Taito Vainion Wiki-sivu

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenteestä minulle tulee mieleen tiedon siirtäminen paikasta toiseen. Tiedonsiirto voi tapahtua monellakin tavalla mutta tietoliikenteen yhteydessä minulle tulee mieleen lähinnä sähköiset järjestelmät eli kiinteät puhelinlinjat, tietoliikennekuidut tai -linjat, langaton tiedonsiirto ja siihen liittyvä tekniikka sekä laitteet, joilla tietoliikennettä voidaan lähettää ja vastaanottaa. Tavallisesti tietoliikennettä tapahtuu internetissä, sähköpostissa, gsm-puhelimien välillä sekä satelliittien ja erilaisten päätelaitteiden avulla esim. Polarin tai Suunnon matkaa ja vauhtia mittaavat GPS-päätelaitteet tai autojen navigaattorit. Avainsanoja ovat siis: kiinteät tietoliikenneverkot, langaton tiedonsiirto, internet, sähköposti, gsm-verkot, satelliittisignaalit ja päätelaitteet.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Ensimmäisen luentopäivän aiheena oli perusteiden esittely. En päässyt luennolle mutta luin läpi luentomonisteet. Luentomonistesarjasta johdatus kurssille jäi parhaiten mieleen trendit, jotka ovat muokanneet tietoliikenteen käyttöä eli mobiliteetin lisääntyminen, internetin yleistyminen ja erilaisten verkkojen yhdistyminen. Samalla verkkojen rakenne esitettiin hyvin selkeällä kuvalla, jossa oli kuvattu mobiiliverkot, globaalit ja alueelliset ISP:t, instituutioiden verkot ja kotiverkot sekä laitteita, joita näihin verkkoihin liittyy. Luentomonisteessa esitetiin myös verkkojen jaottelu käyttäjien, sovellusalueen tai verkkotyypin mukaan. Myös kommunikoinnin muodot tulivat esille luentomateriaalissa: kiinteä kommunikaatio, Nomadi-kommunikaatio, siirtyvä kommunikaatio. Tämän luentomonistesarjan lopuksi mainittiin siirtyminen kohti kerrosmalleja, joissa käyttäjien tarpeet jaetaan osiin. Osista muodostuu kokonaisuus ja kerrosmallin periaatteena on, että käytetään vain niitä osia, joita kulloinkin tarvitaan. Viimeisenä kalvona oli Stallingsin malli eli lähde ja kohde muodostuvat eri kerroksista ja alimmat kerrokset ovat yhteydessä keskenään.

Seuraavan luentomonisteen ensimmäinen aihe oli kommunikointimalli eli malli, joka kuvaa tiedon siirtoa laitteiden välillä tai tietoliikenneprosessia. Kommunokointijärjestelmän komponentit ovat lähde, lähetin, siirtojärjestelmä, vastaanotin ja kohde. Mallin osatehtäviä oli lueteltu paljon: siirtojärjestelmän hyödyntäminen, liityntä siirtotiehen, signaalin luonti, synkronointi, yhteyden hallinta, virheen havainnointi ja korjaus, liikenteen valvonta, osoitteet, reititys, sanoman muotoilu, virheistä toipuminen, turvallisuus ja verkonhallinta. Kommunikointimalli sisältää informaatiota, dataa ja signaaleja eli informaatio luodaan lähettäjäpäässä, sen lähettämiseen tarvitaan sopiva esitysmuoto ja se lähetetään tietynlaisella datan fyysisellä esitysmuodolla. Tämän jälkeen vastaanottajapäässä asia tapahtuu päinvastaisessa järjestyksessä. Tämä yksinkertaisestettu malli ei kuitenkaan ole kovinkaan tehokas silloin, kun laitteita on paljon. Tällöin ratkaisuna ovatkin erilaiset kommunikointiverkot eli WAN, MAN, LAN, PAN. Etäverkkojen yhteydessä tuotiin esille eri tekniikat eli piiri-, paketti- ja solukytkentä. Piirikytkennästä esimerkkinä on puhelinverkko, jossa kahden käyttäjän välille varataan kanava, jota pitkin tieto kulkee. Pakettikytkennästä esimerkkinä on tietokoneiden välinen tiedonsiirtö, jossa ei tarvitse varata erikseen siirtokanavaa vaan data lähetetään pieninä osina tai paketteina. ATM eli solukytkentä yhdistää em. ajatukset virtuaalipiireillä.

Kolmannen luentomonistesarjan aiheena oli kerrosarkkitehtuuri. Lähteen ja kohteen tehtävät jaetaan kerroksiin ja eri kerrokset tekevät eri tehtäviä. Tästä muodostuu kerrosmalli. Kerrosmallia kuvattiin teoreettisella kolmen kerroksen mallilla ja kahdella yleisesti tunnetulla kerrosmallilla OSI ja TCP/IP. Ideaalitapauksessa kerrokset on määritelty niin, ettei muutos yhdellä kerroksella vaikuta muiden kerrosten määrittelyihin. Kommunikointi järjestelmien välillä tapahtuu aina alimman kerroksen kautta ja muilta kerroksilta ei ole yhteyttä eri järjestelmien välillä. Teoreettisessa mallissa on kolme kerrosta eli sovellusmoduuli, jossa olennaista on sovellusolioiden osoite; kommunikointimoduuli, jossa olennaista on luotettavuus kommunikointiin ja verkkomoduuli, jossa olennaista verkko-osoite. Tämän jälkeen tuotiin protokollan käsite malliin eli kunkin kerroksen välinen keskustelu tapahtuu protokollaa käyttämällä. Tietopaketit tai Protocol Data Unit (PDU) sisältävät ohjausinformaatiota ja dataa. Lähettävässä päässä siis kukin kerros lisää jotakin dataan ja tiedon siirtäminen tapahtuu alimpien tasojen välillä ja vastaanottopäässä taas tieto siirtyy alimmalta tasolta korkeimmalle tasolle. OSI-mallissa on 7 kerrosta: fyysinen kerros, linkkikerros, verkkokerros, kuljetuskerros, istuntokerros, esitystapa- ja sovelluskerros. Vaikka 1980-luvulla uskottiin OSI-mallista tulevan hallitseva TCP/IP nousi suositummaksi. TCP/IP-mallissa on viisi kerrosta: sovellus-, kuljetus-, verkko-, linkki- ja fyysinen kerros. TCP on kuljetuskerros eli Tranmission control protocol ja IP on verkkokerros eli Internet protocol. TCP/IP-mallissa fyysinen kerros huolehtii signaaleista ja siirtonopeudesta, verkkokerros huolehtii päätelaitteen ja verkon välisestä siirrosta, IP-kerros huolehtii pakettien reitityksestä, kuljetuskerros huolehtii luotettavasta tiedonsiirrosta järjestelmien välillä ja sovelluskerros sisältää tarvittavat logiikat tiedon lukemiseksi. Lopuksi esitettiin vielä lukuisia muita TCP/IP-mallin protokollia.

