Oppimispäiväkirja /Nina Verta

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Ennen kurssia en ole koskaan oikeastaan miettinyt käsitettä tietoliikenne, vaikka joskus on tullut ihmeteltyä miten mikäkin nykyteknologian langaton “värkki” toimii. Tietoliikenne ei siis ole tuttu aihealue ja aiheeseen liittyvät käsitteet ovat yleisesti ottaen “hepreaa”. Näin kurssin alkaessa näen tietoliikenteen tiedon välityksenä/siirtona erilaisia langallisia tai langattomia siirtoteitä käyttäen. Tietoliikenne mahdollistaa mm. etätyöskentelyn, kommunikoinnin maailmanlaajuisesti,suorat tv-lähetykset, virtuaalikokoukset ja verkkopalvelut. Arkipäivän sovelluksista tulee aiheeseen liittyen mieleen puhelimet/kännykät, tv, reititin, mokkula, Internet ja sähköposti, verkkopankki, pilvipalvelut (joihin muuten törmäsin vasta TIMO-opintojen yhteydessä)sekä bluetooth, mikä mahdollistaa mm. puheluiden siirtymisen T-silmukan kautta kuulolaitteeseeni (en kyllä ymmärrä miten, mutta loistava ja hyödyllinen keksintö!!!).

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe:Kurssin yleiset asiat, tutustuminen aihealueeseen päällisin puolin sekä kommunikointimallit ja kerrosarkkitehtuuri.
  • Päivän tärkeimmät asiat:Yleiskuva aihealueesta ja kerrosmalliajattelu + protokollat.
  • Mitä opin tällä kertaa:Alustava ymmärrys tiedonsiirtojärjestelmien rakenteesta “paperilla”.
  • Jäi epäselväksi:Siirrettävän tiedon “perimmäinen olemus” eli esim. miten järjestelmät lukevat sähköistä impulssia/miten data määräytyy…

Mitä siellä langoissa ja langattomassa tilassa oikein siirtyy? Ja protokollat eivät vielä ihan auenneet :)

Luentopäivä 2:

  • Päivän aihe: Protokollien yleiset toiminnot, tietoliikenteen standardointi ja siirtotiet
  • Päivän tärkeimmät asiat: Edellä mainitut protokollien tehtävät ja erilaiset siirtotiet
  • Mitä opin tällä kertaa/Pääasiat:

Protokolla = sopimus, kuinka asioita tehdään. Protokolla koostuu syntaksista (muotoiluista), semantiikasta (toimintalogiikasta) ja ajoituksesta (siirron ajoitukseen liittyvät toimenpiteet kuten siirtonopeus ja pakettien järjestys). Protokollan yleisiä toimintoja ovat: segmentointi ja kokoaminen (eri kerrokset voivat siirtää/käyttää vain tietyn kokoisia datalohkoja), paketointi (= ohjausinformaation lisäys), yhteyden hallinta (yhteydetön dynaamista tai yhteydellinen reaaliaikaista), toimitus oikeassa järjestyksessä (yhteydellinen kommunikointi vaatii), vuon valvonta (= lähettäjän lähetysnopeuden säätely vastaanottajan taholta), virheen havainnointi (virheiden vaikutusten pienentäminen, usein havainnointi ja uudelleenlähetys, tapahtuu monilla kerroksilla), osoitteet (osoitustaso, osoituksen laajuus, yhteystunnisteet ja osoitustila), kanavointi (yhteyksien määrän määritys?) ja kuljetuspalvelut (protokollan toimintoja perustoimintojen ohella esim. tietoturva).

Standardien tehtävä huolehtia järjestelmien välisestä fyysisestä, sähköisestä ja toiminnallisesta yhteensopivuudesta. Tärkeimpiä standardointiorganisaatioita Internet Society, ISO, ITU-T, ATM Forum ja IEEE. Internetissä standardilla tarkoitetaan lähinnä voimassa olevaa RFC eli Request For Comments, joista vastaa Internetin standardointiorganisaation ydin IETF eli The Internet Engineering Task Force (jakautunut työryhmiin). ISO-standardeja eri aloille ja standardoinnin vaiheet: idea, kirjaus, editointi, keskustelu, hyväksyntä, kansainvälinen standardi ja julkaisu. ITU-T YK:n alainen järjestö, tuottaa suosituksia telekommunikointialan ongelmiin. IEEE standardit 802-standardeja esim. langaton laajakaista ja LANit, Bluetooth.

Siirtotiet johtimellisia (ohjattuja ja fyysisiä) tai johtimettomia (ohjaamattomia ja langattomia; signaali etenee esim. ilmassa antennien välityksellä). Johtimellisia parikaapeli (esim. puhelinkaapeli; halvin ja eniten käytetty; kuparia; häiriösietoisuuden parantaminen päällystämällä ja kiertämällä; STP, UTP ja FTP; suorituskykykategoriat 1-7), koaksiaalikaapeli (tv-kaapeli; kaksi johdinta sisäkkäin; ed. parempi häiriönsieto ja suurempi tiedonsiirtonopeus korkeampien taajuuksien vuoksi), valokuitu (optinen kuitu 2-125 mikrometriä paksua valoa läpäisevää materiaalia; ydin, heijastuskerros ja kuori; yl. aina digitaalinen signaali; yksimuoto- ja monimuotokuidut sekä dispersio; valon tuotto LED tai laser ja toiminta siis näkyvän valon ja infrapunan alueella 100-1000 THz; erot ledin ja laserin välillä hinta, lämpötilaherkkyys, käyttöikä, toimintaetäisyys, käytetty kuitutyyppi ja tiedonsiirtokyky) ja sähköjohto (data ja sähkö samassa verkossa, josta data erilleen pistokemodeemilla; haittana häiriöt).

