meta data for this page
  •  

Pia Adiben oppimispäiväkirja

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikenne tarkoittaa minulle erilaisten laitteiden välillä tapahtuvaa kommunikointia, jossa sanoma on muutettu tiedonsiirrolle parhaiten soveltuvaan muotoon. Bitit ja protokollat ovat osa tietoverkkojen toimintaa.

Television muuttuminen analogisesta digitaaliseen ja antenniverkosta kaapeliverkkoon sekä matkapuhelimen käyttöönotto eli langallisesta, kiinteästä puhelinverkosta siirtyminen langattomaan mobiiliverkkoon oli suuri muutos tavallisen kansalaisen tietoliikenneasioissa. Uusimpia tietoliikennesovelluksia kuluttajan ulottuvilla ovat erilaiset paikannus- ja reititysmahdollisuudet: lähes joka autossa on jo ”sähköinen reittiopas” eli navigaattori ja älypuhelimesta löytyy satelliittiin yhteydessä oleva karttapalvelu, joka mahdollistaa mm. geokätköilyn sekä FourSquare-palvelun.

Itselleni internetin, tietoliikenteen ja tiedonsiirtolaitteiston tekninen kehitys (ja hintojen aleneminen) on tuonut tietokoneet kotiin – kodin internet-verkko on taloyhtiön tarjoama palvelu, jossa pojan pöytäkone on kiinteästi verkossa datakaapelin avulla ja itse otan kannettavalla yhteyden langattomasti. Tämä on mahdollistettu reitittimen avulla. Fax-laite minulla oli kotonakin vielä 13 vuotta sitten, työpaikalla luovuimme sen käytöstä kokonaan tänä vuonna.

Erilaiset matkapuhelimella tapahtuvat maksuliikennetapahtumat ja muut palvelut kiinnostavat tulevaisuutta ajatellen. Matkalippu kännykkään tai limun osto automaatista vaatii monenlaista teknistä varmistusta, puhumattakaan erilaisista sähköisistä henkilön tunnistuspalveluista. Seuraavaksi odotan ubitekniikan hyökyaaltoa ja kosketuspintaisia ”kauppoja” kulkureittini varrella, kuten Koreassa, jossa maanalaisessa voi tehdä ruokaostokset tilaamalla kosketusnäyttöä ja tavarat löytyvät kotona perille toimitettuna, kun itse olen fyysisesti sinne ehtinyt. Vielä keitän kuitenkin kahvini ilman ajastinta ja tappelen television sekä digiboksin kaukosäädinten kanssa. Kotiinkin palaan mielelläni kävellen lähikaupan kautta.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1: Peruskäsitteet

Ensimmäisellä luennolla tutustuimme tietoliikennetekniikan peruskäsitteisiin, kehityskulkuun, kommunikointimalleihin ja kerrosarkkitehtuuriin. Kehityskulku on edennyt yksittäisistä PC-koneista internetiin ja sitä kautta jaettuun tietojenkäsittelyyn. Nyt olemme siirtymässä ubitekniikkaan, jossa tietoa siirtyy useiden tietokoneiden välityksellä.

Ajallisesti tietoliikenne on edennyt analogisesta ja digitaaliseen signaalin välitykseen pääosin 90-luvulla; matkapuhelinverkoista on siirrytty 2000-luvulla internet-pohjaiseen tietoliikenteeseen. Satelliitit ja langaton verkko ovat vaikuttavat tiedonsiirron kehitykseen mahdollistamalla mm. erilaiset paikannuspalvelut älypuhelimissa ja autojen navigointilaitteissa.

Kommunikointimalli Tärkein oppi oli ymmärtää, että tietoliikenneprosessissa on kysymys lähetettävästä, koodatusta signaalista, joka kulkee kanavaa pitkin joutuen alttiiksi häiriöille. Kanavan vastaanottopäässä signaali puretaan (dekoodataan) ja koostetaan joko digitaaliseen tai analogiseen muotoon, joka on luettavissa / nähtävissä / kuultavissa vastaanottavassa päätelaitteessa.

Toisin sanoen kommunikointimalli on tiedonsiirtoa laitteiden välillä: lähde-lähetin-siirtojärjestelmä-vastaanotin-kohde. Kommunikointimallin tehtävät ovat 1) siirtojärjestelmän tehokas hyödyntäminen ja kanavointi, 2) liityntä standardoidusti sekä 3) signaalin luonti liitynnän kautta siirtotielle, jossa signaalin muoto on oltava vastaanottimelle sopiva ja ymmärrettävä.