Opin erityisesti kommunikointimallin ja kerrosmallin -käsitteet sekä protokollan tehtävän kerrosmallin yhteydessä. Kuitenkin jäi hiukan epäselväksi, mitä virtuaalipiirit ovat ja miten ne toimivat. Vaikka luentomonisteista kävi ilmi, että kussakin kerroksessa dataan lisätään ohjauskoodeja niin minulle jäi epäselväksi, mitä ohjauskoodia kussakin kerroksessa tarkemmin ottaen dataan lisätään.

Luentopäivä 2:

Ensin tehtiin lyhyt kertaus 1. luentoon: Eri verkot ja niihin liittyvät laitteet, laitteissa on eri kerroksia, iso kokonaisuus jaetaan osiin.

Protokolla esimerkki: http, FTP, SMTP ovat protokollia, jotka tulkitaan vain päissä. IP-protokolla vie koko paketin.

Portti on vastaanottajan sovelluksen osoite. Sisältö ja välitys ovat eri tasoja.

Protokollien yleiset toiminnot

Protokolla on kahden elementin välillä tapahtuvaa keskustelua (oliot). Protokolla koostuu syntaksista, semantiikasta ja ajoituksesta.

Kommunikointijärjestelmät: point-to-point, usealle pisteelle yhtä aikaa, protokolla voi olla erilainen verkkojen sisällä ja verkkojen välillä.

Protokollien toimintoja

Segmentointi ja kokoaminen, paketointi, yhteyden hallinta, toimitus oikeassa järjestyksessä, virheen korjaus, virheen havainnointi, osoitteet, kanavointi, kuljetuspalvelut.

Data menee alemmalle kerrokselle, jossa siihen lisätään ohjauskoodia, joka taas menee alemmalle kerrokselle, jossa taas lisätään dataan jotakin. Toisessa päässä mennään päinvastaisessa järjestyksessä. Protokolla on siis se, mitä dataan lisätään eri kerroksilla.

Syitä segmentoinnille: verkko voi käyttää vain tietyn kokoisia datalohkoja. Pienellä paketilla virheen korjaus on tehokkaampaa, tasainen verkon käyttö.

Segmentoinnin haitat: Mitä pienempiä datalohkoja sitä enemmän ohjausinformaatiota joudutaan siirtämään. Paketin saapuminen voi aiheuttaa keskeytyksen, mikä hidastaa toimintaa. Enemmän aikaa käytetään yksittäisten datapakettien käsittelyyn.

Kokoaminen on segmentoinnin vastatoimenpide.

Ohjausinformaation lisäämistä kutsutaan paketoinniksi.

Yhteyden hallinta: olioiden välinen kommunikointi voi tapahtua yhteydettömästi (postikortti), yhteydellisesti (puhelinkeskustelu). Yhteydellinen kommunikointi on suotavaa, jos siirrettävää dataa on jatkuvasti paljon tai vaaditaan reaaliaikaisuutta. Yhteydetön kommunikointi on suotavaa, jos protokollan tulee toimia dynaamisesti.

Yhteydellinen: yhteyden muodostaminen, tiedon siirto, yhteyden purkaminen

Tärkeä osa yhteyden hallintaa on tietoyksiköiden numerointi. Numeroinnilla mahdollistetaan oikea järjestys, virheenkorjaus ja vuon valvonta.

Olioiden välillä välitetyt paketit eivät välttämättä aina saavu oikeassa järjestyksessä johtuen pakettien eri reiteistä tai virheistä.

Vuon valvonnalla vastaanottaja säätelee lähettäjän lähetysnopeutta. Vuon valvontaa toteutetaan useiden kerrosten protokollissa. Yksinkertaisimmillaan stop and wait, jolloin jokaiseen pakettiin pitää tulla vahvistus ennen seuraavaa lähetystä. Liukuvan ikkunan ajatus, jolloin esim. voidaan lähettää viisi pakettia ja aina, kun on vastaanotettu yksi, voidaan liukuvaan ikkunaan lisätä yksi paketti lisää tai ikkuna liukuu eteenpäin.

Virheenkorjausta käytetään pienentämään virheiden vaikutuksia. Virheenkorjauksessa on kooderi, johon liitetään koodisana ja jota tulkitaan toisessa päässä.

Virheen havainnointiin liittyy aina uudelleenlähetys. Jossain protokollissa virheet voidaan korjata PDU:n virheenkorjauskoodin avulla. Virheen korjaus tapahtuu myös monilla kerroksilla. Uudelleenlähetystä ohjataan ajastimilla: jos vahvistusta ei tule tietyssä ajassa lähetetään PDU uudelleen.

Virheentarkkailu: virheiden havainnointi, saapuneiden pakettien vahvistus, uudelleen lähetys tietyn ajan jälkeen.