Johtimettomia mikroaaltolinkit (tarkasti suunnatut lautasantennit; näköyhteysvaatimus; d=3,57 x neliöjuuri(4/3xh); sekä ääni että data, runkoverkot ja point-to-point rakennusten välillä; mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antenni), satelliittilinkit (eräänlaisia mikroaaltolinkkejä; vastaanotto uplink, lähetys downlink; point-to-point tai broadcast; paras taajuusalue 1-10GHz; geostationaariset satelliitit + LEO, MEO ja HEO; televisiokanavien jakelu ja puhelinliikenne), radiotie (aaltojen suuntaamattomuus !, ei tarvita lautasantenneja; 3 kHz-300 GHz, tehokkaimmillaan 30 MHz-1 GHz; näköyhteys; suurin häiriötekijä monitie-eteneminen; eniten käytetty johtimeton siirtotie, matkapuhelimet, bluetooth, lahgattomat lähiverkot ja radio/tv-lähetykset) ja infrapunalinkit (signaalin siirrossa infrapunavalo; näköyhteys; ei läpäise esteitä eli lyhytkantoiset yhteydet).

  • Siirtotien ja signaalin ominaisuudet vaikuttavat tiedonsiirron laatuun ja ominaisuuksiin.
  • Johtimellisissa voidaan välittää sekä analogista että digitaalista signaalia.
  • Johtimettomien siirtoteiden etenemismekanismeja mm. näköyhteysreitti, sironta, ionosfääriheijastuma, maanpinta-aalto. Perustaajuusalueet 30 MHz-1 GHz (radioaallot), 1-40 GHz (mikroaallot) ja 300 GHz-200 THz (infrapuna-alue).
  • Antennityypit: ympärisäteilevä, eri tavoin suuntaavat, sektori- ja satelliittiantennit.
  • Vaimeneminen = signaalin tehon väheneminen, ilm. yl. dB/etäisyys; vapaan tilan vaimeneminen (vesihöyry, happi, vesi-/lumisade, sumu), esteet (heijastus, taipuminen, sironta), monitie-eteneminen (vrt. optinen kuitu ja radiosignaalit).
  • Jäi epäselväksi: Kanavointi; mikroaalloilla “mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antenni” - miksi näin?

Luentopäivä 3:

* Päivän aihe: Signaalin käsittely siirtotielle sopivaan muotoon eli koodaus ja modulaatio + linkkitasolla lähetyksen synkronisointi ja virheen havaitseminen/korjaus

  • Päivän tärkeimmät asiat:Signaalin käsittely koodauksen ja modulaation avulla
  • Mitä opin tällä kertaa:
  • Lähetysterminologiaa: suora linkki (esim. point-to-point)= kahden laitteen välinen yhteys ilman “välikäsiä” esim. reitittimiä, multipoint = linkki useamman laitteen yhteinen, lähetystavat simplex (=lähetys yhteen suuntaan, esim. tv), half duplex (= linkin molemmat päät lähettävät, mutta eri aikaan, esim. VHF-puhelimet) ja full duplex (= molemmat linkin päät lähettävät yhtä aikaa, esim. puhelin), analoginen signaali = jaksoton signaali, joka voi saada mitä tahansa amplitudiarvoja min-max välillä, kuvaajana jatkuva käyrä ajan suhteen, taajuusalue 20 Hz-20 kHz digitaalinen signaali = jaksollinen signaali, jossa data tietyillä tasoilla ja kuvaaja kanttiaalto, koostuu kahdesta tasavirtakomponentista, kaistanleveys riippuu datamäärästä,amplitudi (A)= signaalin voimakkuus (V), taajuus (f) = signaalin muutosnopeus (Hz), vaihe = jaksollisen signaalin suhteellinen sijainti ajan suhteen, aallonpituus = “aaltosyklin” kulkema matka, spektri = signaalin sisältämä taajuusalue, absoluuttinen kaistanleveys = spektrin leveys, (tehokas) kaistanleveys = kapea taajuusalue, jolla suurin osa energiasta, dc-komponentti = tasavirtakomponentti, 0-taajuuden komponentti.
  • Signaalit koostuvat monista taajuuksista ja signaalit rakentuvat siniaaltokomponenteista. Fourier-analyysin mukaan mikä tahansa signaali on rakentunut siniaaltokomponenteista. Jokaisella siirtojärjestelmällä on rajoitettu taajuusalue, mikä rajoittaa siirrettävän datan määrää. Rajoitettu kaistanleveys lisää vääristymää. Kaistanleveys ja siirtonopeus riippuvat toisistaan. Suurin osa energiasta on kaistan ensimmäisillä taajuuksilla.
  • Digitaalinen signaali halvempi ja kohinattomampi kuin analoginen, mutta vaimenemisen suhteen huonompi kuin analoginen. Signaali voi siirtyessään huonontua laadultaan (analoginen) tai signaaliin voi tulla bittivirheitä (digitaalinen). Yleisimpiä häiriötekijöitä ovat vaimeneminen (riippuu siirtotiestä, signaalin voimakkuus heikkenee etäisyyden kasvaessa), vaimenemisen vääristymä, viivevääristymä (vain johdetussa siirtotiessä ja kriittinen erityisesti digitaaliselle datalle) sekä kohina (ylimääräiset signaalit). Kohina voi olla termaalista kohinaa (kaistanleveydestä riippumatonta elektroniliikettä), intermodulaatiokohina (alkuperäisten taajuuksien summana tai erona syntyneet signaalit), “ristiinpuhelu” (toisen linjan signaalin vastaanotto) ja impulssikohina (elektromagneettisten häiriöiden aiheuttama häiriö, esim. ukkonen/virtapiikki). Analogisesta signaalista häiriöitä ei saada pois, digitaalisesta signaalista häiriöt sen sijaan jäävät matkan varrelle, sillä signaali korjataan lähelle tasavirtakomponentteja/vakiotasoja.
  • Kanavakapasiteetti eli datasiirron maksimimäärä riippuu datanopeudesta, kaistanleveydestä, kohinasta, virhetasosta ja fyysisistä ominaisuuksista. Nyquistin kaistanleveys = kohinattomassa kanavassa max tiedonsiirtonopeus. Shannonin kapasiteetti = teoreettinen maksimikapasiteetti.
  • Jotta signaali voi siirtyä siirtotiellä, sen täytyy olla siirtotielle sopivassa muodossa. Tämä muotoilu tarkoittaa joko koodausta tai modulaatiota. Koodaus silloin, kun digitaalinen tai analoginen signaali muunnetaan digitaaliseksi, ja modulaatio silloin, kun digitaalinen tai analoginen muutetaan analogiseksi. ONKO NÄIN? Koodaus pitää sisällään signaalin spektrin, ajoituksen, virheen havaitsemisen ja signaalin häiriönsietokyvyn. Koodausmalleja ovat esim. Nonreturn to Zero-Level eli NRZ-L (0=jännitetaso ja 1=nollataso; jos kaksi samaa peräkkäin, taso ei muutu), Nonreturn to Zero Inverted eli NRZI (1:n alku vaihtaa tason), Multilevel Binary Bipolar-AMI (1:n alku muuttaa vuoronperään + ja -), Multilevel Binary PseudoternaryBold Text (0:n alussa muutos vuoronperään + ja -), Manchester-koodaus sekä Differential Manchester-koodaus. Koodaus voi tapahtua myös sekoitustekniikalla (korvataan tasaisia amplitudisekvenssejä tavoitteena tasavirtakomponentittomuus, pitkien 0-sekvenssien välttäminen, siirtonopeuden ylläpito ja virheenhavainnointikyky).Modulaatiotekniikoita ovat amplitudiavainnus (ASK), taajuusavainnus (FSK) ja vaiheavainnus (PSK). Modulaatiolla on vaikutusta kaistanleveyteen (amplitudi- ja vaiheavainnus vaikuttavat bittinopeuteen) ja häiriöherkkyyteen. Muutos analogisesta digitaaliseen puheeseen (?) pulssikoodimodulaatiolla tai deltamodulaatiolla. Analogisen datan muuttamisessa analogiseksi signaaliksi amplitudi-, taajuus- ja vaihemodulaatiolla. Modulaatio mahdollistaa multipleksoinnin.
  • Siirto voi olla synkronoitua tai synkronoimatonta. Synkronoimattomassa data lähetetään 5-8 bitin pätkissä, joiden alkuun ja loppuun liitetään start- ja stop-elementit synkronoinnin onnistumiseksi. Synkronisessa siirrossa lähetettävässä datassa start- ja stop-elementtien sijalla liput ja siirrettävät datapätkät pitkiä.
  • Virheen havainnoinnissa käytössä parity check (“parillisuusbitin tarkastus”)tai frame check -sekvenssi. Havaittu virhe voidaan korjata tai virheellinen data voidaan lähettää uudelleen virheiden hallinnasta vastaavien automatic repeat request (ARQ) -menetelmien avulla. Ko. menetelmiä ovat Stop And Wait ARQ, Go Back N ARQ (hylätään virheellinen kehys sekä kaikki seuraavat, uudelleenlähetys kaikkien näiden osalta)sekä Selective-Reject ARQ (vain niiden uudelleenlähetys, jotka eivät ole tulleet vastaanottajalle oikein).

