Oppimispäiväkirja, Mikko Nykyri

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikennetekniikka tuo itselleni mieleen kaiken mahdollisen tiedon sähköisen siirtämisen aina lennätinlaitteista radioon, televisioon ja internetiin. Ennakkotiedot eri siirtomenetelmistä ovat aika pienet. Vahvin käsitys itselläni on internetistä, missä tieto liikkuu bitteinä palvelimelta toiselle.

Avainsanoja/mietteitä:

  • Analoginen ja digitaalinen signaali (esimerkiksi TV-lähetykset)
  • Eri kommunikaatioprotokollat: P2P, TCP/IP…
  • Langattomuus: Bluetooth, WLAN, NFC
  • Tietoliikenne tulevaisuudessa: Kuoleeko TV ja radio?

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

  • Päivän aihe: Johdatus kurssiin
  • Päivän tärkeimmät asiat: Johdattelu tietoliikennetekniikkaan, aiheen trendeihin, termistöön ja protokolliin
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Termistöä aiheesta. Esimerkiksi termi nomadi - kuin täysin mobiilin laitteen (esim. matkapuhelin) ja kiinteän laitteen (pöytäkone) välimuoto, kuten kannettava tietokone tai WLAN-tabletti. Nomadilaite voidaan ottaa mukaan kouluun/töihin mutta on riippuvainen paikan verkoista.
    • Trendit vuosikymmenten kuluessa (mainframe era: monella sama tietokone, PC era: jokaisella oma tietokone, internet era: internet läsnä kaikkialla)
    • Stallingsin malli
  • Jäi epäselväksi: -

Luentopäivä 2:

  • Päivän aihe: Kommunikointimalli, kerrosarkkitehtuuri ja protokollat
  • Päivän tärkeimmät asiat:
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Kommunikointimalli: Lähde-Lähetin-Siirtojärjestelmä-Vastaanotin-Kohde
    • Protokolla: Tapa/säännöt jolla eri kerrokset kommunikoivat keskenään
    • OSI, jonka syrjäytti TCP/IP internetin aikakauden alkaessa. Kerrosten määrä putosi seitsemästä viiteen.
  • Jäi epäselväksi: -

Luentopäivä 3:

  • Päivän aihe: Tiedon siirto
  • Päivän tärkeimmät asiat: Standardointi, siirtotiet (johtimellinen ja johtimeton)
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Eri siirtotietyypit:
      • Parikaapeli (twisted pair), halvin ja eniten käytetty johtimellinen siirtotie. Koostuu kahdesta toistensa ympärille kiedotusta kuparikaapelista.
      • Koaksaalikaapeli, kaksi johdinta sisäkkäin. Yleisesti käytössä TV-jakeluverkoissa
      • Optinen kuitu, signaali kuljetetaan valon avulla kokonaisheijastusta hyväksi käyttäen. Erittäin nopea, käytössä etenkin runkoverkoissa, sillä kapasiteetin tarve on suuri
      • Sähköverkko, data siirretään samassa verkossa kuin sähkö. Etuna valmis verkko, mutta verkossa on paljon häiriöitä
      • Mikroaaltolinkit, suunnattu kommunikointi lautasantenneilla. Käytetään runkoverkoissa ja point-to-point kommunikoinnissa
      • Satelliittilinkit, toimintaperiaate sama kuin mikroaaltolinkeissä, mutta kommunikaatio tapatuu satelliittien kautta. Taajuusalue 1-10 GHz
      • Radiotie, suuntaamatonta kommunikointia. Taajuusalue 3 kHz - 300 GHz, tehokkaimmillaan perustaajuusalueella 30 MHz - 1 GHz. Eniten käytetty johtimeton siirtotie (matkapuheliverkot, radio/TV, lähiverkot, bluetooth…)
      • Infrapuna, lyhen kantaman point-to-point kommunikointia valon infrapuna-alueella. Käytetään esimerkiksi kaukosäätimissä
    • Johtimettoman siirtotien etenemismekanismit: näköyhteysreitti, ilmakehän sironnan kautta, ionosfäärin kautta ja maanpinta-aaltona
    • Perustaajuusalueet: 30 MHz - 1 GHz radioaallot, 1 - 40 GHz mikroaallot ja 300 GHz - 200 THz infrapuna
    • Radioaaltojen etenemiseen vaikuttavat tekijät: vaimeneminen, sironta, häipyminen, monitie-eteneminen, heijastuminen, taipuminen, taittuminen, doppler-ilmiö
  • Jäi epäselväksi: -

Luentopäivä 4:

  • Päivän aihe: Linkit, enkoodaus, kanavointi
  • Päivän tärkeimmät asiat: Linkkien toiminta, enkoodaus. Signaalien muodostuminen, digitaalisen ja analogisen signaalin vertailu, kanavointi
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Simplex (signaali vain yhteen suuntaan), half-duplex (signaali mahdollista molempiin suuntiin, mutta vain yhteen suuntaan kerrallaan) ja duplex (yhteydet auki molempiin suuntiin) -menetelmät
    • Singaalit koostuvat monista taajuuksista
    • Kanttiaaltojen muodostuminen siniaalloista
    • Digitaalisignaali: halvempi, ei herkkä kohinalle
    • Enkoodaustyylit: Manchester, NRZI, NRZ-L…
    • Modulaatio, digitaalidata analogisignaaliin: ASK (amplitude shift keying, amplitudi määrää bitin arvon), FSK (frequency shift keying, taajuus määrää bitin arvon), PSK (phase shift keying, vaihe määrää bitin arvon)
    • Modulaatio, analogidata digitaalisignaaliin (digitointi): PCM ja DM -menetelmät
    • Modulaatio, analogidata analogisignaaliin: saadaan taajuus korkeammaksi jolloin sen siirto onnistuu paremmin. Taajuus-, amplitudi- ja vaihemodulaatiomenetelmät.
    • Kanavointi (=multipleksointi), eli usean signaalin siirto samalla siirtotiellä
  • Jäi epäselväksi: -

Luentopäivä 5:

  • Päivän aihe: Verkot
  • Päivän tärkeimmät asiat: tele- ja dataliikenteen erot, piiri- ja pakettikytkentä, reititys
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Kytkentäinen verkko koostuu solmuista. Data lähtee asemalta, kulkee solmujen kautta pääteaseman solmuun josta pääteasemalle
    • Solmujen väliset linkit jaettu multipleksoinnin avulla
    • Teleliikenne = piirikytkentä, reaaliaikainen tiedonsiirto. Katkeamaton yhteys päästä päähän muodostetaan ennen datan siirtämisen alkua ja se on käytössä purkamiseen saakka
    • Dataliikenne = pakettikytkentä, data siirretään tietynkokoisissa paketeissa (kontrollitieto + data) Solmut lähettävät pakettia eteenpäin, eikä kanavia varata koko yhteyden ajaksi, vain paketin siirtoajaksi. Tällöin verkon kapasiteetti kasvaa.
    • Suorituskykyyn vaikuttavat asiat: etenemisviive, siirtoviive, solmuviive
    • Piirikytkennän yhteydemuodostus vie aikaa, mutta sen jälkeen olematon solmuviive
    • Pakettikytkennässä ongelmaksi voi nousta solmuviive
    • Reititysmenetelmät
    • Ruuhkautuminen: pakettien määrä lähestyy maksimikapasiteettiä. Jonojen rajallisen kapasiteetin vuoksi datahäviöt mahdollisia
    • Pullonkaulavertaus
  • Jäi epäselväksi: reitytysstrategiat

Luentopäivä 6:

  • Päivän aihe: Mobiiliverkot, LAN, WLAN
  • Päivän tärkeimmät asiat: mobiiliverkkojen (cellular) toiminta, lähiverkkotyypit,
  • Mitä opin tällä kertaa:
    • Mobiiliverkot perustuvat useaan matalatehoiseen tukiasemaan: käyttäjä on aina ainakin yhden aseman kantamassa
    • Mobiilidatan määrä jatkuvassa kasvussa, kehitettävä yhä nopeampia yhteyksiä (2G→3G→4G LTE→5G….)
    • LAN-tekniikat: 100 Mbps Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Kuitu, Langaton
    • WLAN: Nomadilaitteet, LAN-verkkojen laajentaminen (itse käytössä juurikin tästä syystä, jottei tarvitse metreittäin kaapelia)
    • Tekniikat: 802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g
    • IEEE 802.11 -standardi määrittää WLAN-taajuusalueet (eri taajuus riippuen tekniikasta)
  • Jäi epäselväksi: -

Mitä opin kurssin aikana

Opin kurssin aikana perusteet siitä, kuinka tietoliikenne toimii. Sain hyvän kuvan siitä, miten tietoverkot koostuvat ja kuinka data siirtyy solmusta solmulle ja lopulta päätelaitteelle. Opin paljon uusia termejä, ja sain selvennykset niille mitä olin jo ennen kuullut mutten tiennyt mitä ne tarkoittavat. Kurssin aikana kävi selväksi hyvin erot eri siirtoteiden välillä.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Tehtäväkuvaus: Luo yleiskuva kyseisen kodin tietoliikenteestä ja eri yhteyksistä. Pohdi erityisesti tietojen virtaamista paikasta toiseen.

Ennakkotehtävä, viikko 41

Tehtäväkuvaus: Pohdi oman kotiverkkosi laitteiden välisiä yhteyksiä. Millaisia siirtoteitä laitteiden välillä käytetään? Syntyykö kotona useiden yhteyksien ketjuja?

