CT30A2001 - Tietoliikennetekniikan perusteet - Juha-Matti Smolander

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

  • Kuinka informaatiota siirretään paikasta A paikkaan B
  • Mitä tarvitaan kun siirretään infromaatiota paikasta A paikkaan B
    - Ohjelmat, rauta, menetelmät jne…
  • Miten informaatio liikkuu paikasta A paikkaan B
  • Miten tietoa käsitellään kun sitä siirretään
  • Langaton tiedonsiirto, signaali (analoginen, digitaalinen), pakkaus, protokolla, reititin, palvein, kirjekyyhky, tiedonsiirtonopeus, salaus

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe: Johdatus kurssin asioihin. Hallinnolliset asiat.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    Tietoliikenne yleisesti. Verkot: PAN - LAN - MAN - WAN Internet, Henkilökohtaisesta (personal) verkosta laajaan (wide area) verkkoon ja internettiin.
    Verkkojen rakennetta; päätelaite, reititin, palvelin
    Teoreettinen kolmikerrosmalli; Sovellusmoduuli (informaation tuottaminen) - kommunikointimoduuli (informaation pakkaaminen siirrettävään muotoon) - verkkomoduuli (informaation siirtäminen)
    TCP/IP -malli: 5 kerrosta
    sovelluskerros - kuljetuskerros - Internet - linkki (verkko) - fyysinen kerros
    OSI -malli: 7 kerrosta
    sovelluskerros - esitystapa - sessio(istunto) - kuljetus - verkko - linkki - fyysinen
    Käsitteitä: Protokolla; Sovittu tapa toimia. Protokolla toteuttaa kerroksen tehtävät. Päästä-päähän -protokollat, puretaan vain lähteessä ja kohteessa. Sisäiset protokollat, puretaan välissä (esimerkiksi selvitetään IP-osoite)
    kerrosarkkitehtuuri; Lähteen ja kohteen tehtävät jaetaan osakokonaisuuksiin.
    Ohjausinformaatio; Ohjausinformaatio toteuttaa protokollan.
    “The fundamental problem of communication is that of reproducing at one point either exactly of approximately a message selected at another point” - The Mathematical Theory of Communication, Claude Shannon
  • Jäi epäselväksi:

Luentopäivä 2:

  • Päivän aihe: Siirtotiet ja signaalin käsittely.
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    Protokollien tehtävät: segmentointi, paketointi, yhteyden hallinta, vuon valvonta, virheen valvonta ja virheen korjaus.
    Protokolla koostuu: syntaksista, semantiikasta, ajoituksesta.
    Eri siirtoteiden esittely (langalliset ja langattomat)
    Langattomat siirtotiet:
    Signaalin eteneminen: näköyhteysreittiä pitkin, ilmakehän heterogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla, eteneminen ionosfäärin kautta, eteneminen maapinta-aaltona.
    Antennit: ympäri säteilevät, suunnatut
    Linkit: radiolinkki, infrapunalinkki, satelliittilinkki.
    Signaalin etenemisen häiriöt ilmatiellä: vaimeneminen, sironta, heijastuminen, taipuminen, monitie-eteneminen, interferenssi
    Langalliset siirtotiet: Parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu, sähköjohto
    Signaalit: Analoginen, Digitaalinen
    Häiriöt: noice, crosstalk,
  • Jäi epäselväksi:
    Signaaliesitys taajuustasossa, kaistanleveyden ja tajuuksien yhteys siirtonopeuteen.