Vielä jäi epäselväksi, ovatko kaikki signaalit (analoginen ja digitaalinen) alkujaan siniaaltoja? Eli bitit amplitudi-frekvenssi-vaihe -eroineen myös siniaaltoja?

Luentopäivä 4:

* Päivän aihe: Multipleksointi eli kanavointi, piirikytkentä ja pakettikytkentä sekä reititys

* Päivän tärkeimmät asiat: Kanavointi ja verkot

* Mitä opin tällä kertaa:

Kanavointi eli multipleksointi eli siirtokapasiteetin jako useamman siirrettävän signaalin kesken * esim. tv, radio, WLAN, kaapeloitu Ethernet ja coctail-tilaisuus!

  • kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei välttämättä vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia, eli “samalle langalle mahtuu useampi signaali samanaikaisesti”
  • käytetään esim. kuiduissa, koaksiaalikaapeleissa ja mikroaaltolinkeissä (runkoverkot) sekä radiotiellä (matkaviestinverkot)
  • perustuu ns. multipleksareiden käyttöön eli lähetyspäässä multipleksari yhdistää n syötettä linjalle ja vastaanottopäässä samainen “reiska” purkaa linjalta ko. syötteet; yhdellä linjalla siis monta kanavaa käytössä
  • perusteet kanavoinnille: kustannustehokkuus (hinta/bps) ja “tilan” hyötykäyttö (yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan linjasta/kaistasta)
  • kanavointiluokat:

1) taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access)

  • kukin signaali omalla taajuusalueella eli kanavalla eli kantoaallon kohdalle keskittyneellä kaistanleveydellä (ko. signaalit moduloitu eri taajuisille kantoaalloille)
  • eri kanavien välillä varmuusväli häiriöiden estämiseksi eli kantoaaltojen taajuudet riittävän kaukana toisistaan
  • siirtotien kapasiteetin tulee olla suurempi kuin siirrettävien signaalien kaistanleveyksien/-vaatimusten summa
  • moduloidut signaalit yhdistetään lähetyspäässä taajuusjaetuksi signaaliksi, minkä kaistanpäästösuodatin erottaa signaaleiksi vastaanottopäässä
  • syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista, signaali sen sijaan aina analoginen (modulaatio!)
  • esim. TV-kanavien välitys (värisignaali, ääni, musta-valko)ja analogiset kuljetusjärjestelmät (USA:n AT&T ja Euroopan ITU-T; puhekaistan/äänikanavan leveys 4 kHz; hierarkinen järjestelmä, minkä johdosta alkuperäinen signaali saatetaan moduloida monta kertaa, mikä saattaa aiheuttaa datan vääristymiä) ja