Kerrosmalli Käsittelimme myös lähi- ja etäverkkoja, joihin siirtojärjestelmä kytkeytyy. Tiedonsiirtomalleista esiteltiin lyhyesti teoreettinen kolmen kerroksen malli ja tarkemmin 7-kerroksinen OSI-malli sekä 5-kerroksinen TCP/IP-malli . Kullakin kerroksella / tasolla / modulilla on oma tehtävä suoritettavana. Tehtävät jakautuvat kolmeen osatekijään: sovellukseen (application layer), laitteeseen ( transportation layer) sekä verkkoon ( network access layer).

Luentopäivä 2: Protokollat, standardit ja tiedonsiirto

Protokollat Syvennyimme protokollien yleisiin toimintoihin kerrosarkkitehtuurissa. Protokolla pyytää palveluntarjoajalta lupaa kommunikoida, tekee osoituksen ja saa vastauksen, jonka jälkeen kommunikointilupa vahvistetaan (=vahvistettu palvelu). Vahvistamattomassa palvelussa on vain pyyntö ja osoitus. Pyynnöt tulkitaan kunkin kerroksen rajapinnassa. Verkon sisäisiä protokollia puretaan jokaisessa linkkipisteessä / solmussa. Protokolla koostuu 1) syntaksista (tiedon muotoilu), 2) semantiikasta (toimintalogiikka) sekä 3) ajoituksesta. Järjestelmässä oliot kommunikoivat keskenään: mikä, kuinka, koska. Protokollien toimintoja ovat segmentointi (eri kerroksilla ei käsitellä samankokoisia datalohkoja, vaan data joudutaan pilkkomaan osiin) ja kokoaminen. Erilaisilla verkkotekniikoilla on erilaiset pakettikoot.

Yksinkertaistetussa kolmen kerroksen mallissa on tiedonsiirtosovellus, kuljetuskerros sekä verkkokerros, joilla kullakin on omat protokollansa. Kunkin kerroksen paketit sisältävät sekä ohjausinformaatiota (transport header / network header) että dataa (transport protocol data units / network protocol data units - packets). Näitä paketteja kutsutaan nimellä PDU eli protokollan tietoyksikkö.

Standardit Standardeja tarvitaan huolehtimaan fyysisestä, sähköisestä ja toiminnallisesta yhteensopivuudesta eri järjestelmien välillä. Tärkeimpiä standardointiorganisaatioita ovat Internet Society, ISO (OSI-malli), ITU-T (telekommunikaatiostandardit), sekä IEEE (lähiverkot). Standardoinnin etuna on vahvistaa markkinat tuotteille (massatuotannon tuoma hintojen lasku) sekä yhteensopivuuden varmistaminen (asiakkaan laitteet, kilpailutus sekä tulevaisuuden yhteensopivuus). Haittoina ovat teknologioiden jäädyttäminen, useat standardit samalle asialle sekä kompromissit, jotka tyydyttävät kaikkia, mutta eivät hyödytä juurikaan.

Tiedonsiirto Tiedonsiirtoon vaikuttavat 1) signaali: analoginen tai digitaalinen. 2) siirtotien ominaisuus (transmission medium): johtimellinen eli suunnattu (kaapelit ym.) tai johtimeton eli suuntaamaton (kanavana esim. ilmatie, vesi, tyhjiö).

Tiedonsiirron onnistumiseen vaikuttavat: tiedonsiirtonopeus ja -taajuus, etäisyys verkon keskiöstä, kaistanleveys. Nämä kaikki riippuvat toisistaan. Haittaa aiheuttavat tiedonsiirron esteet signaalin etenemiselle, häiriöt ja kohina, vaimennus ja monitie-eteneminen (signaalin kimpoaminen esteen pinnalta toiseen).

Analoginen signaali poikkeaa digitaalisesta siten, että vastaanottopäässä ei voida arvioida, mikä oli alkuperäinen sanoma, kun digitaalisessa voidaan itse korjata siirtotien aiheuttama häiriö. Signaalin kulkuun siirtotiellä vaikuttavat signaalin taso (amplitude) sekä aikajakso eli kuinka usein signaali toistuu (=taajuus).

