meta data for this page
  •  

Oppimispäiväkirja

Ennakkokäsitys aihealueesta

Tietoliikenteestä mieleeni tuli ensimmäiseksi se, että tietoa siirretään paikasta A paikkaan B. Kun tietoa siirretään tekniikan avulla, puhutaan tietoliikennetekniikasta. Tekniset laitteet muodostavat verkostoja, joissa tieto kulkee paikasta toiseen. Tietoliikenteellä on iso rooli niin työssäni kuin vapaa-ajallani, vaikka en sitä ole sen syvällisemmin aiemmin pohtinut. Tietoliikennetekniikan perusteet ei aihealueena herättänyt ennakkoon kovin lämpimiä tunteita. Ajattelin, että edessä olisi kurssi, jossa harjoitellaan vähän koodaamista ja jonka luennoilla puhuttaisiin niin korkealentoisista asioista, etten saisi niistä tarttumapintaa. No, ainakin ensimmäinen luento oli hyvin ymmärrettävä.

Ennakkotehtävä 1

Tietoliikenne on datan siirtämistä paikasta toiseen. Tietoliikenne edellyttää verkostoja, joiden kautta tieto kulkee.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Tällä ensimmäisellä luentokerralla kävimme läpi kommunikointimallia, kerrosmallia ja protokollan toimintaa ja tehtäviä. Protokollan perusominaisuuksia ovat syntaksi, semantiikka ja ajoitus. Stallingsin malli: Lähde ja kohde kommunikoivat keskenään. Tärkeitä termejä: arkkitehtuuri, protokolla, standardointi, LAN, siirtotiet, kanavointi, WAN, piiri- ja pakettikytkentä.

Kommunikointimalli on teoreettinen malli, joka kuvaa tietoliikenneprosessia eli tiedon siirtoa laitteiden välillä. Kommunikointimalli:

  • Lähde (generoi datan), lähetin (muuttaa datan signaaliksi), siirtojärjestelmä, vastaanotin (vastaanottaa signaalin), kohde (toistaa vastaanotetun datan).
  • järjestelmät kommunikoivat luomalla signaaleita liitynnän kautta siirtotielle
  • synkronointi (vastaanottimen on pystyttävä päättelemään, koska signaali alkaa)
  • kommunikointiverkot WAN, MAN, LAN, PAN

Kerrosarkkitehtuuri: Lähteen ja kohteen tehtävät jaetaan yleensä osakokonaisuuksiin eli kerroksiin (postin lähetys –esimerkki). Tarkasteltiin teoreettista kolmen kerroksen mallia ja kahta yleisesti tunnettua kerrosmallia (OSI ja TCP/IP). Ideaalitilanteessa muutokset yhdellä kerroksella eivät vaikuta toisten kerrosten määrittelyihin. Kommunikointi toisten järjestelmien kanssa tapahtuu aina kerrosmallin alimman kerroksen kautta.

  • Kolmen kerroksen mallin osia ovat sovelluskerros (siirtokomennot, salasanat ja tietueet), kuljetuskerros (huolehtii tiedostojen ja komentojen siirrosta) ja verkkokerros (tarjoaa aina samanlaisen palvelun kommunikointimoduulille).
  • OSI:ssa on seitsemän kerrosta, joista jokainen hoitaa joitakin toimintoja ja tarjoaa palveluitaan ylemmille kerroksille. Ideaali on se, että muutokset yhdellä kerroksella eivät vaikuta muihin kerroksiin. Kerrosksen hyöty on siinä, että suuri tehtävä tai ongelma pilkotaan pienemmiksi tehtäviksi. OSI koostuu fyysisestä kerroksesta, linkkikerroksesta, verkkokerroksesta, kuljetuskerroksesta, istuntokerroksesta, esitystapa- sekä sovelluskerroksesta.
  • TCP/IP koostuu puolestaan sovellus-, kuljetus-, verkko-, linkki- ja fyysisestä kerroksesta. TCP/IP, johon internetkin perustuu, on noussut OSIa suositummaksi arkkitehtuuriksi.