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

  • jakelusuunta eli verkosta tilaajalle päin (downstream)laajempi kuin tilaajalta verkkoon päin (upstream); kanavajako kaiun poistolla tai taajuusjakokanavoinnilla; taajuusjakokanavointia vielä downstream- ja upstream-kanavien sisällä
  • perustuu äänikanavan käyttöön eli siirtotienä puhelinkäyttöön tarkoitettu parikaapelia, jonka kapasiteetti yli 1 MHz (kaistanpäästösuodatin/kaistanrajoitin jakamassa data- ja äänisignaalit kohteisiinsa)
  • alunperin suunniteltu video-on-demand -palveluille
  • toimintamatka n. 5,5 km
  • 25 kHz varattu puheelle + suojakaistalle
    • DMT eli Discrete MultiTone -tekniikka; monta kantosignaalia eri taajuuksilla 4 kHz:n kaistoilla/alikanavilla; alikanavien signaalikohinasuhde määrää datan kuljetukseen käytetyt kanavat, “parempiin” enemmän dataa; alikanavien datanopeudet 0-60 kbps → teoreettinen datanopeusmaksimi 256 downstreamkaistaa x 60 kbps = 15,36 Mbps, käytännössä 1,5-9 Mbps

xDSL

  • signalointi digitaalinen: ADSL (asymmetrinen) ja SDSL (symmetrinen), (1 kaapalipari), ja HDSL (2 kaapeliparia)
  • signalointi analoginen: VDSL

Kaiunpoisto= lähetin poistaa oman lähetyksen kaiun tulevasta signaalista; sopiva kaiunpoistojärjestelmä mahdollistaa lähetyksen ja vastaanoton samalla kanavalla

  • ongelmana kanavien ylikuuluminen kantoaaltojen ollessa liian lähellä toisiaan ja pitkillä matkoilla vahvistus voi luoda taajuuskomponentteja myös toisiin kanaviin

2) aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access)

  • digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille
  • perustuu eri signaalien viipalointiin (aikajako) bittitasolla, tavutasolla tai suuremmissa yksiköissä
  • kapasiteettivaatimukset kuten FDMA:ssa (ei päde välttämättä tilastollisen TDMA:n osalta)

Synkroninen

  • datan oltava digitaalista, signaali voi olla digitaalinen (johtimelliset) tai analoginen (ilmatie)
  • multiplekseri käy läpi puskureita ja muodostaa datasisällöistä siirrettävän signaalin
  • siirrettävä data muodostaa signaalikehyksiä ja kehykset muodostuvat aikaviipaleista, joita lähteet voivat varata itselleen
  • kanava = yhden lähteen varaamat aikaviipaleet
  • aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi
  • mahdollistaa eri nopeuksilla toimivien lähteiden yhdistämisen eli kullekin yhteydelle aikaviipaleita nopeuden mukaan
  • ei tarvita ohjausinformaatiota datan yhteydessä/ei linkkiprotokollaa, ei myöskään vuonvalvontaa (kkinteä nopeus)eikä virheen korjausta
  • kehystason tahdistus vaaditaan!; kontrollibitit tai kehyksen täyttö
  • esim. DS-1 -järjestelmä (24 kanavaa) ja ITU-T:n vastaava; ISDN; SONET/SDH (digitaalisen siirto optisessa kuidussa)ja GSM (pulssikoodimodulaatiolla näytteenottotaajuus 8000 Hz)
  • soveltuu huonosti tietokonekäyttöön (epäsäännölliset lähetykset)

Asynkroninen eli tilastollinen

  • aikaviipaleiden varaamista dynaamisesti, jolloin “linjalla” ei turhaa tyhjää; dataa otetaan kunnes kehys täynnä
  • käyttää hyödykseen siirtojen taukoja eli siirtotien kapasiteetti voi olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa
  • vaatii ohjausinformaatiota (aikajaksoihin) datan yhteyteen
  • käyttö esim. tv-kaapelimodeemit, joissa dataa varten 2 kanavaa (yksi mol. suuntiin), jotka jaettu tilaajien kesken

3) koodijakokanavointi(CDMA, Code Division Multiple Access)

  • sopii sekä digitaaliselle että analogiselle datalle, jotka analog. signaaleiksi
  • kanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite
  • tärkeä koodausmenetelmä johtimettomille siirtoteille
  • käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet
  • toteutus taajuushyppelyllä tai suorasekvenssillä
  • jakaa datan laajalle kaistalle (hajautuskoodit)
  • edut: häiriönsieto ja immuniteetti monitie-etenemiselle, signaalien salaus, useat käyttäjät voivat jakaa kanavan vain vähäisin häiriöin (esim. CDM/CDMA mobiilipuhelimet)→ verkkosuunnittelu helpottuu, teoreettisesti tehokas ja taajuuksien käytöltä joustava
  • signaalin häirintä ja esto vaikeaa (salaista tietoa eteenpäin viholliselta piilossa :D); koodausavaimena yksilöllinen tieto esim. laiteosoite (Bluetooth)

4) aallonpituusjakokanavointi(WDMA, Wavelength Division Multiple Access)

  • käytetään optisessa yksimuotokuidussa
  • eräänlainen FDMA, terminä kuitenkin WDM (Wavelength Division Multiplexing)
  • eritaajuiset valonsäteet muodostavat kukin oman kanavansa
  • multiplekseri yhdistää laserlähteet ja optinen vahvistin vahvistaa aallonpituuksia, demultiplekseri erottelee kanavat määränpäässä

KYTKENTÄISET VERKOT

  • koostuvat solmupisteistä ja näiden välisistä linkeistä (multipleksoituja) sekä verkkoa käyttävistä laitteista eli asemista
  • solmut sisäisiä pisteitä tai asemille dataa luovuttavia tai asemilta dataa vastaanottovia solmuja
  • mitä enemmän mahdollisia polkuja solmujen välillä, sitä luotettavampi verkko
  • solmut siis REITITTIMIÄ, jotka osallisia yhteyden kytkentään ja valintoihin signaalin välityksessä