Jo vaimeneminen vaikuttaa datasiirron nopeuden pienenemiseen, ellei lisätä kaistanleveyttä, jolloin bitit saadaan erottumaan tarkemmin (bittien rajat eli alku ja loppu, merkitystä signaalin tunnistamiselle eri taajuuksilla).

Lisäksi: kanttiaaltoon lisätään komponentteja äärettömyyteen saakka, jolloin taajuustarkkuus heikkenee, kun bittien rajat menevät epäselviksi.

Luentopäivä 3: Siirtotiet

Siirtotiet ovat siis joko johtimellisia (guided) eli suunnattuja tai johtimettomia (unguided) eli suuntaamattomia. Johtimettomia siirtoteitä käyttävät kaikki eli siirtotie on tällöin jaettu. Kullakin siirtotiellä on rajoitteensa.

Johtimellisia siirtoteitä ovat pari- ja koaksiaalikaapeli, valokuitu ja sähköjohto. Johtimettomia taas ovat mikroaalto- tai satelliittilinkit, radiotie ja infrapunalinkit (jotka kulkevat joko ilmassa, vedessä tai tyhjiössä).

Luentopäivä 4: Kanavointi

Kanavointi eli multipleksointi tarkoittaa siirtokapasiteetin jakamista useamman siirrettävän signaalin kesken. Kanavointia hyödynnetään koaksaalikaapeliin tai kuituihin perustuvissa runkoverkoissa sekä matkaviestinverkoissa. Kanavointi perustuu multopleksereiden käyttöön, jossa n syötettä yhdistetään samalla linjalle lähetyspäässä ja vastaavasti ne puretaan vastaanottopäässä. Tällöin yhdellä linjalla on käytössä monta kanavaa. Multipleksointia käytetään, koska se on kustannustehokasta ja yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan siirtojärjestelmän kaistasta.

Kanavointi voidaan jakaa neljään pääluokkaan: - Aikajakokanavointi (TDMA=Time Division Multiple Access) - Taajuusjakokanavointi (FDMA=Frequency DivisionMultiple Access) - Koodijakokanavointi (CDMA=Code Division Multiple Access) - Aallonpituusjakokanavointi WDMA=Wavelength Division Multiple Access

Aikajakokanavointi perustuu signaalien viipalointiin, joka voi tapahtua bittitasolla, tavutasolla tai suuremmissa yksiköissä. Siirtotien kapasiteetin on ylitettävä siirrettävien signaalien kapasiteettivaatimukset, jotta aikajakokanavointia voidaan käyttää. Aikajakokanavointi voi olla synkronista tai asynkronista. Synkronisessa aikajakokanavoinnissa datan on oltava digitaalista mutta signaali voi olla analoginen tai digitaalinen. Aikajakokanavoinnissa siirrettävä data muodostaa kehyksiä, jotka muodostuvat aikaviipaleista. Lähetyspää voi varata itselleen useampia aikaviipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointiaan. Yhden lähetyspään varaamia aikaviipaleita kutsutaan kanavaksi. Vastaanottopäässä aikaviipaleet ohjataan oikealle vastaanottajalle. Varaamalla eri määrät aikaviipaleita kullekin yhteydelle nopeuden mukaan, mahdollistetaan eri nopeuksilla toimivien lähteiden yhdistämisen. Ongelmana on kuitenkin tehottomuus kun osa yhteyksistä ovat suurimman osan ajasta tyhjillään. Asynkronisessa aikajakokanavoinnissa aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan. Koska asynkroninen aikajakokanavointi käyttää hyödykseen siirtojen taukoja, siirtotien kapasiteetti voi olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa. Kaapelimodeemeissa käytetään yleensä asynkronista aikajakokanavointia.

Taajuusjakokanavoinnissa kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle. Eri kanavien väliin jätettävällä varmuusvälillä estetään kanavien väliset häiriöt. Myös taajuusjakokanavoinnissa siirtotien kapasiteetti tulee ylittää siirrettävien signaalien yhteenlasketut vaatimukset kaistanleveydelle. Syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista, mutta signaali on aina analoginen, koska kanavointi perustuu modulointiin. Taajuusjakokanavointia käytetään muun muassa TV-kanavien välittämiseen.