Luentopäivä 3:

  • Päivän aihe: Linkit
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    Linkin tominta ja protokollat
    -Encoding:
    signaali g(t) - Encoderi → koodattu signaali x(t) → Decoderi - signaali g(t)
    -Koodaustapoja:
    NRZ-L (Nonreturn to Zero -level)
    NRZI, Nonreturn to zero inverted)
    Bipolar-AMI
    Pseudoternary
    Manchester
    Differential Manchester
    -Scrambling:
    ei lähtetä pitkää aikaa tasaista jännitettä (paljon ykkösiä tai nollia peräkkäin)
    -Modulaatio (digitaalinen data, analoginen signaali):
    ASK (apmlitude shift keying)
    BFSK (Binary frequency shift keying)
    Multiple frequency shift keying
    PSK (Phase shift keying)
    DPSK (dual), QPSK (quadrature)
    QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ASK + PSK
    QPSK, QAM-16, QAM-64
    -Analogisen datan digitalisointi:
    PCM (Pulssikoodi modulaatio), Deltamodulaatio
    -Analoginen data - Analoginen signaali:
    Amplitudi modulaatio (AM), taajuusmodulaatio (FM), vaihemodulaatio (PM)
    -Synkronoimaton ja synkronoitu lähetys:
    synkronoimaton (näppäimistö) tiedetään millon lähetys alkaa ja loppuu.
    Synkronoitu tiedetään millaisin väliajoin bittejä tulee.
    -Virheet, virheen havainnointi ja virheenkorjaus:
    Bittivirhe ja purskevirhe
    -Tarkastussanat/koodit, pariteettitarkastus
    -Virheen korjaus:
    ARQ (Automatic Repeat Request)
    Stop and Wait
    Go Back-N
    -Vuonvalvonta:
    Liukuva ikkuna
    Stop and Wait
    -Kanavointi: 1 kanava N syötettä
    Taajuuskanavointi (FDMA), Aikajakokanavointi (TDMA), Koodijakokanavointi (CDMA), Aallonpituusjakokanavointi (WDMA)
  • Jäi epäselväksi:

Luentopäivä 4:

  • Päivän aihe: Verkot ja sovellukset
  • Päivän tärkeimmät asiat:
    -Piirikytkentä ja Pakettikytkentä:
    Piirikytkentä: muodostetaan “polku” verkon läpi, varataan kanava, datan siirto vakionopeudella, puhelinverkossa
    Pakettikytkentä: dataverkossa, data pilkotaan paketteihin, datagrammi (tietosähke) tai virtuaalipiiri
    -Reititys:
    Kuinka data löytää perille kytketyssä verkossa
    -Verkon ruuhkautuminen:
    Viiveitä: etenemisviive, lähetysviive, käsittelyviive (?)
    Verkossa liikaa dataa → ruuhkaa → läpäisy romahtaa
    80%
    Matkapuhelinverkoista, lähiverkoista:
    Verkkotopologioita, matkapuhelinverkkojen ominaisuudet pääpiirteissään.
  • Jäi epäselväksi:

Mitä opin kurssin aikana

Jonkinlainen kokonaiskuva tiedonsiirrosta ja tietoliikennetekniikasta. Käsitys tietoliikennetekniikan perustermistöstä.
Kurssi tuntuu kokonaisuutena melko laajalta ja pääpiirteiseltä. Antaa yleiskuvan tietoliikennetekniikasta, mutta ei spesifisti pureudu mihinkään osa-alueeseen.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Tehtäväkuvaus:
Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista.
PC - langallinen lähiverkko
Palvelut: sosiaalinen media, sähköposti, pikaviestimet
Matkapuhelin - 3G/HSPA/GPRS matkapuhelinverkko
Pavelut: datan siirto, pikaviestimet, sosiaalinen media, paikannuspalvelut (GPS)

Kirjaa näkyville kolme mielestäsi tärkeintä kysymystä, jotka haluat selvittää.
Mitä tarkoittaa 3G, EDGE, HSPA, WCDMA… jne kirjainyhdistelmät?
Matkapuhelin teoreettinen maksimi tiedonsiirtonopeus, 3G, HSPA, GPRS -moodissa?