Osoitteet: Osoitustaso, osoituksen laajuus, yhteystunnisteet, osoitustila.

Yhteystunnisteita käytetään yhteydellisissä osoitteissa.

Unicast: lähetys yhdelle järjestelmälle/oliolle, Multicast: lähetys usealle järjestelmälle/oliolle. Broadcast: lähetys kaikille vastaanottajille.

Tietoliikenteen standardointi

Standardeja tarvitaan, jotta eri laitteet ja järjestelmät ovat yhteensopivia. Tämä on korostunut erityisesti internetin leviämisen myötä, koska kaikkien laitteiden ja järjestelmien tulisi olla yhteensopivia, jotta niitä voidaan käyttää. Standardoinnin etuina ovat yhteensopivuus ja massatuotannon mahdollistaminen eli laitteiden hinta laskee. Standardoinnin haittoina ovat kompromissit, teknologian jäädyttäminen ja useat standardit samalle asialle. Tärkeimmät standardointiorganisaatiot ovat Internet Society,ISO, ITU-T, ATM Forum ja IEEE. Internetissä standardin käsite on epämääräinen, koska nopeasti muuttuvalla alalla se ei ole mahdollista. Internetin yhteydessä käytetäänkin ns. RFC-termiä (Request for Comments). Internetin standardiorganisaatio on IETF, jonka toimia ohjaa IAB (kokonaisarkkitehtuuri) ja IESG (päättää käyttöön otettavista RFC-toimista). Tullakseen standardiksi ratkaisun pitää olla ymmärrettävä, kilpailukykyinen, toimivia, yleisesti hyväksytty ja tuettu sekä hyödyllinen. Lopuksi käsiteltiin ISO-, ITU-T-, ATM Forum - ja IEEE-standardien historiaa.

Siirtotiet (siirtomedia)

Yhteydet ovat johtimellisia (fyysinen reitti) ja johtimettomia (langattomat yhteydet) yhteydet. Johtimellisia ovat koaksaali-, parikaapeli, valokuitu ja sähköjohto. Johtimettomia ovat mikroaalto-, satelliitti- ja infrapunalinkit sekä radiotie. Signaalin ominaisuudet ja siirtotie vaikuttavat tiedonsiirron laatuun. Johtimellisilla siirtoteillä signaalia pitää parantaa: analogista signaalia vahvistetaan ja digitaalista signaalia toistetaan. Valokuitu on signaalin toiston kannalta edullisin, koska siinä riittää toistin n. 40 km:n välein.

Parikaapelia käytetään yleisesti puhelin- ja datayhteyksissä. Parikaapeleiden osalta tuli esille, että mitä suurempi siirtonopeus sitä lyhyempi etäisyys, koska signaali vaimenee sitä enemmän mitä suurempi on lähetystaajuus. Parikaapeleiden käyttöä haittaa häiriöherkkyys mutta häiriöherkkyyttä voidaan parantaa suojauksella. Datakaapeleina käytetään suojattua parikaapelia, kun taas puhelinkaapeleina käytetään suojaamatonta kaapelia. Parikaapelit jaetaan 7 kategoriaan suorituskykyvaatimusten mukaan.

Koaksaalikaapeleita käytetään lähinnä TV-jakeluverkoissa. Koaksaalikaapelissa voidaan käyttää parikaapelia korkeampia taajuuksia eli suurempia tiedonsiirtonopeuksia.

Optinen kuitu koostuu ytimestä, heijastuskerroksesta ja kuoresta. Valoaalto siirtyy ytimessä ja heijastuskerroksen tehtävänä on pitää valoaalto ytimessä. Kuori suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta. Valokuituja on kaapelissa usein kymmeniä (muistaakseni 24 valokuitua kaapelissa). Tiedonsiirrossa käytetään 0,85, 1,3 ja 1,55 mikronin aallonpituutta, koska ne ovat suhteellisen tasaisia kohtia, jolloin virheiden mahdollisuus pienenee. Kuituja käytetään mm. runkoverkoissa, kaupunkiverkoissa ja lähiverkoissa. Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksimuotokuituihin. Monimuotokuidut kärsivät ns. dispersiosta eli signaalin levenemisestä. Monimuotokuidun dispersiota voidaan pienentää asteittaistaitekertoimisella monimuotokuidulla. Yksimuotokuiduilla dispersiota ei juurikaan esiinny ja siksi monimuotokuituja käytetään lyhyillä etäisyyksillä ja yksimuotokuituja runkojohtimissa. Kuiduissa valo tuotetaan joko diodilla tai laserilla. Laser on tehokkaampi ja antaa siis paremman signaalin, jolloin siirtonopeus on suurempi.

Sähköjohdon etuna on olemassa oleva verkkorakenne mutta haittana ovat kohinat, heijastukset ja virtapiikit, jotka häiritsevät signaalia.

Johtimettomissa yhteyksissä signaali etenee ilmassa antennien välityksellä. Antenneita on suunnattuja ja suuntaamattomia eli ympärisäteileviä. Suunnattujen antennien pitää olla hyvin kohdistettuja toisin kuin ympärisäteilevissä. Signaalin eteneminen tapahtuu joko näköyhteysreittiä pitkin (30 MHz-300 GHz), sironnan avulla (0,3-10 GHz), ionosfäärin kautta (< 30 MHz) tai maanpinta-aaltona (muutama MHz). Tämän jälkeen käsiteltiin erilaisten antennien suuntakuvioita.