VERKOT joko PIIRI- (TELELIIKENNE) TAI PAKETTI- (DATALIIKENNE) KYTKENTÄISIÄ

PIIRIKYTKENTÄ

  • reaaliaikainen kommunikointiväylä
  • varatut resurssit, päästä-päähän yhteys muodostettava ennen varsinaista datan siirtoa
  • kehitetty puheen siirtoon
  • käytetään myös jossain yksityisissä kiinteissä yhteyksissä (leased line), myös dataliikenteen siirtoon
  • edellyttää määriteltyä yhteyspolkua kahden aseman välillä
  • viestinvälitys yhteydellistä
  • datan siirto vakionopeudella
  • viive siirrossa = linkkien välinen etenemisviive
  • digitaalinen piirikytkentäsolmu koostuu verkkoliitännästä, digitaalisesta kytkimestä ja hallintayksiköstä
  • signalointitavat kaistansisäinen (puheen lomassa) ja kaistan ulkopuolinen SAMALLA KANAVALLA sekä omalla kanavalla (yhteinen kanava datavirroille)
  • esim. yleinen puhelinverkko (PSTN), vaihteet (PBX private branch exchange), yritysten yksityiset verkot (PBX-järjestelmät yhdistetty omalla linjalla), datavaihteet (ed. kaltaisia)

PAKETTIKYTKENTÄ

  • data pilkottu paketteihin, koko riippuu pitkälti siirtoverkosta; solmun täytyy ottaa vastaan paketti kokonaisuudessaan ennen kuin se voi lähettää sen seuraavalle solmulle
  • paketti on dataa + ohjausinformaatiota
  • solmuissa varastointi lyhyeksi aikaa ja lähetys seuraavalle solmulle
  • solmujen oltava tietoisia verkon tilasta eli mitä reittiä käytetään
  • päätös lähetyksestä/reitistä jokaiselle paketille erikseen
  • edut: tehokkuus (linkkien jako dynaamisesti kaikilta asemilta tulevien pakettien kesken), voi suorittaa datanopeuden muutoksen, prioriteettien määritys paketeille, pakettien hyväksyntä välitysviiveen kasvun hinnalla (ei siis estetä/hylätä yhteyttä)
  • KYTKENTÄTAPOINA tietosähke/datagrammi ja virtuaalipiiri
  • * TIETOSÄHKE: paketit täysin itsenäisiä (ei viittausta muihin lähetettyihin paketteihin, reitityspäätökset, vastaanottoaseman tehtävä laittaa oikeaan järjestykseen tarvittaessa) eli reitityspäätös jokaiselle paketille erikseen ja mukautuu ruuhkatilanteisiin
  • * VIRTUAALIPIIRI: lähettävä asema laittaa liikenteeseen sopivimman reitin etsivän “tiedustelijan” = Call-Request -paketin, johon vastaanottoon valmis vastaanottaja vastaa samaa reittiä Call-Accept -paketilla (ei tarvita reitityspäätöksiä), yhteys lopetetaan Clear-Request -paketilla
  • * polun ei tarvitse olla varattuna yhteydelle kuten piirikytkennässä !!!! ja reitityspäätös vain Call-Request -paketille

Kytkentätekniikoiden suorituskykyä mitattaessa otettava huomioon viiveet: etenemis-, siirto- ja solmu-/prosessointiviive; todellien suorituskyky riippuu monista tekijöista kuten esim. topologia, verkon koko, ruuhkat

* Jäi epäselväksi: Aikajakokanavointi ei oikein auennut :)

Luentopäivä 5.

REITITYS eli ohjauspäätökset datan/signaalin siirrossa

  • reitinvalinnassa kriteerinä lyhin reitti tai halvin reitti
  • pakettikytkentäisen verkon reititystekniikkaan vaikuttavat:
  • suorituskyky (solmujen määrä, hinta, viive, läpäisy)
  • aikapäätös (paketille ja yhteydelle)
  • päätöspaikka (jokainen solmu, keskitetty solmu tai lähettävä solmu)
  • verkkoinformaation lähde (ei lähdettä, paikallinen esim. lähtöpuskuri, naapurisolmu, reitin solmut, kaikki solmut)
  • verkkoinformaation päivitys (jatkuvaa, ajoittaista, kuormituksen vaihtuessa, topologian vaihtuessa)

REITITYSSTRATEGIAT:

  • kiinteät taulut (yksinkertaista mutta joustamatonta)
  • flooding (kaikki reitit kokeillaan/käytetään eli paljon liikennettä)
  • satunnainen (ei tarvita verkkotietoja, lähetys johonkin solmuun)
  • mukautuva reititys (vaatii tietoja verkon tilasta, käytössä lähes kaikissa pakettikytkentäisissä verkoissa; parantunut suorituskyky ja ruuhkan hallinta; tiedonlähteet yksittäinen solmu, viereiset solmut tai kaikki solmut)
  • ARPANET-strategiat (perustuvat viiveiden estimointiin tai laskentaan; Dijkstran algoritmit vaativat koko verkoston tiedot, Bellman-Fordin algoritmit perustuvat naapureilta saatuihin tietoihin)

MOBIILIVERKOT

  • soluverkko; soluissa tukiasemat, jotka matkapuhelin etsii
  • tukiasema ohjaa puhelun matkapuhelinkeskukseen, joka etsii vastaanottajan tukiaseman
  • liikuttaessa solusta toiseen tukiasema vaihtuu
  • tukiasemat eivät keskustele keskenään, matkapuhelinkeskus “linkittää” tukiasemat
  • siirtotien jako: 3G koodijakokanavointi, GSM aikajakokanavointi

