meta data for this page

Henri Elorannan kurssisivu

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Kurssin aluksi opiskelijat kirjaavat näkemyksensä tietoliikenteestä tähän kohtaan omaa oppimispäiväkirjaansa. Näkemys sinällään ei tarvitse olla pitkä selostus max 10 riviä tekstiä ja max 10 avainsanaa.

Ennakkokäsitys aiheesta tietoliikennetekniikka

Tietoliikennetekniikka on kokonaisuus, jolla saadaan siirrettyä tietoa paikasta y paikkaan x. Tietoliikennetekniikka rakentuu binäärisen maailman ympärille, sillä tietoverkot ovat oikeastaan suuria sähköverkkoja joissa sähköä kulkee. Koska sähköllä voidaan esittää vain kaksi tilaa, tila jolloin sähköä kulkee ja tila jolloin sitä ei kulje, käytössä on tämä 0:n ja 1:n binäärinen maailma. Jotta verkossa kulkevista bittijonoista saadaan yleisesti ymmärrettäviä, täytyy ne järjestellä jonkun tietyn sopimuksen mukaan. Esimerkkinä IEEE-754 standardi, joka koostuu 32 bitistä. Näillä “sopimuksilla”, protokollilla, voidaan tietoa välittää lähettävän, välittävän sekä vastaanottavan osapuolen välillä. Verkko-protokollissa on itse datan mukana tieto, mistä bittijono on tulossa ja mihin se menee. Näin voidaan tietoa siirtää, ja samalla “sopimus” -periaatteella rakentaa kokonaisia sovelluksia kun tiedetään mitä minkäkin tyyppinen bittijono missäkin kohtaa tarkoittaa.

Luentoyhteenvedot

Luentoyhteenveto 1

*Kommunikointimalli*

Mallinnetaan tarvittavat välineet, reitit ja toiminnot, mitä reaalimaailman tiedonsiirto tarvitsee. Mallin komponentit; lähde, lähetin, siirtojärjestelmä, vastaanotin, toistava kohde. Lähde ja lähetin muodostavat lähdesysteemin, joka yleensä muodostuu PC:stä ja modeemista. Siirtojärjestelmänä toimii yleinen puhelinlinja. Päätesysteemi voi koostua esimerkiksi lähdesysteemiä vastaavasta järjestelmästä, tai sitten modeemista ja serveristä. Tämä selkeytti minulle kommunikoinnissa tarvittavien komponenttien tarvetta ja rakennetta.

Tiedonsiirto

Kaksi pääteasemaa (endsystem) kommunikoivat toistensa kanssa siten, että toinen generoi signaaleita, dataa, liitynnän kautta siirtojärjestelmään, joka reititetään lähetettävästä datasta muodostettavien pakettien osoitteiden (header) avulla siirtojärjestelmässä. Tämän osoitteen avulla data siirtyy osoitettuun paikkaan. Tiedonsiirrossa käytettäviä operaatioita:

Synkronointi
Yhteyden hallinta
Virheen havainnointi ja hallinta
Liikenteen valvonta
Osoitteistaminen
Reititys
Turvallisuus
Järjestelmänhallinta

Tiedonsiirtoa voidaan verrata kahden henkilön välillä käytyyn keskusteluun, toinen kysyy toiselta jotain (generoi datan ja lähettää sen + reititys nimen perusteella), toinen kuulee oman nimensä huudettava ja vastaanottaa kysymyksen ilman välityksellä (synkronointi + siirtotie siis ilma), vastaanottava henkilö miettii asian ja vastaa sitten kysymykseen mikäli ymmärsi kysymyksen (virheenhavainnointi), sekä vastaa mikäli tuntee käsiteltävän tiedon olevan kolmannelta osapuolelta turvattu (turvallisuus). Tämä luennoitsijan kertoma erimerkki selvensi huomattavasti tiedonsiirron käyttäytymistä ja toimintaa.

*Tiedonsiirron tapoja*

Datan siirrossa on kaksi vallitsevaa tapaa; piirikytkentä (circuit switching) ja pakettikytkentä (packet switching). Piirikytkennässä yhteyttä pidetään avoinna, kaistanleveyttä varataan, jatkuvasti huolimatta siitä, onko linjalla liikennettä vai ei. Tämä on huono tapa, sillä kun linjalla ei ole liikennettä, muut yhteydet joutuvat toimimaan pienemmillä kaistanleveyksillä huolimatta siitä kuinka kova liikenne niillä on. Puhelinverkko on yksi piirikytkentää käyttävä kokonaisuus. Pakettikytkentä mahdollistaa siirtoverkon huomattavasti tehokkaamman käytön. Lähetettävä data pilkotaan pieniin osiin, paketteihin, ja lähetetään siirtoverkkoon jossa reitittimien avulla jokainen paketti reititetään perille ilman, että ko. tiedonsiirtoon tarvitsee varata koko kaistanleveyttä. Tämä pienentää ruuhkaa, koska liikkeellä voi olla monia eri datoja moneen erisuuntaan. Verkkoja Itse ”Internet” kuvaa erikokoisten verkkojen ja verkoissa olevien laitteiden muodostamaa kokonaisuutta. Wide Area Network (WAN) on isoin erotettavissa oleva kokonaisuus. WAN kuvaa laajalla alueella olevaa verkkoa, esimerkiksi jonkin kokonaisen maan sisällä olevaa verkkoa, johon kytkeytyy lähiverkot, Local Area Network:t (LAN) ja kaupunkiverkot, Metropolitan Area Network:t (MAT). Henkilökohtaiset verkot, Personal Area Network:t (PAN) kytkeytyvät taasen LAN:iin. Jokaisessa eri verkossa on monia pääteasemia, joiden hallinta on monimutkainen tehtävä. Tämä selvensi itse Internetin määritelmää, ja mielestäni on yleishyödyllistä tietää mistä nämä kolmikirjaimiset lyhenteet tulevat.

*Kerrosarkkitehtuuri*

Tietoliikennejärjestelmät, protokollat, on jaettu kerroksiin niiden hallittavuuden ja suunnittelun helpottamiseksi. Tunnetuimpia näistä ovat OSI ja TCP/IP kerrosmallit. Nämä ovat lähestulkoon samanlaiset järjestelmät, mutta OSI-mallissa korvattiin TCP/IP-mallin sovelluskerros kolmella erikerroksella. Kummastakin löytää pienin eroin seuraavat kerrokset;

Fyysinen kerros 
Verkkokerros
Internet kerros
Kuljetuskerros
Sovelluskerros (OSI-mallissa istunto-, esitystapa- ja sovelluskerros)

Kerrosarkkitehtuurin kerrokset toimivat siten, että lähde ja pääteaseman sovelluskerroksen protokollat kylläkin keskustelevat keskenään looginen yhteyden avulla, mutta itse kanssakäynti tapahtuu alempien kerroksien avulla. Sovelluskerroksella tapahtuva asia täytyy konstruoida alemmalle kerrokselle, ja taas alemmalle kerrokselle, jotta data voitaan välittää fyysistä kerrosta pitkin sähköisesti bittien avulla. Vastaanottava asema joutuu rekonstruoimaan saapuvan datan aina sovelluskerrokselle asti, ja näin sovelluskerroksen protokollat ymmärtävät toisiaan. Ylemmän kerroksen protokollat saavat siis palveluita alemmilta kerroksilta. Jotta alempi kerros osaisi ohjata datan oikeaan ylemmän kerroksen palveluun, täytyy datan eteen laittaa osoite (header). Tämä osoite voi olla erimerkiksi IP-osoite, jolla kuljetuskerroksen protokolla osaa ohjata saapuvaa dataa ylemmän kerroksen, internet-kerroksen, oikealle protokollalle. Luennoitsija kertoi esimerkin kahden johtajan välisestä keskustelusta; johtaja kirjoittaa kirjeen toiselle, antaa sen sihteerille lähetettäväksi, sihteeri postittaa kirjeen ja postimies hakee kirjeen. Postimies kiikuttaa kirjeen toisen johtajan toimistoon, missä sihteeri ottaa kirjeen vastaan ja vie kirjeen toiselle johtajalle. Kerrosarkkitehtuurin voidaan ajatella tekevän samaa asiaa; johtajat, kuten ei sovelluskerroksetkaan, keskustele toistensa kanssa suoraan, vaan välissä on kerroksia jotka tekevät omat tehtävänsä varmistaakseen, että yhteydenpito on mahdollista. Tämän asian tajuaminen luennolla oli mielestäni koko luennon isoin asia.