Muista johtimettomista siirtoteistä mikroaaltolinkkejä käytetään suunnattuun kommunikointiin, satelliittilinkkejä satelliittikommunikointiin, radiotietä suuntaamattomaan kommunikointiin ja infrapunalinkkejä lyhyen matkan point-to-point kommunikointiin. Satelliittilinkin voivat olla point-to-point- tai broadcast-tyyppisiä. Tämän lisäksi satelliitteja voidaan jakaa GEO-, MEO-, LEO-satelliitteihin, jotka toimivat eri korkeuksilla. Satelliittilinkkejä käytetään tv-kanavien jakeluun ja puhelinliikenteeseen silloin, kun puhelinverkkoa ei ole järkevää rakentaa tai kun puhelinverkko on tuhoutunut esim. maanjäristyksen takia. Radiotie eroaa satelliitti- ja mikroaaltolinkeistä, koska radiotiessä aaltoja ei suunnata. Radiotiessä aallot vaimenevat ja ne voivat sirota, häipyä, heijastua, taipua ja taittua. Vaimeneminen tapahtuu etäisyyden kasvaessa samoin kuin sateet, sumun ym. luonnonolosuhteiden takia. Sironta, heijastuminen, taipuminen ja taittuminen tapahtuvat aallon osuessa erilaisiin esteisiin tai pintoihin. Myös monitie-eteneminen on mahdollista eli aallot tulevat useasta suunnasta sekoittaen signaalia.

Luentopäivä 3:

Artikkelista käsitteitä:

- Monitie-eteneminen > signaali tulee laitteelle eri aikaan ja eri vaiheissa - spatiaalinen limitys > hyödyntää monitie-etenemistä - MIMO > multiple input multiple output, hyödynnetään monitie-etenemistä - tajuusalueet > - standardit > - kaistan leveydet > 20 MHz > 50 FHz

Lähetyspää ja vastaanottopää, joissa kummassakin kerrospinot. Useampi käyttäjä voi käyttää samaa siirtotietä, johon tänään ei keskitytä. Oikeanlaiset signaalit siirtotiestä riippuen, jonka takia on muutettava analogista signaalia digitaaliseksi ja toisin päin.

Signaalin laatuun voidaan vaikuttaa ottamalla huomioon siirtotie ja sen ominaisuudet. Johtimelliset (parikaapeli, koaksaalikaapeli, valokuitu) ja johtimettomat siirtotiet (ilma, vesi).

Tänään puhutaan suoraan laitteelta laitteelle yhteydestä eli point-to-point. Simplex on yhteen suuntaan tapahtuvaa kommunikaatiota, half duplexissa voidaan kummastakin lähettää mutta vain toinen kerrallaan, full duplex yhtäaikainen lähetys ja vastaanotto esim. puhelin.

Analoginen ja digitaalinen tieto. Analoginen signaali voi saada mitä tahansa arvoja minimin ja maksimin välillä. Digitaalinen signaali on jaettu vertikaalisesti ja horisontaalisesti tasoihin. Tasoja voi olla useampia. Esim. neljän tason mallissa luetaan kukin kahdella bitillä. Digitaalisen tietoliikenteen etu on se, että signaali voidaan sitoa johonkin tasoon, jota taas analogisessa signaalissa ei voida tehdä.

Jaksollinen signaali: sini-aalto. kanttiaalto, joissa tietty jakso toistuu tietyllä kaavalla. Jaksoton signaali, jossa ei ole selkeää jaksoa vaan signaali vaihtelee jatkuvasti eri lailla.

Amplitudi on signaalin voimakkuus, taajuus on signaalin muutosnopeus ja vaihe on kyseisen signaalin suhteellinen sijainti ajan suhteen. Monitie-etenemisessä signaalit summataan, joten lopputulos voi vaihdella, koska signaalit voivat vahvistaa tai vaimentaa toisiaan.

Taajuuskaista eli spektri on kaikki taajuudet, jotka signaalit sisältävät. Absoluuttinen kaistanleveys … Tehollinen kaistanleveys, jota voidaan käyttää. Tasavirtakomponentti.

Kaistanleveys on aina rajoitettu. Kun siis yhdistetään erilaisia aaltoja eri vaiheissa, saadaan tilanne, jossa aalto alkaa muistuttaa kanttiaaltoa. Caset, jotka osoittavat, miten tiedonsiirtoa voidaan nopeuttaa. Tuplaamalla kaistanleveys saadaan tuplattua tiedonsiirtonopeus, kun käytetään kolmea taajuutta.

Data on tietoa, jota verkossa siirretään (analoginen, digitaalinen), signaali, joka kuljettaa dataa verkossa, siirtotie, jossa signaali siirtyy.

Audiosignaalit 100 Hz-7 kHz. Audiosignaali on helposti muutettavissa elektromagneettisiksi signaaleiksi.

Esim. puhelin analogisella signaalilla ei muuttanut taajuutta. Analogista signaalia voidaan muuttaa digitaaliseen muotoon. Ilmatiellä joudutaan käyttämään analogista signaalia.

Digitaalisen signaalin edut: halvempia, vähemmän häiriöherkkiä Digitaalisen haitat: vaimeneminen.

Signaalin häiriötekijät: Koskaan signaali vastaanottopäässä ei ole sama kuin lähetyspäässä johtuen juuri häiriötekijöistä. Suurimmat häiriötekijät ovat vaimeneminen, vaimenemisen vääristymä, viivevääristymä ja kohina. Kaapelissa ja ilmatiellä vaimeneminen on tietenkin erilaista. Eri laitteilla on määritelty niiden herkkyys, joka tarkoittaa sitä, minkä tasoista signaalia pitää pystyä vastaanottamaan. Kohinasta on erotettava signaalit. Jos tiputetaan siirtonopeutta, bitin leveys levenee, jolloin siirrossa tapahtuu vähemmän virheitä.