LÄHIVERKOT

  • nopeus kasvaa koko ajan
  • avainelementtejä verkon topologia, siirtotie ja siirtotien käyttöoikeus
  • tekniikkana usein parikaapeli-Ethernet (vastaa kerrosarkkitehtuurin kahta alinta kerrosta; fyysinen kerros = data signaaliksi ja lähetys siirtotielle, linkkikerros = MAC-kerros (siirtotien hallinta) ja LLC-kerros (linkin hallinta)
  • laajennus siltaamalla (samanlaisten verkkojen välillä; MAC-osoitteet, joilla myös siirtotien jako päätelaitteiden kesken) tai reitittämällä (erilaiset verkot; IP-osoitteet)
  • viimeinen linkki langaton, muuten linkit johtimellisia
  • tukiasema (esim. ADSL) kiinni verkossa
  • taajuus 2,4 GHz

Mitä opin kurssin aikana

Kurssi on tuonut esille paljon asioita ja käsitteitä, joista en ole ollut lainkaan tietoinen eli paljon on tullut opittua, mutta käsityskyky on rajallinen, huomaan… Erilaiset siirtotiet, siirtyvän tiedon eli datan ja signaaleiden 'perimmäinen olemus' on selkiytynyt ja erilaisten häiriöiden tiedostaminen auttaa ymmärtämään, miksi tiedonsiirto ei aina toimi. Kurssi on siis saanut aikaiseksi jonkinlaisen yleiskuvan, joskin eri laitteiden käyttämät tekniikat ovat vielä hakusessa. Ja voi luoja noiden lyhenteiden määrää!

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Yritin siirtää kuvan huushollimme tietoliikenneaparaateista tiedostona tähän, mutta eipä toiminut. Selvittelyn alla,mikä meni vikaan… Siispä kotona tietoliikenteeseen kytköksissä ja keskenään yhteydessä olevia laitteita ovat:1)perheen yht. kuusi kännykkää, joista yhdessä GPS, 2) Nokian “wireless loopset” LPS-5, mikä on yhteydessä bluetoothilliseen (hauska sana…) puhelimeen ja T-silmukalliseen kuulolaitteeseen, 3) kaksi televisiota, joissa molemmissa digiboxit ja dvd-/dvd-vhs -soittimet,toiseen televisioon liitetty langallisesti lisäksi stereot ja toiseen PS3, 4) perheen kolme tietokonetta ja yksi kannettava, jotka saman langattoman kotiverkon alla; reititin miehen mukaan ADSL-modeemi (ei sano miulle mitään)ja “pääkoneeseen” on langallisessa yhteydessä printteri. 5) Sekalainen joukko radiollisia MP3-soittimia.

GPS:n sis. puhelin toimii navigaattorina reissuilla, televisiota muksut tuijottavat aina, kun vain saavat ja ehtivät, puhelimet ovat meidän perheessä puhelimia eli ei nettiyhteyksiä (alkukantaista, mutta ei koeta tarpeellisiksi :)), pleikka toimii pelikoneena sekä elokuvien katsomisessa, tietokoneilla pelataan netissä sekä etsitään tietoa verkosta + räpelletään teksti- ynnä muita tiedostoja, ja kuulolaite yhdessä langattoman t-silmukan kanssa tekevät elämästäni huomattavasti helpompaa kuin mitä se olisi ilman niitä :DDD.

Kysymykset, joihin toivoisin kurssin aikana vastausten valkenevan ovat:

1. Miten puhelut siirtyvät langattoman loopin kautta kuulolaitteeseen? 2. Miten T-silmukka toimii? Mihin tekniikka perustuu? 3. Jokaisella tietokoneella kun taitaa olla oma osoitteensa (?), niin missä vaiheessa laite osoitteensa saa? Miten se määräytyy?

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus: Ensimmäisten luentojen kotitehtävissä selvititte laitteita ja palveluita. Tässä kotitehtävässä selvitetään laitteiden ja palveluiden käyttämiä protokollia. Selvittäkää 3 eri protokollaa joita omassa ympäristössänne on käytössä ja etsikää protokollan standardi/määritelmä ja liittäkää kotitehtäväänne linkki ko. protokollaan.

PPP eli esim. laajakaistayhteyden protokolla:

PPP (lyhenne sanoista Point-to-Point Protocol) on protokolla jota yleisesti käytetään muodostamaan suora yhteys verkkolaitteiden (node) välillä. Sen ensisijainen käyttökohde on ollut puhelinverkko- ja modeemiyhteydet, mutta sitä käytetään myös laajakaistayhteyksissä (esimerkiksi PPP over Ethernet). Monet verkkoyhteyden tarjoajat käyttävät PPP-protokollaa soittosarja-/modeemiyhteyksissä (esimerkiksi internet-yhteyksiin, jossa se on suurelta osalta syrjäyttänyt vanhemman SLIP-protokollan).

PPP toimii yleensä 2. kerroksen (siirtoyhteys, OSI-malli) protokollana synkronisten ja asynkronisten verkkojen yli. PPP rakennettiin toimimaan usean verkko-kerroksen protokollan kanssa, kuten IP, IPX, AppleTalk ja korvaamaan epästandardi 2. kerroksen SLIP-protokolla. PPP käyttää FCS-menetelmää tunnistaakseen, onko jossakin kehyksessä virhe. PPP tarkkailee virheiden määrää, ja voi tarvittaessa poistaa verkkolaitteen käytöstä, mikäli virheiden määrä on liian suuri.

http://www.ietf.org/rfc/rfc1661.txt

TCP/IP eli Internetin käyttö -protokolla:

TCP/IP perustuu ajatukselle, että tietoliikenne koko verkon laajuudelta tapahtuu käyttäen samanlaisia tietosähkeitä, IP-paketteja. Lähettäjän ja vastaanottajan välille muodostettavat yhteydet vaikuttavat vain päätelaitteisiin, samoin pakettien sisällön tulkinta tapahtuu pelkästään päätelaitteissa. Itse tietoliikenneverkko siirtää vain yhdenlaisia paketteja. Jokaisen paketin käyttämä reitti voi olla erilainen. Pakettiverkko ei tiedä eikä välitä siitä, sisältääkö paketti palan puhetta, sähköpostia vai multimediadokumenttia.