Luentoyhteenveto 2

*Protokolla*

Koska tiedonsiirrossa käytetään binäärimaailmaa hyväksi, tarvitsee eri järjestelmien tietää mitä mikäkin bittijono milloinkin tarkoittaa. Tämän voidaan ajatella olevan järjestelmien yhteinen kieli, jota kutsutaan protokollaksi. Protokollien ”kielioppi” koostuu

Syntaksista (muotoilu + signaalitasot)
Semantiikasta (toimintalogiikka)
Ajoituksesta (siirtonopeus + pakettien järjestys)

Tämä asia oli entuudestaan jo hieman tuttu; opiskelen sähkötekniikkaa ja olen päässyt olemaan tekemisissä binäärimaailman kanssa, joten ymmärsin että on oltava jokin sopimus, mikä määrittää mitä minkäkin pituinen bittijono milloinkin tarkoittaa, minkä mukaan järjestelmät käyttäytyvät. Protokollat suorittavat mm. luentoyhteenvedossa 1 mainitsemiani tehtäviä; synkronointia, yhteyden hallintaa, virheen havainnointia ja hallintaa, liikenteen valvontaa, osoitteistamista, reititystä, turvallisuuden- ja järjestelmänhallintaa.

*Osoitteet*

Kuten luentoyhteenvedossa 1 mainitsin, osoitteita on monenlaisia. TCP/IP –mallissa on käytössä verkkokerroksen IP-osoitteisto sekä kuljetuskerroksen osoitteisto, portit. IP-osoite on käytössä tosiaan verkkokerroksella, jolloin osoitteen on oltava eksakti käytössä olevan verkon alueella. Tällöin ei reitittimille tule ristiriitaa datan reitittämisessä vaan data kyetään ohjaamaan oikeaan paikkaan datassa olevan headerin avulla. Kerrosmallissa ylemmälle mentäessä TCP-protokollan porttinumerot kertovat suorittavalle protokollalle mihin sovellukseen kyseinen data on menossa; voidaan sanoa että jokin sovellus kuuntelee jotakin tiettyä porttia. Porttinumeroiden ei tarvitse olla globaaleja, sillä IP-osoitteiden avulla data löytää oikean pääteaseman, ja pääteasemassa on vain tietty määrä portteja; porttien numerot ovat välillä 0-65535. Päätesysteemien valtavan kasvun takia IPv4-osoitteiden 32-bittisen osoiteavaruuden käytyä liian pieneksi, on kehitetty IPv6 (IP version 6), jonka osoiteavaruus on 128 bittinen. ISO-mallissa käytössä on SAP (Service Acces Point) osoite, joka voidaan määrittää ISO-mallin jokaiselle seitsemälle kerrokselle. Tämä osoitteisto oli minulle aivan uutta. Olen kyllä kuullut IP-osoitteista ja porteista, mutta hieman on jäänyt epäselväksi mitä ne oikeasti tarkoittavat ja missä niitä tarvitaan. Tämä oli mielestäni luennon tärkeimpiä asioita.

Kuvassa datan edessä olevat osoitteet (IP ja portti).

*Standardointi*

Jos ajatellaan tietoliikenneverkkoa kokonaisuutena kaikkine eri valmistajien laitteineen ja palveluineen, näiden välinen yhteistyö ja siten yhteyksien muodostaminen ei onnistuisi, mikäli kaikki ei puhuisi yhtä ja samaa ”kieltä”. Kuulostaa loogiselta, voisi verrata vaikka siihen, että esimerkiksi tietyn pultin dimensiot täytyy olla standardoituja. Tällöin voidaan varmistua siitä, että mistä tahansa puolelta maapalloa pultin ostaakin, on se juuri oikean, sovitun kokoinen, jotta pultti olisi hyödyllinen. Standardoinnin avulla saavutetaan myös se etu, että voidaan valmistaa massatuotantona halvalla esimerkiksi juuri pultteja tai tietoliikenneverkon komponentteja, kun tiedetään tasan tarkkaan mitä valmistetaan Luennolla esitettiin myös standardointiorganisaatioita, esimerkiksi Internet Society, ISO, ITU-T ja ATM Forum. Näille esitettiin myös luentokalvojen lopussa www-osoitteet. Ihan liikaa itseäni ei nämä organisaatiot kiinnostaneet. Mielestäni luennon tärkein asia standardoinnista oli IEEE802 – standardit. Esimerkkinä mainittakoon IEEE802.11, WLAN-standardi. Tämänkin olin jossain yhteydessä nähnyt ennen kurssia, mutta en osannut yhdistää sitä oikein mihinkään. Muistaakseni omassa kannettavassa oli jokin teippi asiaan liittyen. Pienenä yllätyksenä luennolla tuli se, että standardit jäädyttävät teknologian kehitystä. Jälkeenpäin kun asiaa mietin, tuli hieman hölmö olo. Tottakai kun standardoidaan jokin tekniikka ja sitä kylvetään joka puolelle, on se vaikea korvata uudella, tehokkaammalla tekniikalla.

*Digitaalitekniikka & Analogiatekniikka*

Digitaalinen signaali koostuu jännite- tai virtatasoista, jotka pysyvät ennalta määrätyn ajan samana, vaihtaen tilaa lähes äärettömän nopeasti seuraavaan. Tieto välittyy siis eri tasojen avulla. Digitaalisien järjestelmien etuna on se, että ne ovat vähemmän alttiita häiriöille, sillä muuttuja saa vain harvan määrän arvoja. Tästä syystä niitä on myös helpompi muokata. Ne ovat myös halvempia valmistaa verrattuna analogisiin. Haittoina voidaan pitää tiedon jatkuvuuden menettämistä sekä tilanmuutoksien nopeudesta aiheutuvia haasteita suunnittelulle; Faradayn induktiolain mukaan induktiovirta ja siitä aiheutuva magneettikenttä on sitä suurempi, mitä nopeammin virta muuttuu. Tästä syystä vastaanottavassa päässä tilanmuutos ei näy niin jyrkkänä kuin lähettävässä päässä. Keskustelevia järjestelmiä tahdittava kello on siten suunniteltava huolella, ettei väärinymmärryksiä tule. Toinen heikkous on se, että digitaalisilla signaaleilla välimatkasta aiheutuva vaimeneminen on merkittävää; siirtovälillä tarvitaan vahvistimia. Analoginen signaali on yhtenäistä, jatkuvaa signaalia. Tieto välittyy signaalissa ilmenevien eri taajuuksien ja niissä esiintyvien amplitudien avulla. Analogiatekniikan etuja on sen yksinkertaisuus. Haittoja on taas huono virheenkestävyys, sekä virheenkorjaus, sillä virheitä on vaikea huomata muuttujan jatkuvasta spektristä. Useimmiten analoginen signaali muodostuu eritaajuisista sini-aalloista; onkin todistettu Fourierin muunnoksen avulla, että mikä tahansa riittävän säännöllinen signaali voidaan esittää sinimuotoisten funktioiden integraalina. Luennoilla esitetty materiaali digitaalitekniikasta ja analogiatekniikasta oli suurimmalta osin tuttua.

*Tiedonsiirron häiriöt*

Tiedonsiirron yksi suurista ongelmista on tiedon vääristyminen. Luennolla käytiin mielestäni varsin hyvin eri häiriöiden syntyminen ja ilmentyminen. Erilaisia häiriöitä on siis

Vaimeneminen
Viiveen aiheuttama vääristymä
Kohina (lämpö)
AD / DA muunnoksessa esiintyvät häiriöt
Elektromagneettinen kytkeytyminen

Vaimenemista esiintyy välimatkan vaikutuksesta; johdossa liikkuva elektroni aiheuttaa magneettivuon johdon ympärille, joka syö kuljetettavaa energiaa aiheuttaen vaimenemisen. Viiveen aiheuttama vääristymä esiintyy varsinkin valokaapeleissa; lähetettävä signaali heijastuu monesta eri kohdasta jolloin signaali saapuu moneen eri kertaan kohteeseen aiheuttaen vastaanottajalle ongelmia tulkita dataa yksiselitteisesti. Kohina on yleensä siirtotien elektronien värähtelyä lämmön vaikutuksesta. AD/DA muunnoksessa ilmenevät häiriöt voivat syntyä muunnoksen synkronoinnin puutteellisuudesta. Elektromagneettisen kytkeytymisen aiheuttamaa häiriötä voi syntyä esimerkiksi jos kaapeli kulkee ison magneetin läheltä (esimerkiksi kitaravahvistimien suuret magneetit). Häiriö kytkeytyy tällöin joko kapasitiivisesti, induktiivisesti tai galvaanisesti siirtotiehen.