Luentopäivä 2:

Luennon tärkeimpiä asioita olivat kiteytettynä kaistan leveys, datan siirtonopeus ja etäisyys, joka vaikuttaa siirron onnistumiseen. Luennoilla käsiteltiin pääasiassa protokollaa ja siirtoteitä. Kertauksena: protokolla on se kieli, jolla eri järjestelmissä sijaitsevat oliot kommunikoivat keskenään. Protokollan kaikissa kerroksissa ei käsitellä samoja datalohkoja, jolloin data on segmentoitava. Protokollan osia ovat syntaksi eli sanasto, tiedon muotoilu ja signaalitasot, semantiikasta eli toimintalogiikasta kuten virheenkorjauksesta sekä ajoituksesta eli esimerkiksi siirtonopeudesta ja pakettien oikeasta järjestyksestä.Esimerkkejä protokollan perustoiminnoista ovat segmentointi ja kokoaminen, paketointi, yhteyden hallinta, vuon valvonta ja toimitus oikeassa järjestyksessä. Kaikilla kerroksilla ei käsitellä samankokoisia datalohkoja, joten pienempiä lohkoja käsittelevä kerros joutuu pilkkomaan datan pienempiin osiin.

Luennon teemoista erityisesti standardointi oli aihe, joka mietityttää usein. Perinteinen esimerkki on mobiililaitteiden laturit – miksi ne eivät voi olla samanlaisia? Standardeja tarvitaan huolehtimaan sekä fyysisestä, sähköisestä että toiminnallisesta yhteensopivuudesta eri järjestelmien välillä. Toisaalta tärkeää muistaa myös se, että standardit voivat hidastaa teknologian kehitystä.

Siirtotiet voivat olla johtimellisia eli fyysisiä reittejä tai johtimettomia eli langattomia. Langattomissa siirtoteissä data siirtyy ilmassa tai muussa väliaineessa. Luennolla käytiin läpi johtimettomia ja johtimellisia siirtoteitä. Siirtotien ja signaalin ominaisuudet vaikuttavat tiedonsiirron laatuun ja ominaisuuksiin. Johtimellisessa siirrossa siirtotiellä on suurempi vaikutus. Johtimellisessa siirtotiessä tiedonsiirtonopeus tai laitteiden välinen etäisyys riippuu käytettävissä olevasta kaistanleveydestä. Esimerkkejä johtimellisista siirtoteistä: parikaapeli (puhelinverkoissa ja dataverkoissa), koaksiaalikaapeli (tv-jakeluverkoissa, puhelinverkkojen runkoverkoissa ja lähiverkoissa), optinen kuitu (runkoverkot, kaupunkiverkot, lähiverkot ja tilaajajohdot) ja sähköjohto (tilaajaliityntä). Sähköjohdon etuna on olemassa oleva verkkorakenne, mutta toisaalta sähköverkossa on paljon kohinaa ja heijastuksia, jotka häiritsevät datasignaalia. Koaksiaalikaapeleissa voidaan käyttää parikaapelia korkeampia taajuuksia joten tiedonsiirtonopeudet ovat suurempia.

Johtimettomat siirtotiet jaotellaan suunnattuun ja suuntaamattomaan siirtotiehen. Johtimettomalla siirtotiellä tärkeimmät etenemismekanismit ovat näköyhteysreittiä pitkin, ilmakehän heterogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla, ionosfäärin kautta tai maan pinta-aaltoina. Johtimettomat siirtotiet jaetaan mikroaaltolinkkeihin, satelliittilinkkeihin, radiotiehen ja infrapunalinkkeihin. Mikroaaltolinkeissä käytetään tarkasti suunnattuja lautasantenneja, joiden on oltava riittävän korkealla, jotta näköyhteysvaatimus saavutettaisiin. Radiotie on eniten käytetty johtimeton siirtotie tänä päivänä tietoliikenteessä. Sitä käytetään muun muassa matkapuhelinjärjestelmissä, bluetoothissa ja muissa lyhyen kantaman radiotekniikoissa, radio- ja tv-lähetyksissä ja esimerkiksi langattomissa lähiverkoissa.

Luentopäivä 3:

Tällä luentokerralla tarkasteltiin perusteellisemmin sitä, miten tieto siirtyy siirtotiellä ja miten data muokataan sopiviksi signaaleiksi. Suora linkki laitteelta toiselle on saatava jollain taapaa kehysmuotoon (aloitus, lopetus, kehysasiat), jotta lähettäjä tietää, milloin ja mitä tapahtuu, ja virheet voidaan korjata.

Digiataalisella signaalilla tarkoitetaan epäjatkuvia jännitepulsseja. Jokainen syke on signaalin elementti. Tässä yhteydessä puhutaan dataelementistä bitti. Datan nopeus voi siten olla bittiä sekunnissa (bps) eli puhutaan siitä nopeudesta jolla dataelementtejä välitetään. Tärkeää on tietää bittien ajoitus eli milloin ne alkavat ja loppuvat sekä signaalitasot. Signaalien tulkintaan vaikuttaa muun muassa datan määrä ja laajakaista.