  • Johtimelliset siirtotiet:
    • CAT5E-Ethernetparikaapeliyhteys LNET verkosta langattomaan reitittimeen
    • HDMI-kaapeliyhteys yhdistää tietokoneen ja pelikonsolin televisioon
    • Koaksaalikaapeli kaapelitelevisioverkosta televisioon
    • RCA-audiokaapeli televisiosta vahvistimeen
    • Parikaapeli vahvistimen lähdöistä kaiuttimille
  • Johtimettomat siirtotiet:
    • Langaton reititin yhdistää WLAN-tekniikalla tabletin, kännykän, pelikonsolin sekä tietokoneen LNET verkkoon (internet)
    • Kännykkä on yhdeydessä soneran 3G-matkapuhelinverkkoon
    • Kaukosäädin on infrapunayhteydessä televisioon
    • Pelikonsolin ohjain on bluetooth-yhteydessä pelikonsoliin

Kämpässä syntyy useiden yhteyden ketjuja useita. Esimerkiksi LNETin kautta saapuva musiikkistream kulkee ensin ethernetin kautta reitittimeen, josta se kulkee WLAN-signaalin avulla ilmateitse tietokoneeseen. Tietokone dekoodaa streamin ja toistaa äänen, joka kulkee HDMI-kaapelia pitkin televisioon josta jatkaa matkaansa vahvistimelle ja edelleen kaiuttimiin.

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus: Etsi omassa kotiverkossa/laitteistossa käytettyjä siirtoteitä ja taajuuksia (ennakkotehtävä), siirtonopeuksia, protokollia sekä koodaus- ja kanavointimenetelmiä.

  • WLAN
    • Taajuus: 2,4 GHz
    • Siirtonopeus: 300 Mbps
    • Protokolla: IEEE 802.11n/g/b
    • Koodaus: BPSK/QPSK/FSK
    • Kanavointi: CSMA/CA
  • CAT5E-kaapeli
    • Taajuus: 100 MHz
    • Siirtonopeus: 1 Gbps
    • Protokolla: TCP/IP
    • Koodaus: 8B6T, 8B/10B
    • Kanavointi: CSMA/CD
  • 3G/GSM
    • Taajuus: 900 MHz / 2100 MHz, 1800 MHz kun GSM-alueella
    • Liittymän siirtonopeus: 1 Mbps
    • Kanavointi: CDMA

Ennakkotehtävä, viikko 42

Tehtäväkuvaus: Etsikää verkosta (Internet) erilaisia verkkoratkaisuja ja pohtikaa niiden taustalla olevia rakenteita (miten linkit yhdistyvät isommaksi kokonaisuudeksi etc.)

Verkkoratkaisut voidaan karkeasti jakaa johtimettomiin ja johtimellisiin. Johtimettomia verkkoratkaisuja ovat esimerkiksi WLAN-verkot, jossa muodostetaan yhteys ilmateitse päätelaitteen (esimerkiksi tietokone) ja tukiaseman välille. Tämä yhteys jatkuu edelleen johtimellisena ADSL-modeemin kautta puhelinverkkoon, Mikäli tukiasema on yhteydessä mobiiliverkkoon niinsanotun mokkulan avulla, yhteys ei ole johtimellinen vaan jatkuu 3G/4G -yhteydellä lähimpään matkapuhelintukiasemaan josta puhelinverkkoon.

Usein verkoissa on molempia ratkaisuja, ja etenkin täysin johtimettomia verkkoja on hyvin vähän, sillä jossain vaiheessa signaali usein kulkee johtimissa. Ehkä yksinkertaisin esimerkki täysin johtimettomasta “verkosta” on yhteys kaukosäätimen ja television välillä.

Kotitehtävä 3

Tehtäväkuvus: Pohtikaa omien laitteiden muodostamaa kokonaisuutta erityisesti kokonaisuuden eli verkon kannalta. Kuvatkaa kuinka tieto liikkuu laitteelta toiselle (kerrosmallin keinoin, protokollat huomioiden)

Esimerkkikuvauksena tarkastellaan hyvin yleistä toimintoa, jossa selataan internetiä ja otan yhteyttä googleen:

Tietokone ottaa ensin yhteyden langattomaan reitittimeen johtimettomasti, josta yhteys siirrtyy langallisesti Ethernetiä pitkin LNET verkkoon ja internetiin.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1
    • Luennot: 8 h
    • Kotitehtävät: 2 h
  • Luentoviikko 2
    • Luennot: 8 h
    • Kotitehtävät: 1 h
  • Luentoviikko 3
    • Luennot: 8 h
    • Kotitehtävät: 1 h
  • Tenttiin valmistautumien, wikin viimeistely: 15 h

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