Lämpökohina: sähköjohtimessa tapahtuvassa kulkevassa virrassa tapahtuu satunnaisvaihtelua

intermodulaatiokohina: Samaa siirtotietä käyttävät eritaajuudella olevat signaalit häiritsevät toisiaan

Ylikuuluminen: Signaali kuuluu toiselta linjalta toiselle häiriten signaalia

Impulssikohina: Elektromagneettiset häiriöt aiheuttavat impulssikohinaa (korkea aallonpituus, jossa on lyhyt kesto)

Nyquistin kaava: C=2B Log2M

Jos kaistan leveys on B, suurin mahdollinen signaalin siirtonopeus on 2B

Siirtonopeutta hidastavat kohina ja kaistanleveys.

Digitaalinen data ja signaali:

- yksinapainen unipolar

- polaarinen polar

- datan nopeus

- kesto

- modulaation nopeus

- 1 tai 0

Modulointinopeus on se nopeus, jolla signalointi tehdään. Olennaista on tietää signaalielementtien ajastus ja kuinka monta tasoa on käytössä.

Signaalin käyttämä kaistanleveys mahdollisimman keskelle kaistanleveyttä, jolloin informaatioelementit saadaan mahdollisimman vähillä virheillä toimitettua. Synkronointi on tärkeää koodauksessa. Virheiden korjaus. Häiriöiden sietokyky.

Koodauksessa 0 on jännitteetön taso ja 1 jännitteellinen taso.

NRZ-L ja NRZI: näissä synkronointi vastaanottajapäässä on vaikeaa.

Bipolar-AMI: sama ongelma kuin yllä mutta etuna on virheiden helpompi löytäminen Pseudotermary:

Manchester: Tilasiirtymän aina keskellä. Synkronointi on helpompaa.

Differential Manchester:

Kun on monta 0 tai 1 bittiä peräkkäin, se on ongelma. Sekoituksella (scrambling) voidaan saada aikaan jännitemuutoksia. Tekee bittijonoon tarkoituksella virheitä, jolloin ne huomataan silloin, kun on monta 0 tai 1 peräkkäin.

Digitaalinen data analoginen signaali. Modulaatiotekniikat: havainnoidaan amplitudia, taajuutta tai vaihetta.

DPSK: Muutos kertoo bitin ei vaihe. QPSK: kukin vaihe sisältää kaksi bittiä

QAM: yhdistetään vaihemodulaatio ja amplitudimodulaatio

Analoginen data digitaalinen signaali. Analoginen data muunnetaan eli digitoidaan digitaalisiksi signaaleiksi.

Pulssikoodimodulaatio PCM: 16 tasoa y-akselilla ja signaali saa aina tason perusteella jonkin tietyn tason arvon, joka esitetään neljällä bitillä.

Delta koodi modulaatio DCM: Tässä modulaatiomallissa kuvataan muutosta ei sinänsä tiettyjä tasoja.

Delta on yksinkertaisempi kuin PCM mutta toisaalta se on herkempi kohinalle. PCM käytetään analogiselle datalle mieluummin kuin DCM.

Analoginen data analoginen signaali: voidaan muuttaa amplitudia, taajuutta ja vaihetta.

Mitä modulaatiota käytetään:

• Bluetooth – FSK

• 802.11 – BPSK/QPSK/FSK

• 802.11a - BPSK/QPSK/16-QAM/64-QAM

• ADSL - 8-QAM/PSK

• Fast Eth – 8B6T

• GigaEth – 8B/10B

• DVB-S – Q-PSK

Asynkroninen tiedonsiirto vs. synkroninen tiedonsiirto

Data link control protocol.

Linkkikerros tarjoaa muutamia asioita:

- Hallintaprotokolla

- synkronointi

- vuon valvonta

- virheiden hallinta

- osoitteet

- valvonta ja data

- linkin hallinta

Puhutaan kummassakin päässä samalla tavalla.

Stop and wait -protokolla: lähde lähettää, vastaanottaja vastaanottaa ja kuittaa lähetyksen, lähde vastaanottaa kuittauksen ennen kuin lähettää uudelleen.

Liukuva ikkuna: lähetetään W kpl kehyksiä ennen kuin tarvitaan kuittaus. Kuittauksen jälkeen taas voidaan lähettää lisää. Siis jokin skaala kehyksiä lähetetään ja sitä mukaan, kun kuittauksia tulee, voidaan ikkunaa liu’uttaa eteenpäin.

Hävinneiden kehysten varalta tarvitaan ajastimia eli jos ei tule kuittausta lainkaan, niin tietyn ajan jälkeen lähetetään kehys uudelleen.

Automatic Repeat Request (ARQ).

Stop and wait ARQ on yksinkertainen mutta tehoton.

Go back N liittyy liukuvan ikkunan menetelmään. Jos matkan varrella tapahtuu virheitä, mitä tehdään, lähetetäänkö kaikki vai vain jotkut. Go back N heti, kun tulee virheellinen kehys, lähetetään virheestä lähtien kaikki uudelleen. Vahingoittunut kuittaus tai hävinnyt kuittaus.

Luentopäivä 4:

Luennon aluksi käytiin läpi pistarit keskustellen kysymyksistä.

Yksittäistä siirtotietä voi käyttää useampi laite yhtä aikaa, jota kutsutaan kanavoinniksi eli multipleksoinniksi. Kanavoinnilla pyritään siis siihen, että yksittäistä siirtotietä voidaan käyttää mahdollisimman tehokkaasti.

Kanavointi voidaan jakaa useampaan luokkaan:

- taajuusjakokanavointi - aikajakokanavointi (synkroninen, asynkroninen) - koodijakokanavointi - aallonpituusjakokanavointi

Taajuusjakokanavointi

Kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle. Eri kanavien väliin jätetään varmuusväli estämään kanavien väliset häiriöt.

ADSL

Jakelusuunta on laajempi kuin paluusuunta. Käyttää olemassa olevaa puhelinkäyttöön tarkoitettua parikaapelia. Modeemi on kotona, josta lähtee kaapeli tietokoneelle. Ennen modeemia pitää olla jakaja, eli kaistanpäästösuodatin. Toisessa päässä on myös jakaja, joka jakaa äänisignaalin ja muut signaalit omaan osaansa. DSLAM reitittää tietoliikenteen oikeaan osoitteeseen.