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus:
Ensimmäisten luentojen kotitehtävissä selvititte laitteita ja palveluita. Tässä kotitehtävässä selvitetään laitteiden ja palveluiden käyttämiä protokollia sekä siirtoteitä. Pohtikaa ensin millaisia siirtoteitä valitsemanne järjestelmät käyttävät ja millaisia protokollia niissä on käytössä.
Reitintin - tietokone: RJ-45, parikaapeli, cat-5e
Reititin - läppäri: WLAN, 802.11g, 2,4GHz (mikroaalto), kanavia tarjolla 1-13
Matkapuhelin - läppäri: USB tai Bluetooth

Protokollien osalta etsikää myös missä protokolla on määritetty ja mahdollisesti linkki kyseiseen määritykseen.

Verkkoselailussa sovellustason porokolla HTML (Hypertext Transfer Protocol) http://tools.ietf.org/html/rfc2616
Sähköpostissa POP3 (Post Office Protocol version 3) http://tools.ietf.org/html/rfc1939, IMAP ( Internet Message Access Protocol) http://tools.ietf.org/html/rfc3501 ja SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) http://tools.ietf.org/html/rfc821
Tiedostonsiirrossa FTP (File Transfer Protocol) http://tools.ietf.org/html/rfc959
Salatun tietoliikenteen protokolla SSH (Secure Shell) (atk-kerhon serverille yhdistäminen) http://tools.ietf.org/html/rfc4252

Kotitehtävä 3

Kovalainen Antti: Luennot tiivistetty hyvin ja siististi. Koti- ja ennakkotehtävät tehty, asiat esitetty ytimmekkäästi ja siististi.
Mikkola Mette: Luentopäiväkirja -osiossa tekstiä melko paljon. Kotitehtävät tehty napakasti.
Puoskari Marko: Luennot tiivistetty tehokkaasti. Kotitehtävät tehty lyhyesti ja ytimmekkäästi.
Vesikko Jarmo: Luennot tiivistetty, viimeinen varsin tiiviisti.
Kahkonen Sonja: Luentopäiväkirjassa kohtalaisesti pituutta. Pääasiat esillä. Kotitehtävät tehty.
Oma: Luentopäiväkirjat enemmän luentomuistiinpano/tenttitärppilista -tyyppinen. Ehkä hieman sekava, lähinnä ehkä hyödyllinen omaan opiskeluun. Varsinkin ennakkotehtävien tekeminen oli välillä hankalaa, kun ei ollut yhtään varma mistä on kyse. Näköjään arvaukset kuitenkin sattuivat aika lähelle. Yleisesti muiden sivut ulkoasultaan siistimpiä kuin oma. Jäsentely yllättävän hankalaa, wikin ominaisuuksien sisäistäminen hakusessa.

Kotitehtävä 4

Bluetooth kuulokkeet:
Teknologia: Bluetoot 2.1 + EDR
Profiilit: A2DP: Advanced Audio Distribution Profile. Määrittelee miten ääntä streamataan laitteeseen. , AVRCP: A/V Remove Control Profile. Määrittelee mitä kauko-ohjain ominaisuuksia laitteella on. Play/pause/stop jne.
Bluetooth -laitteet toimivat 2.4GHz taajuusalueella, kanavia käytössä 79.
Point-to-point yhteys isännän ja bluetooth laitteet välillä. Orja paritetaan isännän kanssa.
Bluetooth v2.0 + EDR:ssä tiedonsiirtonopeus nousi 3.0 Mbit/s. EDR (Enhanced Data Rate) käyttää GFSK:ta ja PSK:ta. Nopeutta on parannettu avainnusta (modulaatiota) käyttämällä.
Bluetoot käyttää FHSS:ää ja AFH:ta. AFH:lla valitaan vain parhaat taajuudet ja pyritään välttämään niitä joissa on häiriötä.