Kävimme läpi seuraavia koodauskaavioita: NRZ-L, NRZI, bipolar-AMI, pseudoternary, Manchester ja differential Manchester. NRZ-koodin etuja ovat suunnittelun helppous ja laajakaistan tehokas käyttö. Tätä koodausta käytetään harvoin signaalien kuljetukseen.

Luennon viimeinen aihekokonaisuus oli multipleksointi eli kanavointi. Kanavoinnista puhutaan, kun siirtokapasiteettia voidaan jakaa useamman siirrettävän signaalin kesken. Kanavointi voidaan jakaa taajuusjakokanavointiin (FDMA), aikajakokanavointiin (TDMA), koodijakokanavointiin (CDMA) ja aallonpituusjakokanavointiin (WDMA). Taajuusjakokanavoinnissa kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle. Data voi olla digitaalista tai analogista ja tätä kanavointitapaa käytetään esimerkiksi TV-kanavien välittämiseen ja puhekaistan siirtoon.

  • FDMA – Frequency Division Multiple Access – on yksinkertainen radiotien kanavanvaraustekniikka. Käyttäjälle annetaan aina yksi alue yhteyden ajaksi. Käytössä muun muassa radioliikenteessä, esim. Radiokanavat.(ADSL – Assymmetric digital subscriber line. Tarjoaa ratkaisun tilaajan ja etäverkon välille. Käyttäää puhelinkäyttöön tarkoitettua parikaapelia. Internet pääasiallinen palvelu.)
  • TDMA – aikajakokanavointi: voidaan käyttää digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille. Siirtotien kapasiteetin ylitettävä siirrettävien signaalien kapasiteettivaatimukset. Datan on oltava digitaalista, mutta signaali voi olla digitaalinen tai analoginen. Siirrettävä data muodostaa kehyksiä, jotka muodostuvat aikaviipaleista. Lähteet voivat varata itselleen useampia aikaviipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointia. Synkronisessa TDMAssa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi, mikä voi hukata kapasiteettia, jos dataa ei olekaan tarjolla. Suurimman osan ajasta jotkut yhteydet ovat tyhjillään. On mm. GSM-verkoissa käytetty radiotien kanavanvaraustekniikka. Tätä käyttämällä voidaan siirtää ääntä ja dataa. Aikajakokanavointia voidaan käyttää digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille. Tämä kanavointitapa perustuu eri signaalien viipalointiin eli aikajakoon.
  • CDMA – Code division multiple access – käytetään johtimettomilla siirtoteillä (radiotie). Käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet. Tärkeä koodausmetodi langattomalle tiedonvälitykselle. Tukee analogista ja digitaalista dataa analogisella signaalilla. Mobiilipuhelimet käyttävät tätä kanavointitapaa. Monet käyttäjät voivat jakaa saman laajakaistan ilman suurempia häiriöitä. Teoreettisesti tehokas ja taajuuksien käytöltään joustava.
  • WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access – laajakaistainen koodijakokanavointi, sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille. Käytetään eri taajuisia valonsäteitä, jotka muodostavat kukin oman kanavansa. Käytössä yksimuotokuidussa.

Luentopäivä 4:

Luennon ydin: verkkojen rakenne – miten linkitetään useita laitteita toisiinsa. Verkko koostuu toisiinsa kytketyistä solmupisteistä (node). Ne tarjoavat tietokoneille (asema) tietoliikenneverkon palvelun. Dataa siirretään asemilta solmusta solmuun (kytkentä). Mitä enemmän solmujen välillä on polkuja, sitä luotettavampi verkko. Datatverkon ruuhkaa syntyy, jos siirrettävien pakettien määrä ylittää verkon paketinkäsittelykyvyn. Kriittisenä voidaan pitää 80 prosentin käyttöastetta.