Koodijakokanavointia käytetään johtimettomilla siirtoteillä. Sen käytöllä on useita etuja. Koodikanavoinnissa data voi olla analogista tai digitaalista, mutta signaali on analoginen. Koodijakokanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite ja vastaanottajan pitää olla huolellisesti selvillä käytetystä koodaustekniikasta, jotta se voi vastaanottaa saapuvan signaalin.

Aallonpituusjakokanavointia käytetään yksimuotokuiduissa. Optinen kuitu saadaan tehokkaasti käyttöön kun samassa kuidussa saadaan siirrettyä useita signaaleja. Siinä käytetään eri taajuisia valonsäteitä, jotka muodostavat kukin oman kanavansa.

Tietoliikenne on perinteisesti jaettu teleliikenteeseen ja dataliikenteeseen, koska niillä on erilaiset vaatimukset. Teleliikenne vaatii reaaliaikaisen kommunikointiväylän, joten se hyödyntää piirikytkentäisiä verkkoja. Kommunikaatio piirikytkentäisessä verkossa edellyttää määriteltyä yhteyspolkua kahden aseman välillä, joka kulkee verkkosolmujen kautta. Yhteys muodostetaan ennen varsinaista datan siirtoa ja kanava on varattu muodostetulle yhteydelle kunnes yhteys katkaistaan. Viestinvälitys pitkin piirikytkentäistä verkkoa sisältää kolme vaihetta: 1) yhteyden muodostus (piirin muodostus), 2) datan siirto ja 3) yhteyden lopetus (piirin purku).

Dataliikenteessä on tärkeää kommunikointiväylän tehokas käyttö, siksi dataliikenteessä käytetään pakettikytkentäistä verkkoa. Pakettikytkentäisessä verkossa data pilkotaan pieniin paketteihin siirtoa varten. Datapaketti sisältää varsinaisen siirrettävän tiedon sekä kontrollitietoa, mm. osoitetiedot. Paketin koko riippuu käytettävästä siirtoverkosta mutta pienempiä paketteja käytettäessä datan siirto nopeutuu. Solmupisteissä paketti varastoidaan hetkellisesti, ennen kuin se lähetetään eteenpäin. Solmupisteen tulee tietää verkon tila ja valita optimaalinen reitti paketille. Pakettikytentäisessä verkossa voidaan paketeille määritellä prioriteetti eli ns. etuajo-oikeus verkossa. Pakettikytkennässä on käytössä kaksi eri kytkentätapaa: tietosähke ja virtuaalipiiri. Pakettikyntentäisen verkon etuja ovat sen tehokkuus. Verkko voi myös suorittaa datanopeuden muutokset tarvittaessa. Kytkentätekniikoiden suorituskyvyn mittauksessa tulee huomioida kolme erilaista viivettä: etenemis-, siirto- ja solmuviive. Piirikytkentäisessä verkossa uudet yhteydet estetään, kun liikenne verkossa kasvaa liian suureksi. Pakettikytentäisessä verkossa yhteydet sallitaan, mutta välitysviive kasvaa.

Luentopäivä 5: Matkapuhelinverkot

Matkaviestinverkkojen kapasiteetti siirtää kasvavan datan määrää on kasvanut viime vuosina nopeasti. Verkko koostuu soluista, joista jokaisella on oma tukiasema (antenni). Ainakin vierekkäisillä soluilla on oma taajuusalue, jotta ei tule häiriöitä. Verkon kapasiteettia on nostettu lisäämällä uusia kanavia, lainaamalla taajuuksia ja jakamalla soluja. 3G-matkapuhelinteknologiaa käytetään tällä hetkellä eniten. Se tukee suuria bittinopeuksia ja päätelaitteiden maantieteellisen sijainnin määrittelyä sekä multimediapalveluita. Se mahdollistaa myös liikkuvuuden eri operaattoreiden ja eri maiden välillä. 4G-teknologia on kuitenkin yleistymässä. Sen avulla saavutetaan vieläkin suurempi datanopeus ja parempi langaton tiedonsiirto.

Lähiverkot (LAN) ovat yleisin verkkotyyppi nopeutensa vuoksi. Lähiverkkojen käyttökohteita ovat: PC-LAN, joka yhdistää PC-koneet ja vaikkapa tulostimet. Taustaverkot, jotka yhdistävät suurien järjestelmien osia toisiinsa ovat nopeat toimistoverkot ja runkoverkko LAN, joka yhdistää esim. eri osastojen LAN:t yhteen. Lähiverkoissa käytetään siirtoteinä koaksaali- ja parikaapelia, optista kuita sekä radiotietä. LAN yhdistyy lähes aina toisiin verkkoihin, joko WAN:iin tai toiseen lähiverkkoon. Lähiverkko voi olla myös langaton (WLAN).