*Nyquistin teoreema*

Teoreeman mukaan digitalisoitavasta signaalista tulee ottaa näytteitä kaksi kertaa suuremmalla taajuudella, kuin mitä itse signaalissa on suurin taajuus. Jos näin ei tee, Nyquist-taajuutta korkeammat taajuudet laskostuvat pois. Esimerkiksi jos 1 kHz:n taajuisesta signaalista ottaa näytteitä 1.5 kHz:n taajuudella, saadaan näkyviin 500 Hz:n taajuus juuri laskostumisen seurauksena. Toisin sanoen, 1.5 kHz:n taajuinen lähetys voi kuljettaa korkeintaan 750 Hz:n signaalia laskostumatta.

Kuvassa esitetty laskostuminen. Kohdissa [0,1,2,3,…] otetut näytteet muodostavat huomattavasti oikeata signaalia pienitaajuisemman signaalin.


Luentoyhteenveto 3

Siirtotiet

Luennolla esitetyistä siirtoteistä tiesin entuudestaan parikaapelin, koaksiaalikaapelin (lähinnä aux-sovelluksen), valokuidun, satelliittilinkin, radiotien sekä infrapunalinkin. Uutena tuli mikroaaltolinkki. Tuttua oli myös se, että käytettävän siirtotien ominaisuudet asettavat ylärajan tiedonsiirtonopeudelle. Johtimettomassa siirrossa luennolla opin, että käytettävä antenni on siirtotien ominaisuuksia tärkeämpi. Kaikki siirtotiet käyttävät sähkömagneettisen spektrin jotain osa-aluetta siirtoon.

Kuva Elektromagneettinen spektri.

Tiivistys luentomateriaalista:

suurempi kaistanleveys antaa suuremman tiedonsiirtonopeuden
signaalin vaimeneminen rajoittaa siirtomatkaa
päällekkäiset taajuuskaistat voivat joko vääristää tai poistaa signaalin 
mitä enemmän vastaanottajia, sitä enemmän vaimenemista

Viimeinen kohta on looginen, kun ajattelee Ohmin lakia

U=ZI

missä U = jännite, Z = impedanssi ja I = virta. Sillä jos vastaanottajat (impedanssi) lisääntyvät, kasvaa myös impedanssi. Ja kun impedanssi kasvaa, aiheuttaa se piirissä (siirtotiessä) virran, signaalin vähenemisen.

Johtimelliset siirtotiet

Parikaapeli

Vuodesta 1881 Alexander Graham Bell:n keksimä parikaapeli on ollut käytössä laajasti. Parikaapelin löytää esimerkiksi tietokoneen ja modeemin liittävästä kaapelista (RJ-45) ja puhelinlinjoista (noin 4 kierrosta / km). Parikaapelin idea on, että yhden linkin muodostavaa kahta kuparijohdinta kierretään keskenään siten, että muodostuu monia silmukoita. Nyt kun silmukat ovat vuorotellen eripäin, kaapeliin vaikuttavan sähkömagneettisen vuon indusoima induktiovirta syntyy silmukoissa vuorotellen erisuuntaan. Tämä pienentää häiriöitä → päästään ko. linkillä pidemmälle. Parikaapelia on suojattua (STP), suojaamatonta (UTP) ja foliosuojattua (FTP). Folio toimii kaapelin Faraday:n häkkinä pienentäen sähkökenttien vaikutusta kaapeliin. Parikaapelit on nykyään jaettu 8 eri CAT – ryhmään riippuen niiden tarjoamasta kaistanleveydestä. Ryhmä 8 (1.2 GHz) on vielä kehityksen alla.

Tiivistys luentokalvoista:

taajuusalue; yhdellä parilla 0 – 3.5kHz, kahdella parilla 0 – 1 MHz.
tyypillinen vaimeneminen 0.2 dB / km @ 1 kHz
tyypillinen viive 50 µs
vahvistimien / toistimien väli 2 km

Koaksiaalikaapeli

Koaksiaalikaapelin rakenne perustuu siihen, että sisäkkäisien erisuuntiin menevien johtimien ulosnäkyvä sähkömagneettinen vuo on nolla (Fysiikka L osa 3, luennot kevät 2011). Näin magneettisesti aktiiviset materiaalit eivät vaikuta häiriönä niin paljoa koaksiaalikaapeliin. Koaksiaalikaapelin löytää esimerkiksi tv – jakeluverkoista sekä auxiliary – audiokaapelisovelluksista. Tiivistys luentokalvoista:

taajuusalue 0 – 500 MHz
tyypillinen vaimeneminen 7 dB / km @ 10 MHz
tyypillinen viive 4 µs
vahvistimien / toistimien väli 1 – 9 km

Optinen kuitu

Optisen kuidun suurin hyöty on se, että se ei ota häiriöitä sähkömagneettisista lähteistä. Näin käytössä oleva mahdollinen siirtopituus nousee huomattavasti. Kuidussa kulkevan signaalin, valon, suurin heikentävä tekijä onkin signaalin vaimeneminen. Kuitu koostuu kosteudelta ja ulkoisilta vaurioilta suojaavasta kuoresta, valon ytimessä pitävästä heijastuskerroksesta sekä valon kulkutiestä ytimestä. Optista kuitua käytetään lähinnä runkoverkkoina niiden suuren siirtokapasiteetin takia. Kuidut voidaan jakaa monimuoto- sekä yksimuotokuituihin. Monimuotokuidussa signaali dispersoituu valosäteiden monista etenemisreiteistä johtuen.

Kuva Optisen kuidun dispersio (monitie-eteneminen).

Tiivistys luentokalvoista:

taajuusalue 186 – 370 THz (370 * 10 ^ 12)
tyypillinen vaimeneminen 0.2 dB / km
tyypillinen viive 5 µs
vahvistimien / toistimien väli 40 km 

Sähköjohto

Myös olemassa olevaa sähköverkkoa pitkin on mahdollista siirtää dataa. Data siirretäänkin sähkövirran kanssa, ja modeemilla erotellaan data sähkövirrasta. Tavassa on etuna se, että hyödynnetään olemassa olevaa rakennetta, mutta sähköverkon suuret kohinat, heijastukset ja virtapiikit tekevät siitä haasteellisen siirtotien.

Johtimettomat siirtotiet

Jaetaan kahteen osa-alueeseen; suunnattuun ja suuntaamattomaan. Etenemismekanismeja on

eteneminen näköyhteyttä pitkin (line-of-sight propagation), aalto kaartuu -> radiohorisontti pidempänä kuin näköhorisontti
eteneminen ilmakehän sironnan avulla (scattering)
eteneminen ionisfäärin avulla (sky wave propagation)
aalto heijastuu ionosfääristä alle 30 MHz:n taajuuksilla
voi heijastua uudestaan maasta, ionosfääristä, taas maasta… -> voi edetä ympäri maailman

Mikroaaltolinkki

Mikroaaltolinkeissä käytetään tarkasti suunnattuja lautasantenneja. Jotta voitaisiin siirtää dataa pitkiä matkoja, pitää lautasantennien olla riittävän korkealla jotta ”näköyhteys” saataisiin. Kahden antennin välinen maksimietäisyys saadaan yhtälöstä d = 3.57 * sqrt(K*h) missä d on antennien välinen maksimietäisyys, K on korjauskerroin ja h on antennin korkeus. Korjauskerrointa tarvitaan, koska radiohorisontti on näköhorisonttia pidempi aaltojen taipumisen takia. Yleisesti käytetään arvoa K = 4/3. Taajuusalueiden päällekkäisyys ja heijastukset aiheuttavat häiriöitä; taajuusalueiden käyttö hyvin säännösteltyä. Tiivistys luentokalvoista:

mitä korkeampi taajuus sitä laajempi taajuuskaista
voidaan käyttää taajuusalueella 1 – 40 GHz
käytetään runkoverkkoina ja point-to-point linkkeinä rakennusten välillä
mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antenni

Infrapunalinkki

Infrapunalinkissä siirtotie toimii infrapuna-alueella olevan valon alueella. Ko. valo ei pienen aallonpituuden vuoksi pysty läpäisemään minkäänlaisia esteitä; siksi lähettimellä ja vastaanottajalla täytyy olla näköyhteys. Käytetään esimerkiksi kaukosäätimissä, pienimuotoisen datan siirrossa. Etuna voidaan pitää sitä, että koska IR-aallot eivät läpäise esteitä, on IR-linkin tietoturva-puoli hyvä esimerkiksi yhtiön toimitiloissa käytettäessä. Radiotie Käyttäytyy kuin mikroaaltolinkki, mutta on suuntaamaton → antennien ei tarvitse olla lautasantenneja. Suurin häiriötekijä suuntaamattomuudesta johtuva monitie-eteneminen. Radioaallot ovat 3 kHz – 300 GHz:n alueella. Radiotie-linkkejä ovat mm. yleisesti näkyvät radiomastot maastossa. Satelliittilinkki Sijaitsevat tuhansien kilometrien korkeudella maasta. Tällä hetkellä satelliitteja on monessa eri kerroksessa noin 1600. Etenemisviive on suuren etäisyyden takia huomattava → noin 0.25 sekuntia. Käytetään esimerkiksi televisiokanavien jakeluun, puhelinliikenteeseen alueille johon ei mahdollista järkevää yhteyttä muuhun verkkoon, paikannukseen GPS:n avulla.