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) on usean Internet-liikennöinnissä käytettävän tietoverkkoprotokollan yhdistelmä. IP-protokolla on alemman tason protokolla, joka vastaa päätelaitteiden osoitteistamisesta ja pakettien reitittämisestä verkossa. Sen päällä voidaan ajaa useita muita verkko- tai kuljetuskerroksen protokollia, joista TCP-protokolla on yleisin. Se vastaa kahden päätelaitteen välisestä tiedonsiirtoyhteydestä, pakettien järjestämisestä ja hukkuneiden pakettien uudelleenlähetyksestä. Vaikka TCP/IP-protokollaperheeseen kuuluu monia muitakin protokollia, pääosa liikennöinnistä tapahtuu TCP-yhteyksinä IP-protokollien päällä. Tämän takia protokollaperhe yleensä tunnetaan nimellä TCP/IP.

Verkkokerroksen IP-protokolla on TCP/IP-protokollan ydin. Verkossa tietoa välittävät reitittimet välittävät ainoastaan IP-paketteja, mikä perustuu IP-pakettien otsikkokenttien tietoihin. Kaikki ylemmän tason protokollat, kuten TCP, ovat sisällytetty, enkapsuloitu, IP-paketin data-osioon. Näin ollen IP-tasolla toimiva verkko ei ole tietoinen ylemmän tason protokollista ja yhteyksistä. IP-protokollaa voidaan ajaa lähes minkä tahansa verkon päällä, joten sillä on helppo yhdistää erilaisia verkkoja isommiksi kokonaisuuksiksi. Internet on vain yksi mutta merkittävin tällä tavalla rakentunut verkko. Internet-protokolla-sanassa internet tarkoittaa verkkojen välistä verkkoa.

TCP on IP-protokolla numero 6.

IPv6 http://tools.ietf.org/html/rfc1883

SDP eli “Bluetooth -protokolla”:

Bluetooth on avoin standardi laitteiden langattomaan kommunikointiin lähietäisyydellä.Bluetooth on lyhyen kantaman radiotekniikkaan perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka, jonka tarkoituksena on ollut korvata kaapelit matkapuhelinten, PC:n, tulostinten ja muiden oheislaitteiden välillä.Bluetoothilla korvataan myös infrapunayhteyksiä, koska se on toimintavarmempi ja monipuolisempi siirtotekniikka eikä tarvitse esimerkiksi optista kontaktia yhteyslaitteiden välillä. Bluetooth-teknologia mahdollistaa myös yhteyslaitteiden autentikoinnin ja tiedonsalauksen eli -kryptauksen, toisin kuin IrDA.Pienimmällä milliwatin (Class/luokka 3) lähetysteholla päästään noin metrin tiedonsiirtoetäisyyksiin, 2,5 mW teholla (Class/luokka 2) jo noin kymmeneen metriin, ja lähetystehoa kasvattamalla ylletään jopa 100 metrin etäisyyksiin (100 mW/Class 1). Bluetoothin keskilähetystaajuus on 2,45 GHz. Samalla taajuusalueella toimivat myös muun muassa mikroaaltouunit ja langattomat lähiverkot.

SDP (Session Description Protocol) on protokolla, jolla voidaan kuvata suoratoistettavan median alustusparametreja. Sen on julkaissut IETF dokumenttina RFC 4566. Suoratoisto tarkoittaa, että sisältö voidaan nähdä ja kuulla sen toimituksen aikana.

http://tools.ietf.org/html/rfc4566

Tutustukaa WLAN artikkeliin (wikissä pääsivulla kohdassa muuta materiaalia) ja pohtikaa mikä on kurssin kannalta tärkeää, millaisia kysymyksiä, epäselvyyksiä artikkeli herättää ?

Artikkeli selvensi eri taajuusalueiden merkitystä tietoliikenteen kannalta, samoin kaistanleveyden ja siirtonopeuden yhteyttä. Myös aallonpituuksien vaikutus signaalin etenemiseen selventyi. Kurssin kannalta tärkeää on em. yhteyksien selventyminen näin maallikolle ja asiaan vasta tutustuvalle. Myös antennien määrän vaikutus tietovirtojen määrän lisäämiseksi oli selkeästi sanottu uusi tieto.

Keilanmuodostus ja -suuntaus? Mitä tarkoittaa käytännössä?

Kotitehtävä 3

Kolmannessa kotitehtävässä tarkastallaan laitteiden ja palveluiden hyödyntämiä siirtoteitä ja tiedon koodausta. Eli jälleen käsitellään 3 eri tapausta ja niistä käytetty siirtotie ja sillä käytetty koodaus. Jos käytetään ilmatietä niin olisi hyvä selvittää taajuusalue jolla toimitaan.

Bluetooth: siirtotienä ilma ja keskilähetystaajuutena 2,45 GHz. (Samalla taajuusalueella toimivat myös muun muassa mikroaaltouunit ja langattomat lähiverkot.) Koodauksena FSK eli vaiheavainnus.

Langaton lähiverkko WLAN: 2,4 ja 5 GHz radiotaajuudet, 802.11g -standardi määrittää radiotaajuustekniikoista/modulaatiotekniikoista DSSS- (suorasekventointi, engl. Direct Sequence Spread Spectrum) , HR-DSSS- ja OFDM-tekniikat. OFDM-modulointia käytetään useissa erilaisissa tiedonsiirtojärjestelmissä kuten ADSL:ssä, WLAN:ssa, UWB:n ofdm-versiossa, digiradiossa, digitelevisiossa ja datasähkössä, LTE:ssä sekä Flash OFDM:ssä.