Piiri- ja pakettikytkentä – taustalla sovellusten erilaiset vaatimukset ja tietoliikenteen jako tele- ja dataliikenteeseen. Teleliikenteen tarve on reaaliaikainen kommunikointiväylä eli käytetään piirikytkentää. Piirikytkentäisessä verkossa kanavan kapasiteetti on varattuna yhteydelle koko yhteyden ajan (esim. puhelinverkko). Ainoa siirron aikana syntyvä viive on linkkien välinen etenemisviive. Datalle tärkeämpää on tehokas kommunikointiväylä eli käytetään pakettikytkentää. Data pilkotaan pieniin paketteihin, jotka sisältävät käyttäjän dataa ja kontrolli-informaatiota. Reitin solmuissa paketit varastoidaan lyhyeksi aikaa ennen lähetystä seuraavalle solmulle. Paketeille voidaan määrätä eri prioriteetteja. Pakettikytkennässä kaksi kytkentätapaa: tietosähke ja virtuaalipiiri. Kytkentätekniikoiden suorituskykyyn vaikuttavat etenemisviive, siirtoviive ja solmuviive. Pakettikytkennässä solmuviive voi nousta merkittäväksi, koska paketit asetetaan solmuissa jonoon.

Reititys – tarvitaan datan ohjaamiseksi oikealle vastaanottajalle. Tärkeitä tekijöitä oikeellisuus, kestävyys ja kyky toimia myös vaikeissa olosuhteissa, hyvin toimiva reititysalgoritmi sekä tasapuolisuus ja optimaalisuus. Suorituskriteeri: käytetään reitin valintaan. Lyhin reitti vs. edullisin reitti. Reitityspäätökseen vaikuttavat tieto verkosta, liikennemäärästä ja linkin hinnasta. Reititysstrategia: kiinteät taulut (käytetään kiinteää reittiä lähteen ja kohteen välillä → joustamaton). Tulva (solmu lähettää paketin jokaiselle naapurille → vankkarakenteinen, mutta suuri tietolasti). Satunnainen reititysstrategia (solmu valitsee yhden ulospääsyn sisään tulevalle paketille → ei yleensä halvin eikä suorin reititystapa). Mukautuva reititys (reitityspäätökset muuttuvat, kun verkon tila muuttuu → vaatii tietoa verkosta, päätöksenteko monimutkaista).

Hieman epäselviksi jäivät reititysstrategia ARPANET, minimikustannusalgoritmit, Dijkstran algoritmi ja Bellman-Ford-algoritmi.

Kotitehtävä 1

sonjan_tekniikka.pdf

Ennakkotehtävä 2

En tiedä, olenko ihan hakoteillä tämän tehtävän kanssa, mutta koitetaan: iPhone 4 käyttää taajuutta GSM-taajuudet: 850/900/1800/1900MHz. 3G-taajuudet: 850/1900/2100MHz Yhteydet: GPRS, EDGE, 3G, HSDPA (14.4 Mbps) 3G-puhelimen datansiirtonopeus on noin 6 megaa. Gopro, kaiuttimet ja iPad toimivat bluetoothilla, jonka datansiirtonopeus on noin 3 mbps. WLANin nopeus on noin 40 mbps.

Kotitehtävä 2

iPhone – iPad

Bluetooth-yhteys eli johtimeton siirtotie, radiotie. Esimerkkejä ylemmän tason protokollista: vCard/vCalendar, WAE, OBEX, WAP, AT-Commands, UDP/TCP, IP, PPP (http://fi.wikipedia.org/wiki/Bluetooth#Protokollat)

GoPro – iPhone/iPad

Wifi-yhteys. Protokolla: Lighweight Access Point Protocol eli LWAPP (http://en.wikipedia.org/wiki/Lightweight_Access_Point_Protocol)

TV ja MAC

HDMI-kaapeli. Useammasta protokollasta koostuva Display Data Channel eli DDC. (http://en.wikipedia.org/wiki/Display_Data_Channel)

Ennakkotehtävä 3

Otan esimerkiksi nettiyhteyden eli kotiin tuleva laajakaistayhteys. Kanavointitapa on CDMA eli koodijakokanavointi, joka on yksi radiotien kanavanvaraustekniikoista. Koodaustavasta en osaa sanoa.