Tiivistys luentokalvoista:

kuin mikroaaltolinkki, mutta sijaitsee korkealla, maassa sijaitsevat lähettimet ja vastaanottajat linkitetty satelliiteilla
uplink / downlink –kaistat, toiminta voi olla point-to-point tai broadcast
taajuusalue 1 – 30 GHz; paras alue 1- 10 GHz
alle 1 GHz luonnollisia häiriölähteitä
yli 10 GHz vaimeneminen kasvaa rajusti
samalla kaistalla toimivat satelliitit kaukana toisistaan -> jos liian lähellä, häiriöitä

Heijastus

signaalin heijastus tapahtuu, kun se osuu pintaan joka on suuri verrattuna signaalin aallonpituuteen.
signaalin tulo- ja lähtökulma yhtäsuuret
tulevalla- ja heijastuvalla aallolla yhtäsuuri nopeus ja aallonpituus

Taipuminen

signaalin taipuminen tapahtuu, kun se osuu signaalin aallonpituutta suuremman pinnan reunaan
signaali muuttaa tällöin suuntaansa ja leviää

Sironta

signaalin sironta tapahtuu kun se osuu kohteeseen jonka kokoluokka on signaalin aallonpituus tai pienempi
signaali heijastuu tällöin joka suuntaan heijastuvasta kohteesta
sirontaa käytetään hyväksi johtimettomassa tiedonsiirrossa

Digitaalisien signaalien koodaus

Signaalien välittämisessä oleellista on tietää synkronointitaajuus (kello), signaalitasot sekä käytettävä koodaus. Sillä jos ei ole tiedossa minkä sopimuksen mukaan signaalit muodostavat mitäkin, ei ole mahdollista välittää tietoa. Luennoilla käytiin koodaustavoista lävitse NRZ-L, NRZI, Bipolar-AMI, Pseudoternary, Manchester ja Differential Manchester.

NRZ-L (Nonreturn to Zero-Level)

kaksi eri jännitetasoa biteille 1 ja 0
jännite vakiona bitin keston ajan

NRZI (Nonreturn to Zero-level inverted)

ideana ilmentää data jännitetason vaihdoilla, ei tasoilla -> varmempi siirto
jännitetaso vaihtuu aina ykkösen kohdalla
nollan kohdalla sama jännitetaso jatkuu

NRZ – koodaustapojen hyvinä puolina on niiden suunnittelun helppous sekä niiden tehokas kaistaleveyden käyttö. Huonoina puolina on synkronoinnin puute sekä tasavirtakomponentti.

Bipolar-AMI

käyttää useampaa kuin kahta jännitetasoa
ykkönen esitetty positiivisena tai negatiivisena pulssina
nolla esitetty näiden välillä olevana jännitetasona
ykkösien peräkkäinen vaihtelu esitetty vuoronperään positiivisena ja negatiivisena

Bipolar-AMI:n hyvänä puolena on helppo virheenkorjaus sekä se, ettei mukana ole tasavirtakomponenttia. Huonona puolena on pienempi kaistanleveys sekä pitkien ”0” – jonojen ongelma. Ei yhtä tehokasta kuin NRZ; kolmen jännitetason takia tarvitsee noin 3 dB (x2) kertaa enemmän tehoa välittämään saman signaalin samalla virhe-todennäköisyydellä. Pseudoternary on kuin Bipolar-AMI, mutta ykkösen ja nollan esitystavat ovat käännetty.

Machester

kaksi jännitetasoa
ideana kuljettaa kelloa signaalin kanssa samassa
tarvitsee siksi kaksi kertaa suuremman taajuuden kuin pelkkä kuljetettava data tarvitsisi
jännitetason muutos bitin keston keskellä
muutos alhaalta ylös -> ykkönen
muutos ylhäältä alas -> nolla

Differential Manchester

kaksi jännitetasoa
jännitetason muutos bitin keston alussa
bitin keston keskellä synkronoiva kello (tilanvaihto)
nolla esitetty jännitetason muutoksena
ykkönen esitetty jatkuvana tilana bitin vaihdoksessa

Hyvänä puolena Manchestereissa on datan mukana kulkeva synkronoiva kello sekä virheenkorjaus. Huonona puolena voidaan pitää kellotuksesta johtuvaa vaadittavaa kaksinkertaista kaistanleveyttä pelkän datan siirron vaatimiseen nähden.

Analogisien signaalien koodaus

Amplitude shift keying (ASK)

ideana esittää amplitudien muutoksena nolla ja ykkönen
nolla esitetään yleensä idlaavana signaalina (jatkuvana nollana)
ykkönen esitetään tiettynä siniaaltona
herkkä vahvistuksien muutoksille

Frequency shif keying (FSK)

ideana esittää ykkönen ja nolla taajuuksien muutoksilla¨
nolla esitetään pienempänä taajuutena kuin ykkönen
vähemmän herkkä vahvistuksien muutoksille kuin ASK
voidaan kuljettaa myös neljää eri taajuutta -> Multiple FSK

Phase shift keying (PSK)

ideana esittää ykkönen ja nolla vaiheen muutoksena
aina kun bitti muuttuu (0->1 tai 1->0) signaali muuttaa vaihetta
Differential PSK -> ykkösellä vaihe muuttuu

Virheenhavainnointi ja -korjaus

Asynkroninen tiedonsiirto

Tieto siirretään yksi merkki kerrallaan jolloin vastaanottajalla on mahdollisuus synkronoida järjestelmänsä aina kun uusi merkki vastaanotetaan. Tämä on halpa ja helppo tapa, mutta vaatii start- ja stop – elementit merkkien väliin → ylikapasitettia.

Synkroninen tiedonsiirto

Tieto siirretään yhtenä isona bittivirtana ilman start- ja stop – elementtejä, lähettäjä ja vastaanottaja synkronoivat toisensa saman kellon avulla. Tehokkaampaa tiedonsiirtoa varsinkin jos lähetettävä data on iso. Molemmissa tavoissa virheitä voi ilmetä

yksittäisinä bittien muutoksina
monien bittien puuskamaisina muutoksina

Virheitä voidaan yrittää korjata pariteetin, CRC:n ja FEC:n avulla.

Pariteetti

bittien ykkösien määrä tiedossa
mikäli vastaanotettavan datan ykkösien määrä on sama kuin pariteetti, oletetaan datan olevan oikea
entä jos monta bittiä muuttuu samaan aikaa pitäen pariteetin samana? -> huono

Cyclic Redundancy Check (CRC)

x – määrän biteille lähettäjä generoi y – bittisen kehyksen
lähettää x ja y – bitit sekä numeron, jolla lähetys menee jaettaessa tasan
vastaanottaja jakaa saapuvan datan tällä numerolla
mikäli ei jakojäännöstä, voidaan datan olettaa olevan oikea

FEC

FEC – enkooderi generoi lähetettävästä datasta tunnussanan (kehyksen)
vastaanottajan FEC – enkooderi vertaa tunnussanaa vastaanotettuun dataan

Linkkikerroksen protokollia

Lähetettäessä tai vastaanotettaessa dataa pitää lisätä looginen datanvaihdon hallintakerros fyysisen päälle. Tämä kerros sisältää

kehyksien synkronoinnin
vuon valvonnan
     Stop & Wait
     Sliding windows
     Go Back N
virheentunnistuksen
     kadonneet kehykset
     uudelleenlähetyksen (ARQ)
laitteiden osoitteistamisen
kontrollin hallinnan

———————————————————————————————————————————————————

Luentoyhteenveto 4

Multiplexing (kanavointi)

Siirettävää dataa voidaan jakaa monelle eri kanavalle. Tämä on järkevää, sillä usein kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia. Tätä periaatetta kutsutaan multipleksoinniksi, sitä käytetään melkein jokaisessa siirtomediassa. Ominaisuudet:

n syötettä yhdistetään samalle linjalle multiplekserillä lähetyspäässä
n syötettä kuljetetaan yhden linkin n-kanavassa siirtomediaa x-pitkin
yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan siirtojärjestelmän kaistasta
vastaanottopäässä linjasta puretaan n-syötettä käyttäen demultiplekseriä
suuri kustannustehokkuus tarvittavien siirtomedioitten vähyyden takia

Kanavoinnin jaottelu

Taajuuskanavointi (FDMA)
Aikajaksokanavointi (TDMA)
       Synkroninen
       Asynkroninen (tilastollinen)
Koodijakokanavointi (CDMA)
Aallonpituuskanavointi (WDMA)

Kanavia löytää arkielämästä; esimerkiksi FM-radion eri taajuudet ovat ikään kuin kanavia. Eri taajuudella lähettää eri asema eri ohjelmaa (taajuuskanavointi).