Lähetin poistaa oman lähetyksen kaiun tulevasta signaalista. Puhelinosuus menee alemmilla taajuuksilla, kun taas digitaaliset signaalit menevät ylemmillä taajuuksilla. Vaimenemiset riippuvat taajuuksista. Data pyritään lähettämään taajuudella, mikä on mahdollisimman hyvä. ADSL on yksi xDSL-tekniikoista (ADSL, HDSL, SDSL, VDSL).

TDMA eli aikajakokanavointi

Jaetaan kanavia ajan suhteen, kun taajuusjakokanavoinnissa jaettiin taajuuksien suhteen. Voidaan siirtää vain digitaalista dataa. Signaali voi olla digitaalista tai analogista. Puskurin toiminnan pitää olla nopeaa, koska jos dataa tulee enemmän kuin voidaan siirtää, puskuri täyttyy ja dataa häviää.

Synkronisessa varataan aikaviipaleet kiinteästi koko yhteyden ajaksi. Ei tarvita ohjausinformaatiota datan yhteydessä. Linkin vuonvalvontaa ei tarvita. Kehystason tahdistusta tarvitaan, koska data tulee eri aikaan.

8 kHz eli 8000 kertaa sekunnissa kehys toistuu.

- ISDN, - SONET/SDH - GSM

Aikaviipaleita tuhlataan synkronisessa yhteydessä. Asynkronisessa eli tilastollisessa TDMA:ssa aikavälit varataan tarpeen mukaan. Kun aikaviipaleet varataan tarpeen mukaan, pitää olla tieto kenelle data menee.

Kaapelimodeemissa pyydetään lähetyslupaa ja kun lupa saadaan, voidaan lähettää tietty määrä aikaviipaleita.

Koodijakokanavointi

Analoginen ja digitaalinen data ja analoginen signaali. Satunnaislukugeneraattori luo satunnaiskoodin, jolla signaalia toimitetaan.

Taajuushyppely, jolloin taajuushyppyjä voidaan tehdä satunnaisesti. Signaalia on vaikeampi salakuunnella.

- nopea ja hidas taajuushyppely

Suorasekvenssitekniikka: bitit hajautetaan suoraan.

Koodijakokanavoinnilla pyritään erottamaan signaalin häiriöt.

Analoginen ja digitaalinen data ja analoginen signaali.

Aallonpituusjakokanavointi

Soveltuu huonosti tietokonekäyttöön.

Verkot

Tähän saakka on puhuttu yksittäisistä linkeistä ja nyt siirrytään useiden linkkien muodostamiin verkkoihin. Teleliikenteessä puhutaan piirikytkennästä ja dataliikenteessä pakettikytkennästä. Kummassakin on omat etunsa.

Kytkentäisessä verkossa kukin laite kytkeytyy verkkoon, jonkun laitteen välityksellä. Eli laitteet ovat verkon ulkopuolella ja osa laitteista on verkon sisällä tai osana verkkoa. Verkon ulkopuolelta kytkeydytään verkkoon jonkun verkon sisällä olevan laitteen välityksellä. Yhteyksien valintaa kutsutaan reitittämiseksi ja reitittäminen tapahtuu verkon sisällä olevien langallisten tai langattomien laitteiden avulla.

Teleliikenteessä äänen on kuuluttava hyvin, joten käytetään piirikytkentää. Dataliikenteessä taas kommunikointiväylää pyritään käyttämään mahdollisimman tehokkaasti, jolloin käytetään pakettikytkentää.

Piirikytkentä

Piirikytkennässä varataan resursseja eli muodostetaan yhteyksien välille tietty resurssi esim. varataan yksi kanava kokonaan käyttöön koko yhteyden ajaksi. Yhteydellinen kommunikointi eli muodostetaan yhteys, siirretään dataa ja lopetetaan yhteys. Data siirretään vakionopeudella.

Esimerkkejä:

- yleinen puhelinverkko - vaihteet - yritysten yksityiset verkot - datavaihteet

Signalointi on datan siirron ulkopuolella tapahtuvaa tiedonvaihtoa eli esim. pyydetään yhteyttä tiettyyn osoitteeseen. Signalointi voi tapahtua puheen kanssa samalla kanavalla (kaistan sisäisesti tai kaistan ulkopuolella) tai omalla kanavallaan.

Pakettikytkentä

Pakettikytkennässä ei varata resursseja vaan linkkejä voidaan käyttää yhtä aikaa. Data pilkotaan pieniin paketteihin siirtoa varten. Solmujen pitää tietää verkon tila eli mihin suuntaan paketit kannattaa lähettää. Pakettikytkentäisessä verkossa jokaisen paketin lähettämisreitti päätetään aina erikseen ja paketit siis voidaan lähettää eri reittejä pitkin ja paketit tulevat perille satunnaisessa järjestyksessä.

Pakettikytkentäisen verkon tehokkuus on parempi kuin piirikytkentäisessä verkossa. Pakettikytkentäinen verkko voi tehdä datanopeuden muunnoksen. Pakettikytkentäinen verkko välittää paketteja ja liikenteen ruuhkautuessa välitys viivästyy. Piirikytkentäisessä verkossa yhteys katkeaa, jos resurssia ei ole käytössä.

Virtuaalipiirissä sovitaan siitä, että jokainen paketti lähetetään samaa reittiä mutta ei siis varata tiettyä resurssia käyttöön, jolloin paketit tulevat oikeassa järjestyksessä perille.

Lyhyt ryhmätyö tähän asti opitusta ja ajatuksia kurssista

Mm.

Data Signaali

Digitaalinen Koodaus Digitaalinen Digitaalinen Avainnus Analoginen Analoginen Modulointi Digitaalinen Analoginen Modulointi Analoginen

Selvitys yleiskuvasta on yleensä ollut yksi tenttikysymys.