Televisio/Digitv: Eteneminen ilmateitse radiotaajuuksilla 470-850 MHz. DVB-T (Digital Video Broadcasting, Terrestrial) eli maanpäällinen digitaalinen (digitaalitelevision) lähetysjärjestelmä, on käytössä yli 36 maassa. Järjestelmä lähettää pakattua digitaalista audio/video-lähetettä käyttäen OFDM-modulaatiota (COFDM). Suomessa käytetään 8k- ja 2k-järjestelmiä, missä 8k-järjestelmässä kantoaaltoja on 6 817 kappaletta ja ne ovat 1 116 hertsin välein. Lähdekoodaukseen käytetään MPEG-2-koodausta ja nykyään myös MPEG-4:ää eli H.264:ää. OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) eli DMT-modulointi (Discrete Multitone) perustuu tiedon siirtoon lukuisilla toisiaan häiritsemättömillä taajuuskanavilla yhtä aikaa.Kantoaallon modulointiin käytetään QPSK:ia, 16-QAM:ia ja 64-QAM:ia. DVB-T:n häiriönsieto perustuu ennen modulointia tapahtuvaan virheenkorjausbittien lisäämiseen.

Kotitehtävä 4

Kotitehtävässä tarkastellaan siirtotien/verkon hyödyntämiseen ja tehokkuuteen liittyviä asioita. Riippuen kunkin tarkastelemista laitteista/sovelluksista/teknologioista pohtikaa hieman kuinka valituissa lähestymistavoissa siirtotien/siirtoverkon tehokas käyttö on huomioitu. Onko kyse kanavoinnista vaiko verkkotekniikoista joilla tehokkuus ja yhtäaikainen käyttö saadaan aikaiseksi.

  • Bluetoothin osalta tehokas ja yhtäaikainen käyttö saadaan aikaiseksi käyttämällä verkoissa eri taajuuksia ja kanavahyppimistä.Bluetoothin käyttämän taajuushyppelyn takia tietoliikenne on periaatteessa pakettikytkentäistä. Taajuutta vaihdetaan 1600 kertaa/s ja yhden paketin lähetysaika (slot) on noin 625 mikrosekuntia.
  • WLAN:n osalta pakettikytkentäisyys, koodijakokanavointi ja AdHoc-verkkorakenne tehostavat datan siirtoa ja yhtäaikaista käyttöä.
  • Digi-tv:n osalta tehokkuus taitaa perustua suureksi osaksi kanavointiin (äänelle FDMA ja videokuvalle ADMA), tosin pakettikytkentäisyys tuo lisänsä tehokkuuteen.

Kotitehtävä 5

Kokonaiskuva sovelluksen käyttäytymisestä eli pohtikaa yksittäisen sovelluksen (oma valinta) toimintaa aina sovellustasosta varsinaiseen bittien siirtoon. Pyrkikää luomaan kokonaiskuva, jossa kurssilla käydyt asiat nivoutuvat yhteen. Tietoturva eli tutustukaa tietoturva-asioihin kappaleen 23 (ja 24) mukaisesti ja liittäkää tietoturva aiemmin käsiteltyihin konteksteihin.

Sovelluksen käyttäytyminen/sähköposti:

1. A kirjoittaa sähköpostiviestin postiohjelmallaan (esimerkiksi Outlook).

  • eli tuottaa digitaalista dataa eli bittejä

2. A:n postiohjelma lähettää viestin A:n postipalvelimelle (eng. mail server).

3. A:n postipalvelin ottaa TCP-yhteyden B:n postipalvelimelle.

4. A:n postipalvelin siirtää (“push”) viestin SMTP-protokollalla B:n postipalvelimelle.

5. B:n postipalvelin laittaa viestin B:n postilaatikkoon.

6. B:n postiohjelma noutaa viestin postinnoutoprotokollalla (“pull”) (esimerkiksi POP3) postiohjelmaan ja B lukee viestin.

Sähköpostisovelluksella kirjoitettu viesti eli bittimuotoinen data pilkotaan PC:n TCP/IP-järjestelmäarkkitehtuurin sovelluskerroksella sopivan kokoisiksi paketeiksi (data + ohjausinformaatio),joita alemmat kuljetukseen ja verkonhallintaan sekä datan siirtoon keskittyvät kerrokset pystyvät käsittelemään. Datapaketit siis siirtyvät sovelluskerrokselta ohjausinformaation sisältämien tietojen mukaisesti portin kautta kuljetuskerrokselle (TCP, UDP), verkkokerrokselle (IP, reititys), linkki- ja fyysiselle kerroksille, joissa tapahtuu datan “kehystäminen” ja datan muuttaminen siirtotielle sopivaan muotoon (eli digitaalinen data digitaaliseksi signaaliksi koodauksen avulla (NRZ-L?)) sekä datapaketin matkaan laitto pakettikytkentäisenä verkkoon.

TIETOTURVA

  • bluetoothin tietoturva taitaa perustua suurelta osin pieneen kantamaan sekä käyttäjän tekemiin valintoihin yhteyden sallimisesta/luomisesta yhteensopiviin laitteisiin
  • digi-tv:n tietoturva perustunee siihen, että lähetyksistä vastaavat vain harvat eli toiminta tarkkaan säänneltyä
  • WLAN:n tietoturvasta huolehdittu virustorjunta- ja palomuuripäivityksien avulla sekä välttäen tiedostojen “imuroimista” netistä sekä epämääräisiä sivustoja.

Viikoittainen ajankäyttö

* Luentoviikko 1 Lähiopetus 6 h Wiki-sivuston pällistely ja kotitehtävien teko n. 2h Luentomuistiinpanojen lueskelu n. 1 h

* Luentoviikko 2 Lähiopetuksen lisäksi omatoimista aiheen kertausta ja kotitehtävien tekoa 4 h

  • Luentoviikko 3

Lähiopetuksen lisäksi 3-4 h aineistoon tutustumiseen ja kotitehtävien tekoon

  • Luentoviikko 4

Lähiopetus + kotitehtävät yms. noin 4 h


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