltäjiinsä verrattuna siihen, että törmäykset havaitaan. CSMA:ssa asema odottaa, että muu asema ei lähetä ja tämän jälkeen lähettää datan ja odottaa ACK:ia. Jos asema ei saa ACK:ia, niin se olettaa, että törmäys on tapahtunut ja lähettää datan uudelleen. CSMA/CD:ssä toiminta on sama kuin CSMA:ssa, mutta kun törmäys havaitaan, niin asema lopettaa lähettämisen.

WLAN eli Wireless LAN:in käyttökohteet ovat LAN:in laajennus, rakennuksen ulkopuolinen yhteys, vaeltava yhteys ja ad hoc verkko. Vaeltava yhteys tarkoittaa, että pystyy ottamaan yhteyden verkkoon, vaikka sen käyttäjä liikkuisi. Ad hoc verkon toiminta perustuu tilapäisiin peer-to-peer yhteyksiin.

Internetworking on tekniikka, jolla verkot yhdistetään suureksi verkoksi eli internetiksi. Tämä on mahdollista, kun verkkojen välillä on linkki, reitti ja datan siirto. Vaaditaan myös, että tieto eri verkoista on ajantasalla.

  • Mitä opin tällä kertaa: Kaikki syventävät tarkastelut aiheista oli uutta, ja varsinainen ahaa-elämys, kun hahmotti ison kuvan koko asiasta.
  • Jäi epäselväksi: Ei oikeestaan mikään, kun tajusi lopuksi koko suuren kokonaisuuden.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Kotitehtävä 2

* SMTP eli Simple Mail Transfer Protocol, sähköpostin välittäminen sähköpostipalvelimien välillä. http://tools.ietf.org/html/rfc5321

* TCP eli Transmission Control Protocol, tietokoneiden väliset yhteydet internetissä. http://tools.ietf.org/html/rfc793

* HTTP eli Hypertext Transfer Protocol, selainten ja www-palvelimien käyttämä tiedonsiirto protokolla. http://tools.ietf.org/html/rfc2616

Kotitehtävä 3

* WLAN (IEEE 802.11) - Ilmateitse 2.4 GHz tai 5 GHz taajuudella, koodaus BPSK, QPSK tai FSK.

* USB - Parikaapelina, koodaus NRZI.

* GSM - Ilmateitse Suomessa 900 MHz ja 1800 MHz taajuudella, koodaus GMSK.

Kotitehtävä 4

* WLAN (IEEE 802.11) - Half-duplexina rinnan. Yleisemmin käytössä olevat 802.11b ja 802.11g käyttävät taajuuskaistan modulaatiossa DSSS, mikä kuuluu CDMA:han ja OFDM, mikä kuuluu FDMA:han.

* USB - Lähetetään synkronisoidoissa paketeissa sarjana. Ennen USB-3:sta käytetty kommunikointi tapa on half-duplex eli USB-laite ja laite johon se on kytketty eivät pystyneet lähettää tietoa yhtä aikaa. Myöskin ennen USB-3:sta kytkentä käytti neljää pinniä joista kaksi maa ja käyttösähkö, ja kaksi muuta on datan liikennöintiä varten data- ja data+.

* GSM - Käytössä TDMA:ta, missä on käytössä taajuushyppely.

Kotitehtävä 5

Verkkoselaimen käyttö

Jos lähdetään liikkelle käyttäjästä, joka käyttää näppäimistöä ja hiirtä, mitkä on nykyisin USB-laitteita. USB-kaapelissa informaatio kulkee parikaapelissa ja on NRZI koodattu. USB-kaapelia pitkin informaatio siirtyy keskusyksikköön, mistä data siirtyy verkkoselaimille eli sovellus tasolle. Verkkoselain käyttää HTTP-protokollaa. Tästä siirrytään kuljetuskerrokseen, missä on käytössä TCP-protokolla ja data siirtyy RJ-50 parikaapelia pitkin reitittimelle. Reititin kuuluu verkkokerrokseen, mikä toimii IP-protokollalla. Reitittimellä data siirtyy RJ-50 kaapelilla ADSL-kytkimelle ja tästä RJ-45 kaapelilla laajakaistaverkkoon. Tämä verkko on yhteydessä palvelin tarjoajalta internettiin, josta haluttu tieto haetaan palvelimelta. ADSL-kytkimellä on käytössä DMT-modulaatio.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1
    • Lähiopetus: 6 h
    • Kertaus ja kotitehtävät: 2 h
  • Luentoviikko 2
    • Opiskelu ja kotitehtävät: 4 h
  • Luentoviikko 3
    • Opiskelu ja kotitehtävät: 4 h
  • Luentoviikko 4
    • Opiskelu ja kotitehtävät: 4 h
  • Luentoviikko 5
    • Opiskelu ja kotitehtävät: 4 h
    • Lähiopetus: 6 h
  • Tenttiin valmistautuminen: 30 h

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