Jokaisessa reitittimessä päätetään, mihin paketit lähetetään. Reitittäminen voi tapahtua kustannuksen perusteella (esim. hinta, viive, läpimenoaika) tai hyppyjen perusteella eli montaako solmua pitää käyttää. Reitittämiseen voi vaikuttaa myös se, missä kohtaa päätös reitittämisestä tehdään tai milloin päätös tehdään. Reitittämiseen voi vaikuttaa myös tieto verkkojen suunnasta. Millä perusteella, koska, missä, mitä käytetään ja miten data on saatu.

Luentopäivä 5:

Luento 5

Edellisen luennon asioiden kertaus.

Reitityksen suunnittelukriteerit:

- oikeudenmukaisuus - yksinkertaisuus - voimakkuus - tasapainoisuus - luotettavuus - optimaalisuus - tehokkuus

Reititys voi olla paketin mukana tai sitten se voidaan jo lähetyspäässä määritellä tietynlaiseksi.

Reitityksen hyppäysten määrä

Reitityksen kustannus

Reititysstrategia: flooding eli lähetetään kaikki saadut paketit kaikille solmuille, joihin saajalla on linkki. Hyvä puoli on se, että kaikki verkon asemat tulee käytyä läpi, ellei rajoitetta ole asetettu liian pieneksi. Huono puoli se, että lähetyksiä tulee todella paljon. Käytetään, koska sillä löydetään tietoa, jos tieto ylipäänsä on olemassa verkossa.

Satunnainen reititys

Mukautuva reititys, jossa pyritään ottamaan verkkoinformaation huomioon ja muutetaan reiti-tystä verkon tilanteen mukaan. Lasketaan, mikä reitti kulloinkin on edullisin.

Ruuhkanhallinta. Sisääntulopuskuri ja ulostulopuskuri. Kun liikennettä tulee enemmän kuin voidaan käsitellä, puskuri alkaa täyttyä. Kun puskuri täyttyy, paketteja voidaan hävittää. Mut-ta jos ei haluta hävittää puskureita, lähetetään tieto, että paketteja ei enää voi lähettää. Tämä taas aiheuttaa lähettävään solmuun puskurin täyttymisen. Verkon kuormitus maksimissaan on n. 80 prosenttia. Jos kuorma kasvaa liian suureksi, verkon kapasiteetti romahtaa, koska samoja paketteja, jotka ovat jonossa, lähetetään uudelleen.

Mitä opin kurssin aikana

Kurssin aikana tuli paljon informaatiota. Minusta oppi on kokonaisuudessaan se, että lähetys- ja vastaanottopäässä toimitaan kerrosmallilla. Lähetyspäässä dataan lisätään ohjauskoodia eli protokollaa jokaisella kerroksella ja data paketoidaan pienemmiksi kokonaisuuksiksi. Lähetin muuttaa datan signaaleiksi, jotka välitetään siirtoympäristössä. Siirtoympäristö voi olla yhteydellinen eli langallinen tai sitten ilmatietä käyttävä siirtotie. Lähetin muuntaa signaalin siirtotiestä riippuen sopivaan muotoon. Signaali voi kulkea erilaisilla siirtoteillä vastaanottimelle, jossa signaali taas muunnetaan biteiksi ja dataksi, kun mennään vastaanottajan päässä kerroksilla ylöspäin. Kerroksilla ylöspäin mentäessä datan ohjauskoodit eli protokollat ohjaavat datan sovelluskerrokselle ymmärrettävään muotoon. Signaali toteutetaan jännitevaihteluilla ja eri tekniikoilla jännitevaihteluiden avulla voidaan signaalia siirtää erilaisilla siirtoteillä ja siten dataa voidaan lukea eri paikoissa erilaisilla päätelaitteilla. Signaali voi olla digitaalista tai analogista. Ilmatiellä käytetään aina analogista signaalia.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

1. Miksi esim. gsm-puhelimen ja sykemittarin GPS antavat eri tuloksen matkan mitasta samalle lenkille?

2. Millaista tietä pitkin esim. jonkin nettisivun tiedot tulevat näkyviin omalle koneelleni?

3. Mitkä tekijät määrittävät tietoliikenteen nopeuden?

Kotitehtävä 2

I TCP-protokolla

Tietoliikenteen käyttöön liittyy lähde ja kohde. Kummassakin päässä tieto kulkee eri kerrosten läpi. TCP/IP-mallissa on viisi kerrosta: sovellus-, kuljetus-, verkko-, linkki- ja fyysinen kerros. TCP on kuljetuskerros eli Tranmission control protocol. TCP on siis kuljetuskerroksen protokolla, jonka tehtävänä on lähettää tietopaketteja koneelta toiselle oikeassa järjestyksessä. TCP-yhteydessä on kolme vaihetta: yhteyden luominen, tiedon siirtäminen ja yhteyden katkaiseminen. Yhteys muodostetaan ns. kolmitiekättelyllä. Kun yhteys on muodostettu tietoa voidaan alkaa siirtää. Yhteys puolestaan päätetään ns. nelitiekättelyllä, jossa kummatkin koneet katkaisevat yhteyden erikseen. TCP-protokollassa on ruuhkautumisen estämiseksi kehitetty järjestelyjä. Ruuhkanhallintamekanismeja ovat mm:

1. Hidas aloitus (low start)

2. Ruuhkan välttely (Congestion avoidance)

3. Nopea toipuminen (Fast retransmit/fast recovery)

4. NewReno

5. SACK TCP -optio

Alla linkkejä TCP-protokollaan liittyen.

http://tools.ietf.org/pdf/rfc2581.pdf

http://tools.ietf.org/pdf/rfc2582.pdf

http://tools.ietf.org/pdf/rfc2018.pdf

http://tools.ietf.org/pdf/rfc793.pdf

II FTP-protokolla

File Transfer Protocol (FTP) mahdollistaa tiedonsiirron kahden tietokoneen välillä käyttöjärjestelmästä riippumatta.