FDMA

Kanavat jaetaan signaalien kesken eri taajuusalueille. Jokainen signaali lähettää vain omalla kaistanleveydellään. Toimii sekä analogiselle että digitaaliselle syötteelle. Luentokalvoissa on esitetty esimerkki TV:stä: - jokaisella kanavalla 6 MHz:n kaistanleveys - tällä kaistanleveydellä siirretään mustavalko-kuva, värisävyt sekä ääni - kanava valitaan vastaanottopäässä (TV) valitsemalla kaistanpäästösuotimen parametrit siten, että vain halutun TV-kanavan kaistanleveys pääsee lävitse

Kuva FDMA:n eri taajuusalueet

TDMA

Kanavat jaetaan siten, että multiplekseri käy signaaleita vuorotellen lävitse lähettäen jokaisesta pienen osan (kehyksen) kerrallaan. Signaalin kaistanleveys määritellään signaalille varattujen kehysten määrällä per kaikki kehykset. Toimii digitaalisille sekä digitaalista signaalia kuvaaville analogisille signaaleille. Ominaisuuksia:

viipalointi voi tapahtua bittitasolla, tavutasolla tai vieläkin suuremmissa yksiköissä
synkronisessa TDMA:ssa varataan kiinteästi eri määrät kehyksiä kullekin signaalille
        ei tarvita linkkiprotokollaa, vuonvalvonta tarpeetonta kiinteän nopeuden takia
asynkronisessa TDMA:ssa kehyksien määrä varataan tarpeen mukaan kullekin signaalille
        ei hukattuja (tyhjiä) kehyksiä mikäli jokin signaali idlaa

Kuva TDMA – kanavointi

CDMA

Kanavat jaetaan siten, että jokainen bitti on jaettu pienempiin osiin ja jokaiselle kanavalle on oma bitin jakoyhdistelmänsä kuvaamaan signaaleita ”1” ja ”0”. Kun lähetetään tällainen kanavan n signaali ”1”, vain se vastaanottaja joka tunnistaa bitin jaon oman kanavansa n signaaliksi osaa tulkita sitä. Käytetään esimerkiksi PROFIBUS – kenttäväyläjärjestelmässä langattoman yhteyden koodauksena kuvaamaan masterin käskyä tietylle slave – laitteelleen. Syötteenä voi olla analogista tai digitaalista dataa analogisella signaalilla. Ominaisuuksia:

käytetään johtimettomilla siirtoteillä
bitin jakoyhdistelmän takia monet CDMA järjestelmät voivat toimia samalla alueella (esim PROFIBUS)
ei tarvita erinäistä multiplekseriä; kanavoinnista huolehtii itse lähetinlaite koodauksineen (bitin jakoyhdistelmät jokaiselle kanavalle)

Kuva CDMA – kanavointi

WDMA

Aaallonpituuskanavointi. Koska aallonpituus on taajuuden käänteisluku, käyttäytyy kuten taajuuskanavointi (FDMA). WDMA:ta käytetään yksimuotoisissa valokuiduissa tehostamaan kuidun käyttöä. Monimuotoisissa kuiduissa signaalien dispersio aiheuttaisi ongelmia pysyä kanavalle asetetulla kaistanleveydellä. Luentokalvoissa esitettiin, että Alcatel – laboratoriossa on pystytty huimaan 10.1 Tbps nopeuteen yli 100 km matkan soveltamalla WDMA – tekniikkaa. Kenties tulevaisuuden mahti-tekniikka?

Nopeiden digitaalisten tilaajalinjatekniikoiden joukko xDSL

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

yksi parikaapeli
siirtonopeus 1.5 – 9 Mbps downstream, 16 – 640 kbps upstream
asymmetrinen tiedonsiirto; downstream isompi kuin upstream
discrete multitone (DMT) – enkoodaus, analoginen
        bitit jaetaan tasan 4 kHz:n alikanaville
käytössä 256 downstream alikaistaa
        downstream välillä 33 – 256
        upstream välillä 7 – 31
        kanava 6 on varattu
        puhelinlinjalle on kanavat 1 - 6
alikanavien nopeudet 0-60 kbps
teoreettinen maksiminopeus = 256*60 kbps = 15.36 Mbps

HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line)

siirtonopeus 1.544 tai 2.048 Mbps
symmetrinen datansiirto
2 parikaapelia
2B1Q – enkoodaus, digitaalinen
taajuus 196 kHz
4 bittiä kierrossa

SDLS (Symmetric Digital Subscriber Line)

Kuin ADSL, mutta käyttää symmetristä tiedonsiirtoa; upstream ja downstream – kanavat yhtä suuret. Ei ole enää yleisesti käytössä, oli ADSL – version edeltäjä. ADSL sopii paremmin tämän päivän nettisurffailuun, jossa palvelimelle ilmoitetaan haettavan www-sivun osoite (upstream), jonka jälkeen palvelin lähettää sivun käyttäjän pääteasemalle (dowstream.)

VDSL (Very-high-rate Digital Subscriber Line)

siirtonopeus 13 – 52 Mbps downstream, 1.5 – 2.3 Mbps upstream
asymmetrinen datansiirto
1 parikaapeli
discrete multitone (DMT) – enkoodaus, analoginen
taajuus yli 10 MHz

Kaapelimodeemi

Tilaajakäytössä oleva kaapelimodeemi toimii siten, että palveluntarjoaja varaa upstream ja downstream – kanavat käyttöä varten. Kanavointina toimii yleensä asynkronien TDMA, mikäli yhteys on jaettu useamman käyttäjän kanssa. Tämä tarkoittaa sitä, että jos pieni määrä käyttäjiä on aktiivisena, ko. käyttäjät saavat suuren siirtonopeuden  käytettävissä oleva kapasiteetti jaetaan pienelle määrälle käyttäjiä. Jos taas on suuri määrä käyttäjiä, TDMA:n asymmetrinen kehystenvaraus jakaa kapasiteetin pieniin osiin  yhdelle käyttäjälle pienempi tiedonsiirtonopeus.

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

katso kotitehtävä 3 kohta bluetooth

Tele- / dataliikenne

Verkot koostuvat pääasiassa kahdesta erilaisista verkoista; piirikytketyistä ja pakettikytketyistä. Tämä jako on tapahtunut lähinnä puhelinverkkojen (piirikytketyt) ja dataverkkojen (pakettikytketyt) välillä.

Piirikytkentä

Piirikytkennässä kahden eri laitteen väliseen kommunikointiin varataan tietty linja, kaista. Tällä varauksella päästään esim. puhelinverkon loogiseen ominaisuuteen eli reaaliaikaisuuteen. Huonona puolena on, että kun tämä varaus tehdään, eivät muut yhteydet voi tätä kaistaa käyttää, vaikka kaistan varannut yhteys olisi idle – tilassa. Ominaisuuksia:

verkon verkkosolmuja (reitittimiä) kytketään peräkkäin yhteyspoluksi
jokaisessa fyysisessä linkissä loogisia kanavia omistettu eri yhteyksille
toiminta; yhteyden muodostus  datan siirto  yhteyden lopetus
piirikytkentäsolmu sisältää;
        verkkoliitännän
        digitaalisen kytkimen
        hallintayksikön
yhteydenmuodostus vie aikaa, mutta solmuviive on lähes olematon

Pakettikytkentä

Pakettikytkentä perustuu ajatukseen, että lähetettävä data pilkotaan siirtoverkon ominaisuuksista riippuviin pienempiin palasiin, joihin lisätään tieto siitä, mihin se on tarkoitus siirtää. Nyt kun paketti lähetetään verkkoon, kulkee se verkkosolmusta toiseen, ja jokainen verkkosolmu lukee paketin osoitteen, ja siirtää sen eteenpäin. Verkkoa ei varata näiden kahden pisteen väliselle siirrolle. Näin päästään tilanteeseen, jossa hyödynnetään olemassa olevaa verkkoa mahdollisimman tehokkaasti, eikä pidetä esim. jotain tärkeätä verkon linkkiä auki turhaan. Yleensä kun siirtoa tekevä sovellus ei tarvitse koko kaistanleveyttä. Ominaisuuksia:

paketit lähetetään itsenäisinä ilman linkitettyä tietoa jo lähetettyihin
peräkkäiset paketit voivat kulkea täysin eri reitin päätepisteeseen; riippuu piirin kulloisestakin tilasta
ei ole altis verkon katkeamiselle; etsii aina uuden reitin kohteeseen
pahimmassa tapauksessa ruuhka-aikaan voi tapahtua pakettien katoamista; verkkosolmut vastaanottavat niiden muistiin verrattuna liikaa paketteja  viimeisimpänä tulevat tiputetaan pois
ruuhka-aikoina myös suuret solmuviiveet