Kotitehtävä 1 1. Mikä ero on tavallisella televisio+digiboksi yhdistelmällä esimerkiksi HD-taulutelevisioon, jolle ei tarvita erillistä digiboksia? Mitä oleellista eroa kuvanlaadussa eli miten kuva koodataan? 2. Mikä on mikrofonin ja tietokoneen äänikortin ero? Miten ääni siirtyy mikrofonista kuulokkeeseen? 3. Miten monessa erilaisessa tietoverkossa olen kytköksissä päivän aikana ja mitä eroa niiden tekniikassa ja toiminnassa on? Vrt .puhelinverkko, DNA:n liikkuva laajakaista, oma kotiverkko (taloyhtiön), digiverkko (tv) jne.

pia_adibe_kotiteht1.pdf

Kotitehtävä 2 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.

1) HTTP (HyperText Transfer Protocol) HTTP provides a standard for Web browsers and servers to communicate. The definition of HTTP is a technical specification of a network protocol that software must implement. HTTP is an application layer network protocol built on top of TCP. HTTP clients (such as Web browsers) and servers communicate via HTTP request and response messages. http://compnetworking.about.com/od/networkprotocols/g/bldef_http.htm http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616.html

2) TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) TCP/IP is the communication protocol for communication between computers on the Internet. TCP/IP defines how electronic devices (like computers) should be connected to the Internet, and how data should be transmitted between them. http://compnetworking.about.com/cs/basictcpip/g/bldef_tcpip.htm http://www.w3schools.com/tcpip/tcpip_intro.asp

3) SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) The protocol used for email on the Internet. It defines a message format and a procedure to route messages through the Internet from source to destination via email servers. http://email.about.com/od/emailbehindthescenes/g/smtp.htm http://www.ietf.org/rfc/rfc2821.txt

Kotitehtävä 3 Kolmannessa kotitehtävässä tarkestallaan 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.

1)TV & digiboksi –yhdistelmä Siirtotienä on ilma. Digisovitin vastaanottaa digitaalisia televisiolähetyksiä ja muuntaa lähetykset katsottavaksi millä tahansa televisiovastaanottimella. http://fi.wikipedia.org/wiki/Digiboksi

Koodaus: Digiboksi vastaanottaa ja purkaa satelliitin lähettämään digitaalisen signaalin MPEG-2. http://fi.wikipedia.org/wiki/Digitaalitelevisio

Taajuus: Nykyaikaiset digisatelliitit lähettävät signaalinsa ”KU frequency rangella”, 12 GHz-14 GHz. http://fi.wikipedia.org/wiki/Satelliittitelevisio

2) Langaton nettiyhteys (WLAN) Siirtotienä ilma. Koodaus: 802.11: DSSS, OFDM. Taajuus 2,4 GHz ja 5 GHz. http://fi.wikipedia.org/wiki/WLAN, http://en.wikipedia.org/wiki/WLAN

3) GSM Siirtotienä ilma. Koodaus: GSM-verkoissa on käytössä erilaisia puheenpakkausstandardeja. Alkuperäisen täysnopeuskoodekin (FR, GSM 06.10) lisäksi käytössä on ollut puolinopeuskoodekki (HR, GSM 06.20), parannettu täysnopeuskoodekki (EFR, GSM 06.60) sekä adaptiivinen moninopeuskoodekki (AMR, GSM 06.90) Taajuus: GSM 900 ja GSM 1800 -järjestelmät ovat pääsääntöisesti käytössä Euroopassa, Lähi-idässä, Afrikassa ja Aasiassa. GSM 900 käyttää radiotaajuuksia 890 - 915 MHz http://fi.wikipedia.org/wiki/GSM

Kotitehtävä 4 Tarkastallaan 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?

pia_adibe_kotiteht4.pdf

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.

pia_adibe_kotiteht5.pdf

Viikoittainen ajankäyttö

Luentoviikot 5 kpl: lähiopetus 5×7 h, paikalla 3×7 = 21 h, valmistautumista lähiopetukseen ja pistareihin 5 h sekä kymmeniä tunteja kotitehtävien tekoa ja tenttiin valmistautumista

Pääsivulle