FTP määritellään dokumentissa, joka löytyy alla olevasta linkistä

http://tools.ietf.org/html/rfc959

III ANT-protokolla

ANT-protokollaa käytetään esim. Suunnon sykemittareissa. ANT-protokolla toimii fyysisellä -, verkko- ja kuljetuskerroksella. ANT-protokollan maksimikantama on 30 m.

Perustietoa ANT-protokollasta löytyy alla olevasta linkistä:

http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Nordic/ANT-UserGuide.pdf

Kotitehtävä 3

I DVBT-digitaalinen televisiovastaanotin

Lähetyspäässä digitaalinen binäärinen tietovirta hajautetaan kahdeksi digitaaliseksi signaaliksi. NRZ-koodauksella digitaaliset signaalit muutetaan analogisiksi signaaleiksi, jotka yhdistetään QPSK-signaaliksi. Vastaanottopäässä signaali jaetaan jälleen kahdeksi digitaaliseksi signaaliksi ja limitetään yhdeksi binääriseksi tietovirraksi. Tätä kutsutaan vaiheavainnukseksi.

Siirtotie on ilmatie. Käytettävät keskitaajuudet Espoossa ovat kanavanippu A:lla 562 MHz, kanavanippu B:llä 658 MHz, kanavanippu C:llä 674 MHz, kanavanippu D:llä 730 MHz ja kanavanippu E:llä 586 MHz.

II GSM-puhelin

GSM-verkoissa käytetään vaihemodulointia (PM) signaalin välittämiseen. Siirtotienä käytetään radioaaltoja 3Hz-300GHz. GSM-puhelin käyttää 900 MHZ tai 1800 MHz taajuuksia. Puhelin lähettää 900 MHz järjestelmässä signaalia verkkoon päin (ylälinkki) 890 MHz - 915 MHz taajuudella ja vastaanottaa signaalia verkosta (alalinkki) 925 MHz - 960 MHz taajuudella. Vastaavasti 1800 MHz järjestelmässä lähetys 1710 - 1785 MHz ja vastaanotto 1805-1880 MHz.

III ADSL

ADSL:ssä tietovirta jaetaan alivirtoihin, jotka muutetaan analogiseksi signaaliksi alikanaville käyttäen QAM-koodausta. Näin muodostuu analoginen DTM-signaali.

Kotitehtävä 4

I DVBT-digitaalinen televisiovastaanotin

TV-signaalien välittämisessä käytetään taajuusjakokanavointia FDMA. Kanavien väliin on jätettävä riittävä väli, jotta ne eivät häiritse toisiaan. Data voi olla analogista tai digitaalista mutta signaali on aina analogista.

II GSM-puhelin

GSM-puhelimessa ylälinkkiä ja alalinkkia signaalien välitykseen. Siirtotien tehokkuutta pyritään GSM-verkoissa parantamaan synkronisella TDMA eli aikajakokanavoinnilla, jossa varataan aikaviipaleet koko yhteyden ajaksi.

ADSL

ADSL:ssä käytetään taajuusjakokanavointia ja siirtotienä on normaali puhelinlinja.

Kotitehtävä 5

Sähköpostin lähettäminen Nokia E7-puhelimesta työpaikan sähköpostiosoitteeseen. E7-puhelimessa on IMAP4-protokolla. IMAP4-protokolla säilyttää sähköpostit palvelimella ja mahdollistaa sähköpostien lukemisen eri päätelaitteilta eli puhelimesta, kotoa tai toimistolta. Data salataan SSL-protokollalla. Data kulkee analogisena signaalina ilmatietä käyttäen. Ilmatieltä signaali siirretään puhelinverkkoon. Signaali kulkee digitaalisena puhelinverkossa ja reitittimet ohjaavat ohjausprotokollien avulla dataa oikeaan suuntaan ja lopulta oikeaan osoitteeseen. Data tulee lopulta puhelinverkkoa pitkin työpaikan osoitetulle tietokoneelle. Siellä data kootaan sellaiseen muotoon, että työpaikalla sähköpostisovelluksella on mahdollista lukea sähköposti. Kussakin vaiheessa käytetään erilaisia signaalinkäsittelyä.

Tietoturva on kriittisintä, kun tieto kulkee verkossa. Työpaikan päässä kone on suojattu ns. asiointikortilla eli koneelle ei pääse ilman käyttäjätunnusta ja siihen liitettyä asiointikorttia ja asiointikortin salasanaa. Puhelin on suojattu ns. suojakoodilla. Jos puhelin katoaa, suojakoodi on purettava ennen kuin puhelimen tietoihin pääsee käsiksi. Mutta kun data lähtee puhelimelta, se salataan käyttäen datan siirrossa käytettäviä salaustapoja. Päätelaitteiden välillä data on siis vähiten kontrolloitavissa omilla toimenpiteillä.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1

- Omatoiminen kurssimateriaalin läpikäynti 3 h

- Wikisivun teko 1 h

- Luentoyhteenvedon tekeminen 3 h

- Kotitehtävän tekeminen 1 h

  • Luentoviikko 2

- Lähiopetus 6 h

- Luentoyhteenvedon tekeminen 1 h

- Kotitehtävän tekeminen 1 h

  • Luentoviikko 3

- Lähiopetus 6 h

- Luentoyhteenvedon tekeminen 1 h

- Kotitehtävien teko 1 h

  • Luentoviikko 4

- Lähiopetus 6 h

- Luentoyhteenvedon tekeminen 1 h

- Kotitehtävien teko 1 h

  • Luentoviikko 5

- Lähiopetus 6 h

- Luentoyhteenvedon teko 1 h

- Kotitehtävien teko 1 h

VALMIS


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