Viiveet

Nodal Processing (virheidentarkistus + seuraavan lähetyskohteen valitseminen)
Queueing (aika jonka paketti odottaa verkkosolmussa, reitittimessä, ruuhkan takia)
Transmission Delay (paketin lähettämisestä johtuva viive)
Propagation (paketin verkossa siirtämisestä johtuva viive)

———————————————————————————————————————————————

Luentoyhteenveto 5

Langattomat puhelinverkot

Perustuvat moneen pieneen lähettimeen, ei yhteen suureen. Tällä saadaan suurelle alueelle sama kuuluvuus. Luentokalvoissa esitettiin, että nämä pienet alueet on edelleen jaettu pienemmiksi, soluiksi, joissa jokaisella on omat taajuusalueensa. Vierekkäisillä soluilla on selvästi eroavat taajuusalueet, jotta signaalit eivät kuuluisi ylitse kumpaankaan verkkoon toisesta. Langattomalla verkolla on kahdenlaisia kanavia:

kontrollikanavia
        muodostaa yhteyden ja pitää sitä yllä
        pitää yhteyttä päätelaitteen (esim. kännykkä) ja pääaseman (langallinen linkki) kanssa
liikennekanavia
        kuljettaa dataa ja ääntä

3G

3G- on suurinopeuksinen pakettikytketty langaton tiedonsiirtoverkko. Toteutus valmistui vuonna 2002.

äänenlaatu verrattavissa langalliseen puhelinverkkoon
tukee nopeutta 2.048 Mbps; ulkokäytössä päästään yleensä nopeuteen 144 - 384 kbps
symmetrinen ja asymmetrinen tiedonsiirto
käyttää CDMA multipleksausta (luentoyhteenveto 4, multiplexing / CDMA)
pakettikytketty verkko
Internetin mukautuva rajapinta
yhteensopiva monien laitteiden ja uusien teknologioiden kanssa

4G

On 3G:n uusi sukupolvi; huomattavasti nopeampaa tiedonsiirtoa. Pohjautuu täysin IP-pohjaiseen toteutukseen. Ominaisuuksia:

tukee nopeutta 200 Mbps
perustuu OFDMA – kanavointiin

OFDMA (orthogonal frequency division multiple access)

Tekniikassa yhdistetään TDMA ja FDMA – kanavointia. Näin saadaan lohkottua käytettävissä oleva kapasiteetti pieniin osiin. Taajuuskanavointi muodostaa kanavat, jotka aikakanavoinnilla jaetaan kukin pienempiin osiin.

Kuva OFDMA – kanavointi taajuus- sekä aikakanavoinnilla.

LAN-verkot

LAN – verkko kuvaa paikallista verkkoa, jonka taustaverkkoon voi olla kytkeytynyt monia tietokoneita, verkkotulostimia, palvelimia, tallennusasemia (esim. SAN-verkot) ja muita laitteita, esim langattomasti WLAN:n kautta älypuhelin. Korvasivat kalliit ja kapasiteettia tuhlaavat Point-To-Point – verkot. Ideana jakaa verkko kaikkien käyttäjien kesken verkkosolmujen avulla. Uudet teknologiat ja PC:n huima tehonkasvu mahdollistavat jopa »1 Gbps nopeudet.

Topologiat

Niin LAN – verkot kuin muutkin verkot voidaan rakentaa moneen eri rakenteeseen:

puu
väylä (puun erikoistapaus, ei oksia)
rengas
tähti

Kuva Tähti, rengas, väylä ja puu - topologiat.

Topologian valinta riippuu siitä, miten ja mitä verkon halutaan tekevän. Esimerkiksi tähti-topologiassa päätelaitteet on helposti kontrolloitavissa, mutta suuren datan siirrossa keskusasema voi toimia pullonkaulana. Eniten käytetty lähellä olevien laitteiden kytkennässä. Kehä-topologia voi toimia esimerkiksi teollisuusprosessin verkkona, missä suurta ajallista tarkkuutta vaativa järjestelmä implementoidaan esimerkiksi PROFIBUS – DP – väylällä. Kehällä kun saavutetaan suuri nopeus. Heikkoutena voidaan pitää kehän haavoittuvuutta; jos linja menee poikki jostain kohtaa, systeemi ei pelaa ollenkaan.

IEEE 802.11 protokollat

MAC (Medium Acces Control)

Linkkikerroksen alikerros. Luentokalvoissa esitään, että MAC – protokollaa tarvitaan siirtotien kapasiteetin tehokkaaseen jakamiseen ja hallintaan. Eri topologioissa MAC on toteutettu eri tavalla; tähti-topologiassa keskusasema jakaa lähetysvuoroja, kun taas hajautetussa systeemissä kaikki asemat toteuttavat MAC – protokollaa. Kolme yleistä MAC – luokkaa:

Kanavan pilkkominen (OFDMA)
Random Acces, antaa laitteille mahdollisuuden lähettää kanavalla milloin vain; törmäysvaara
Vuorottelu, antaa laitteille lähetysvuoroja (TDMA)

MAC:n tehtävänä on pilkkoa lähetettävä data pienempiin paketteihin, sekä vastaanotettaessa paketteja uudelleenrakentaa ne ja tunnistaa osoitteet ja virheet.

LLC (Logical Link Control)

Linkkikerroksen alikerros, toimii MAC – kerroksen yläpuolella. Tehtävänä on toimia linkkikerroksen rajapintana ylempiin kerroksiin. Suorittaa vuonvalvontaa sekä virheiden kontrollointia.

Siltaus

LAN – verkkoja voidaan linkittää siltaamalla. Siltaus tapahtuu siten, että LAN – verkon A datapakettien MAC – osoitteet luetaan ja osoitteet, joilla on LAN – verkon B MAC - osoite, kopioidaan ja siirretään LAN B – verkkoon käyttämällä MAC – protokollaa. Siltoja voidaan tehdä useampia kuin yksi; näin voidaan linkittää monen eri verkon laitteita ilman monimutkaisempaa reititystä.

Verkkosuunnittelu

CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Acces / Collision Detecting) MAC – protokolla

Protokollan ideana on kuunnella siirtotietä ja havaita onko joku toinen lähetys käynnissä. Yksinkertaistettuna toiminta tapahtuu siten, että pääteasema ensin kuuntelee linjaa, jos linja on vapaa, se lähettää välittömästi. Ongelmaksi muodostuu se, että jos useampi kuin yksi pääteasema odottaa linjan vapautumista, tapahtuu linjan vapauduttua törmäys. Tätä pyritään välttämään menetelmällä P-persistent CSMA. P-persistent CSMA:ssa asemille määritellään todennäköisyysluku p jonka avulla asema lähettää (todennäköisyys p) tai ei lähetä (todennäköisyys 1-p). Vaikeus on osata määrittää tämä todennäköisyysluku p kaikille asemille erikseen siten, ettei törmäystä linjassa tapahdu. Luentokalvoissa sanotaan lyhyesti, että jos laitteita on linjalla n kappaletta ja kaikkien laitteiden todennäköisyysluvun p summa on d, niin törmäystä ei todennäköisesti tapahdu mikäli nd <1. Törmäyksen tunnistus tehdään vertaamalla lähetettyjen ja vastaanotettujen signaalien jännitetasoja. Tämä on vaikeaa langattomissa ratkaisuissa lähetystason ollessa moninkertainen vastaanotettuun tasoon nähden. Mikäli törmäys havaitaan, lähettää törmäyksen havainnut asema lyhyen häirintä-signaalin, jotta muut asemat tietävät että törmäys on tapahtunut.

Full Duplex

Nimitetään signaalien vaihtoa, jossa liikkuu kaksi signaalia eri suuntiin samaan aikaan. Tarvii toimiakseen erilliset adapterit molempiin päihin. Mikäli käytetään, ei ole tarvetta erillisille lähetyksen havainnointi – protokollille (CSMA / CD). Käyttää IEEE 802.3 standardin MAC – kehystä.