Ennakkotehtävät

Ennakkotehtävät luento 2

Etsi ensimmäiseen kotitehtävään valitsemistasi tietoliikenneratkaisuista niiden tarvitsema/tarjoama datanopeus ja mahdollinen taajuuskaista. Esim. GPS käyttä taajuutta X, matkapuhelin 3G moodissa käyttää taajuutta Y ja tarjoaa nopeuden Y
GPS - taajuus L1 (1575,4200 MHz) siviilikäytössä.
Matkapuhelin 3G: 900 MHz ja 2100 MHz, 144 kbps - 2 Mbps
Matkapuhelin HSDPA: Teoreettinen maksimi 14,4 Mbit/s
Matkapuhelin GSM: 900 MHz ja 1800 MHz, Pohjois-Amerikassa 1900 MHz ja 850 MHz, myös muita taajuusalueita käytössä.

Ennakkotehtävät luento 3

Etsi toisessa kotitehtävässäsi valitsemissasi siirtotieratkaisuiissa käytetty koodaus- ja kanavointitapa
Ethernet verkossa yleisesti käytetty koodaustapa Manchester -koodaus. (Yritä selvittää tämä) 1-bitti esitetään lasekavana tilanmuutoksena (Jännite maksimiarvosta minimiarvoon), 0-bitti esitetään nousevana tilanmuutoksena (Jännite minimiarvosta maksimiin)
Lähiverkko (langallinen)
Kanavanvaraus: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) Lähetetään dataa ja jos havaitaan törmäys lähetetään sama data sattumanvaraisen ajan päästä uudestaan ja törmäyksen todennäköisyys pienenee.
Lähiverkko (langaton)
Kanavanvaraus: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) Perustuu törmäyksien estämiseen, varataan siirtotie signaalilla ennen varsinaisen datan lähettämistä.
Bluetooth ??
USB
Linjakoodaus: NRZI (Non-Return-to-Zero Inverted)

Ennakkotehtävät luento 4

Lukekaa wikissä pääsivulla kohdassa “linkkejä ja muuta materiaalia aihepiiriin” löytyvä WLAN -artikkeli ja pohtikaa kuinka tunneilla opetetut asiat suhteutuvat siihen.
Uudet nopeat wlanit käyttäisivät monimutkaisempia modulointeja ja hyväkseen signaalin monitie-etenemistä. Samalla kanavalla voitaisiin lähettää rinnakkaisia tietovirtoja. Käyttöön uudet taajuusalueet ja leveämmät kaistat, mikä toisi lisää nopeutta.
Ongelmia: lyhyet kantamat, huono esteiden läpäisy. Monimutkaisemmat koodaukset ja moduloinnit vaativat lattteilta laskentatehoa.
Etsikää verkosta sivu tai pari, jotka esittelevät LTE-tekniikkaa (mobiiliverkko) ja pohtikaa mitä uutta kyseinen tekniikka tuo siihen mitä tunneilla on opetettu. Millaisia kysymyksiä aihepiiri herättää?
“Long Term Evolution”. MIMO-tekniikka, lähetykseen ja vastaanottoon käytetään yhtäaikaa useampaa antennia. Verkon arkkitehtuuria yksinkertaistettu, lyhentää viiveitä. Nopeampi datasiirtoi kuin 3G:ssä. Suurempien solujen käyttö mahdollista.
Kuinka monelle käyttäjälle verkossa riittää kerrallaan kapasiteettia siten että nopeus ei merkittävästi putoa?

Viikoittainen ajankäyttö

Luentoviikko 1

  • Lähiopetus:
    • Luennot: 6 h
  • Itsenäinen työskentely
    • Wikin muokkaus ja kotitehtävät: ~5 h

Luentoviikko 2

  • Lähiopetus:
    • Luennot: 6h
  • Itsenäinen työskentely
    • Wikin muokkaus ja kotitehtävät: ~5 h

Luentoviikko 3

  • Lähiopetus:
    • Luennot: 5 h
  • Itsenäinen työskentely
    • ?? h

Luentoviikko 4

  • Lähiopetus:
    • Luennot: 6 h
  • Itsenäinen työskentely
    • ?? h

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