Kotitehtävä 3

Monet opiskelijat näyttävät ymmärtäneet kurssilla läpi käydyt asiat hyvin. Luentopäiväkirjoissa ja niiden selkeydessä oli jonkin verran eroja. Esimerkiksi Kira Helsströmin ja Aino Hirvosen oppimispäiväkirjoissa oli mielestäni jäsennelty hyvin kurssilla esiin nousseet termit, minkä lisäksi sivujen sisältö oli muutenkin selkeästi ja hyvin toteutettu. Myös esimerkiksi Lauri Isoaholla on kattava ja selkeärunkoinen, vaikkakin hyvin pitkä, oppimispäiväkirja. Opiskelijoiden oppimispäiväkirjoja selaillessa oli hauska huomata, että jokainen katsoo kurssilla esitettyjä asioita hieman omasta näkökulmastaan, eli päiväkirjojen painopiste vaihtelee hiukan sen mukaan, mitä luentojen osa-aluetta kukin on pitänyt tärkeänä. Luentopäiväkirjoista ja tehdyistä kurssitehtävistä saa myös vihiä siitä, kuka on ollut aiemmin tekemisissä näiden asioiden kanssa ja kenelle taas asiat ovat täysin uusia. Joidenkin opiskelijoiden luentopäiväkirjat ovat melko suppeita ja joukossa on paljon keskeneräisiä tehtäviä, mutta yleisesti ottaen kurssilaisten Wiki-sivut on mielestäni tehty hyvin.

Ennakkotehtävä 4

Artikkelista tulivat mieleen seuraavat luennoilla läpi käydyt asiat: standardointi, siirtotiet, kanavointi ja kaistanleveys. Siirtotien ja signaalin ominaisuudet vaikuttavat tiedonsiirron laatuun ja ominaisuuksiin. Johtimettomassa siirtotiessä signaalin kaistanleveys ja antennin ominaisuudet ovat siirtotien tärkeimpiä ominaisuuksia, jotka vaikuttavat tiedonsiirron sujuvuuteen. Artikkelissa mainitut verkot tulevat tarpeeseen, kun full hd -videoiden katselu yleistyy. Niin kuin artikkelissa mainittiin, tekniikka on jo olemassa, mutta tieto ei vielä siirry verkossa riittävän nopeasti. Tuotteita tihkuu markkinoille ennen kuin standardit on lopullisesti hyväksytty. Luennoilla todettiinkin aiemmin, että standardoinnit tuppaavat jäädyttämään tekniikkaa, sillä standardointi vie aikaa. Laajentuva Internet- ja intranet-liikenne vaatii jatkuvasti nopeampia yhteyksiä. Myös verkkoon liitettävien laitteiden määrä kasvaa. Nämä asettavat paineita verkkoliittymille ja kaistan vaatimuksille. Erityisesti korkealaatuiset videot ja muut suuret datatiedosto vaativat leveää kaistaa.

LTE on edistynyt 3G-tekniikka, jota kutsutaan joissakin yhteyksissä myös 4G-tekniikaksi. Tekniikan tarkoitus on kasvattaa datansiirtonopeuksia, lyhentää viiveitä, parantaa palveluita ja vähentää kuluja. Tämä tekniikka tähtää siis juuri siihen, mihin muutkin tunneilla esitetyt tekniikat ja ylipäätään kaikki tekniikka tähtää eli datansiirtonopeuksien parantamiseen. Tekniikan vahvuus on siinä, että se on nopeampi kuin nykyinen 3G-tekniikka ja tiedonsiirrossa on lyhyemmät viiveet. Lisäksi se vähentää operaattorin kustannuksia. Kaikin puolin se tuo siis lisää hyötyjä eri tahoille tehokkuuden suhteen. Minua kiinnostaa erityisesti se, että mitä keksitään 5G:n jälkeen!

Kotitehtävä 4

Väittäisin, että kotini laitteiden tehokkuus riippuu sekä kanavoinnista että verkkotekniikasta. Laitteita kytketään jonkin verran toisiinsa verkoksi, mutta usein se on satunnaista. Näin voi olla esimerkiksi silloin, kun katsotaan elokuvia. Yleensä käytän yhtä päätelaitetta (Macbook Pro tai iPad), joka on yhteydessä langattomaan verkkoon. Laitteiden välillä toimivat myös erilaiset johtimettomat yhteydet, joiden kanavoinnin perustana on radiotie (WLAN, GSM, bluetooth…). Langattoman verkon nopeus on ehkä noin 40 megaa. Jos esimerkkini olisi ollut työpaikaltani, olisi verkkotekniikalla paljon suurempi merkitys tehokkuuden ja yhtäaikaisen käytön kannalta (reitittimet, tukiasemat, verkkokaapelit…).

Viikoittainen ajankäyttö

Luentoviikko 1 Lähiopetus: 6 h Wiki-sivun luonti: 1 h Kotitehtävät: 3 h

Luentoviikko 2 Lähiopetus: 6 h Kotitehtävät: 3 h

Luentoviikko 3 Lähiopetus: 6 h Kotitehtävät: 3 h

Luentoviikko 4 Lähiopetus: 6 h Kotitehtävät: 4 h

Pääsivulle