Gigabit – Ethernetit 10 ja 100

10 Gbps Ethernet

fyysisellä kerroksella valokuitu, parikaapeli
        kuituja 4; 10GBASE-S, 10GBASE-L, 10GBASE-E ja 10GBASE-LX4
Machester – enkoodaus fyysisellä tasolla
pakettikytketty verkko; ei kanavointia, paketit voivat tosin mennä eri reittiä päätepisteeseen

100 Gbps Ethernet

fyysisellä kerroksella valokuitu ja parikaapeli
        kuituja 3; 100GBASE-SR10, 100GBASE-LR4, 100GBASE-ER4
        SR = multimode, LR = singlemode
        fyysisen  kaapeli 100GBASE-CR10
Multiple Level Transition, 3 levels (NRZI-3 tai MLT-3) – enkoodaus (kts. kotitehtävät 3+4, ethernet)
pakettikytketty verkko; ei kanavointia, paketit voivat tosin mennä eri reittiä päätepisteeseen

Internetworking Verkkoja yhdistävä tekniikka

Tehtävänä yhdistää monia eri verkkoja toimivaksi kokonaisuudeksi, ”internetiksi”. 
kerrosmallit jokaisessa verkossa toimivat yhdessä
verkkoja yhdistävien linkkien ja siltojen hallinta
TCP / IP – protokolla tärkeässä roolissa
hallita eri verkkojen eriarvoisia muuttujia (osoitteisto, pakettikoot, virheenkorjaus, reititys ym.)

Reititys protokollia

AS (autonomous systems)

Yhden esimerkiksi LAN – verkon reititys – protokolla. Toimii yhden verkon alueella kaikissa sen laitteissa. Ilmenee siten, että pitää kirjaa verkon alueella olevista yhteyksistä (routing table).

IRP (Interior Router Protocol)

Huolehtii AS:n alueella olevien reitittimien yhteydenpidosta.

ERP (Exterior Router Protocol)

Jotta verkkojen yhdistelmät saataisiin toimimaan, niissä olevien reitittimien tarvitsee tietää oman verkon ulkopuolella olevien reitittimien osoitteita ym tietoja.

BGP (Border Gateway Protocol)

Käytetään viestien lähettämiseen TCP:n yli. Viesteillä pidetään reitittimiä yhteydessä toisiinsa, vaihdetaan tietoja tai tietokantoja keskenään.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

Sähköpostin lähettämiseen tarvittavia komponentteja

User Agent (sähköpostijärjestelmä, esim outlook) (lähettäjä + vastaanottaja)
yhteys UA:ta pyörittävältä järjestelmältä sähköpostipalvelimelle (lähettäjä + vastaanottaja)
sähköpostipalvelin (lähettäjä + vastaanottaja)
yhteys sähköpostipalvelimien välillä

Sähköposti lähetetään SMTP:llä TCP:n yli lähettäjän sähköpostipalvelimelle porttiin 25 tai 587. Posti siirtyy palvelimen agentille (mail transfer agent), joka etsii vastaanottajan palvelimen verkosta verkkotunnuksen avulla (esim yahoo tai suomi24). Palvelimen löydyttyä posti siirtyy palvelimen lähettäjä-agentille (Mail Delivery Agent), joka asettaa datalle osoitteet (headerit), muodostaa yhteyden vastaanottajan palvelimelle SMTP –client:nä ja lähettää emailin verkkoa pitkin vastaanottajan palvelimelle ja palvelin tallentaa postin oman lähettäjä-agentin avulla. Vastaanottaja käyttää sähköpostijärjestelmää (UA) päästäkseen SMPT:n avulla TCP:n yli oman sähköpostijärjestelmän palvelimelle tallennettuun postiin käsiksi.

SMTP määrittää tiedonsiirron, ei tiedon sisältöä. Voisi melkein sanoa että SMTP määrittää postin ”kirjekuoren, muttei itse kirjettä”.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista.

Kodin laitteet

Acer aspire 7745G-128T kannettava. Tietokoneessa kiinni toinen näyttö analogisella VGA-kaapelilla. Kaikki USB 2.0 portit on käytössä; hiiri, massamuisti, tulostin (bluetooth-sovitin), kannettavan jäähdytin. Kannettavasta lähtee toslink-valokaapeli vahvistimelle/soittimelle. Modeemista lähtee RJ-45 cat7 - kaapeli (kaistanleveys 600MHz) kannettavaan, sekä toinen RJ-45 cat5 - kaapeli (kaistanleveys 100MHz) Elisa Viihe palvelun digiboksille. Digiboksille tulee dvb-b signaali koaksiaalikaapelia pitkin ja se on kytketty televisioon HDMI 1.4 - kaapelilla, jossa voidaan kuljettaa kahta 1080p tasoista videokuvaa. Televisioon tulee soittimelta koaksiaali-kaapelit RCA-liitännöillä äänelle ja videolle.

Puhelin on yhteydessä modeemin WLAN:iin (IEEE 802.11 - standardi). Puhelimella voi myös asettaa Elisa Viihde - digiboksin nauhoittamaan ohjelmia, tämä tapahtuu Elisan iPhoneen kehittämällä sovelluksella.

Tärkeät kysymykset:

1. Miten Elisa viihde digiboksi tietää alkaa nauhottamaan iPhonen Elisa Viihde -sovelluksella nauhottamaan asetettua ohjelmaa? Tarkemmin, miten Elisa viihde digiboksi synkronoi tietonsa iPhonen kanssa?

2. Miten facebook synkronoi iPhonen ja läppärin? Tarkemmin, miten saat samat tiedot näkymään molemmissa laitteissa?

3. Miten data etenee reitittimien verkostossa? Tarkemmin, miten se osaa lähteä oikeaan suuntaan niin, ettei liikenne ruuhkaudu?

Kotitehtävä 2

Tehtäväkuvaus: Selvittäkää 3 eri protokollaa joita omassa ympäristössänne on käytössä ja etsikää protokollan standardi/määritelmä ja liittäkää kotitehtäväänne linkki ko. protokollaan.

Omassa kuvassani/ympäristössäni protokollia on sovelluskerroksen protokolla HTTP, verkkokerroksen protokolla DHCP, sekä fyysisen kerroksen protokolla ISO/IEC 11801, parikaapeli, twisted pair.

HTTP-protokolla:

Lyhenne sanoista Hypertext Transfer Protocol. On ollut world wide webin käytössä vuodesta 1990. On yleinen objektiivinen protokolla, jota voidaan käyttää monissa tehtävissä. Yleisesti jaettujen, yhteistyötä toisten sovelluksien/protokollien kanssa tekevien ja nopeutta vaativien hypermedia-sovellusten takia HTTP-formaatti on tehty kevyeksi ja nopeaksi vastaamaan tarpeita. HTTP-blokin esitysmuoto mahdollistaa sovelluksien rakentamisen välittömästi siirretyn datan perusteella. Sovelluskerroksen protokolla.

Omassa ympäristössäni käytössä Facebook-sovelluksen toiminnasssa.

http://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-http-v10-spec/

DHCP - protokolla

Lyhenne sanoista “Dynamic Host Configuration Protocol”. Tehtävänä jakaa annetusta osoiteavaruudesta verkkoon kytkeytyville laitteille yhteisiä, dynaamisia IP-osoitteita. Tämä helpottaa verkkoon kytkeytyvien koneiden hallintaa.

Omassa ympäristössäni käytössä silloin, kun läppäri tai iPhone kytkeytyy verkkoon, saa tälläin yhteisen dynaamisen osoitteen DHCP-palvelimelta.

http://fi.wikipedia.org/wiki/DHCP

http://technet.microsoft.com/en-us/network/bb643151

Parikaapeli, fyysisen tason protokolla, ISO/IEC 11801, twisted pair:

Datan siirron kenties perinteikkäin muoto. Yleisimmin käytössä oleva kaapeli RJ-45. Muodostuu vähintään kahdesta erisuuntaan menevästä sähköjohdosta, joita on kierretty magneettisten häiriöden pienentämiseksi. Mikäli johtimia ei kierrettäisi, muodostuisi johdinparista iso silmukka, jolla olisi induktiivista reaktanssia. Faradayn induktiolain mukaan muuttuva magneettikenttä indusoi silmukkaan magneettivuon muutosta vastustavan sähkövirran, joka ilmenisi johdinparissa juuri sähkömagneettisenä häiriönä. Nyt kun kaapelit kierretään, peräkkäiset silmukat kumoavat erisuuntaisilla induktiovirroillaan toisiaan, joten häiriöt pienenevät.

Omassa ympäristössäni käytössä RJ-45 verkkokaapeleina.

http://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_11801

https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl50a0200/luennot/l2_smg_osa_1.pdf

Kotitehtävät 3 & 4

Tehtäväkuvaus:

3 Kotitehtävässä tarkastallaan laitteiden ja palveluiden hyödyntämiä siirtoteitä ja tiedon koodausta. Eli jälleen käsitellään 3 eri tapausta ja niistä käytetty siirtotie ja sillä käytetty koodaus.

4 Tarkastallaan 4. kotitehtävässä 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.

Bluetooth

Bluetooth on langaton radioaaltoja käyttävä yhteys. Sillä voidaan kytkeä enintään 7 slave – laitetta (handsfree, tulostin, ym ym) yhteen master – laitteeseen (esim puhelin, tietokone). Laitteiden ei tarvitse olla näköyhteydellä. Kaikilla slave – laitteilla on masterin kellotaajuus, 3.2 kHz. Toiminta perustuu hajaspektri (Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)) -tekniikkaan, missä käytettävä taajuus hyppii 1 MHz:n ja n*625µs välein bluetoothin taajuusalueella 2400 – 2480 MHz (n = [0,1,2,3…]). Bluetooth-laitteessa on kolme osaa:

radio-osa
radiolinkin hallintaosa
yhteydenhallintaosa

Uusin Bluetooth – versio pohjautuu WLAN:n standardiin 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer), ja se hyödyntääkin ruuhka-aikoina WLAN:a varsin tehokkaasti jopa nopeudella 24 Mbit/s. Bluetooth käyttää digitaalista GMSK – koodausta (Gaussian Minimum Shift Keying). Tässä koodauksessa digitaalinen datavirta muotoillaan ensin Gaussialaisella filtterillä, jonka jälkeen datalle suoritetaan taajuusmodulaatio. GMSK on esitetty alla olevassa kuvassa.

Bluetooth – laitteissa lähetettävä data suojataan kryptaamalla se E0-algoritmilla. E0 generoi satunnaisen lukujonon ja yhdistää sen XOR – operaatiolla lähetettävän datan kanssa. Saatu data lähetetään ja vain vastaanottaja jolla on sama ”Cipher Key” voi vastaanottaa ja avata saapuvan datan. ”Cipher Key” yleensä määritellään jo Bluetooth- yhteyden määritysvaiheessa.

Bluetooth käyttää CDMA - kanavointia (Koodijakokanavointi). Jokaiselle Bluetooth - verkkoon kytkeytyvälle slave - laitteelle generoidaan omat signaali-avaimet, jotka vastaavat bittejä “1” ja “0”. Kun Master - laite haluaa keskustella tietyn slaven kanssa, käyttää se ko. slavelle generoituja bittien signaali-avaimia. Katso luentoyhteenvedon 4 kohta CDMA tarkempaa selvitystä varten.

Ethernet

Ethernet on langallinen, nykyään yleisimmin parikaapelilla RJ-45 toteutettu lähiverkkoratkaisu. Omassa ympäristössäni Facebook – sovellus kommunikoi fyysisesti serverin kanssa ensin tietokoneesta lähtevää RJ-45 – pitkin, sitten modeemin kautta puhelinkaapeliin ja aina edelleen runkojohtoa pitkin serverille, joka voi sijaita jossain toisessa LAN – verkossa. 10 Mbps ja alle nopeuksissa käytetään Manchester – koodausta. Koska Manchester – koodauksessa signaalin mukana kuljetetaan kelloa, 10 Mbps nopeus Ethernetin yli vaatii 20 MHz:n taajuuden, ja 100 Mbps nopeus 200 MHz:n taajuuden jne. Suurin nopeuksiin mentäessä tämä on tehotonta.

Yli 10 Mbit:n sovelluksissa käytetään 100BASE-TX koodausmenetelmää. Siinä fyysinen liikenne parikaapelia pitkin on esitetty NRZI-3 koodauksella.

Multiple Level Transition, 3 levels (NRZI-3 tai MLT-3)

tehokkaampi kaistankäyttö Non-Return-to-Zero – periaatteella
synkronoinnin katoaminen pitkässä jonossa ”0” – signaalia on kierretty 4B5B – käännöksellä

4B5B – käännös muuntaa jokaisen neljän bitin jonon viiden bitin jonoksi ja lähettää tämän 5-bittisen jonon 4-bittisen sijaan. Kun viiden bitin jonolla on 32 mahdollista arvoa neljän bitin 16 sijaan, ylitsejäävät arvot on käytetty merkkaamaan datan lähetyksen aloitusta ja lopetusta sekä synkronoivaa kelloa. Nyt kun järjestelmä lähettää pitkää jonoa ”0” – signaalia, eli idlaa, järjestelmät synkronoivat toisensa tällä viidennellä bitillä.

Ethernet on pakettikytkentäinen verkko (katso luentoyhteenveto 4, pakettikytkentä), jossa ei käytetä kanavointia. Jokainen siirrettävä paketti saa tiedonsiirron ajaksi koko käytössä olevan kaistan. Pakettien siirtämisestä huolehtii Ethernet - verkossa olevat verkkosolmut (reitittimet), jotka reitittävät niihin saapuvia paketteja pakettien sisällä olevan ohjausdatan (osoite, järjestysnumero) perusteella.

Toslink (EIAJ optical)

Toslink on 1mm:n paksuisella muovi-ytimellä varustettu LED – pohjainen valokuitukaapeli. Ominaisuuksia:

kaistanleveys jopa 10 MHz
lähettää 650nm aallonpituista valoa (f = 461.2 THz)
ei ota sähkömagneettisia häiriöitä -> siirtotapana valosignaali
teoreettinen suurin siirtoetäisyys noin 10m
käytetään yleensä siirtämään digitaalista audiosignaalia Dolby Digital- tai DTS – dekoodereille
liittiminä käytetään useimmiten JIS F05 – liittimiä4

Toslinkin ylitse data kulkee S/PDIF – formaatin (Sony / Philips Digital interconnect Format) mukaisesti Differential Manchester – koodaustavalla. Toslink käyttää taajuuskanavointia (katso kohta FDMA luentoyhteenvedosta 4), käytössä oleva taajuusalue on 0 - 10 MHz.

Kotitehtävä 5

Tehtäväkuvaus:

Kokonaiskuva sovelluksen käyttäytymisestä eli pohtikaa yksittäisen sovelluksen (oma valinta) toimintaa aina sovellustasosta varsinaiseen bittien siirtoon. Pyrkikää luomaan kokonaiskuva, jossa kurssilla käydyt asiat nivoutuvat yhteen.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

Sähköpostin lähettäminen SMTP:llä

Käyttäjä kirjoittaa välitettävän sähköpostiviestin sovelluskerroksen sovelluksella, sähköpostisovelluksella (MUA, message user agent) (esim. outlook tai suomi24). Kun ASCII -muotoinen viesti halutaan lähettää, pitää lähetettävä data pilkkoa pienempiin osiin LAN - verkon pakettikynnän mukaisesti ja jokaiseen pakettiin tarvii lisätä header, joka määrittää määränpään osoitteen. Tässä tapauksessa se on käytetyn sähköpostisovelluksen palvelin. Osoite, header, koostuu linkkikerroksen osoitteesta MAC, verkkokerroksen osoitteesta IP ja kuljetuskerroksen TCP -osoitteesta (portti). MAC määrittää sähköpostipalvelimen fyysisen sijainnin verkossa, IP määrittää missä verkkosolmussa palvelin sijaitsee ja TCP kertoo mitä porttia sähköpostipavelin kuuntelee.

Nyt kun paketteja lähetetään lähettäjä-palvelimelle (MSA, message server agent), lähettäjän verkkokortti muuntaa lähetettävät paketit NRZI-3 enkoodauksella kolmi-jännitetasoiseen Non-Return-to-Zero muotoon, jossa liikenteen syknronisointi on toteutettu tavalla, jossa jokaiseen 4:n bitin sarjaan lisätään 5.s bitti kuvaamaan järjestelmän kelloa ja pakettien lähettämisen aloitusta ja lopetusta. Nyt kun paketit on enkoodattu, lähetetään ne RJ-45 - parikaapelia pitkin ensin ADSL-modeemille, missä suoritetaan DMT - taajuusmodulointi ADSL - modeemin käytettävissä olevalle kaistanleveydelle. ADSL - modeemi lähettää paketit analogisena puhelinverkkoa pitkin seuraavalle verkonsolmulle pakettien osoitteiden (header) perusteella, jossa vastaanottava verkonsolmu ensin vastaanottaa paketin, konstruoi saapuvan datan, jotta voi lukea paketin headerista mihin se on menossa, asettaa sen jonoon ja lähettää sen eteenpäin linjan vapauduttua. Tätä toistetaan aina niin kauan kunnes saavutaan solmuun, jossa sähköpostipalvelin (MSA) sijaitsee. Paketit voivat saapua määränpäähänsä kukin eri reittiä. Viimeinen verkkosolmu lähettää datan sähköpostipalvelimelle (MSA), jota ennen suoritetaan käänteinen DMT-modulaatio saapuvasta signaalista NRZI-3 muotoon. Nyt Non-Return-to-Zero muotoinen paketti menee parikaapelia pitkin palvelimen verkkokorttiin, jossa se muunnetaan palvelille määrättyyn muotoon.

Palvelimelle (MSA) saapuessaan paketit kootaan headerin avulla yhtenäiseksi dataksi. Jos paketteja puuttuu, palvelin lähettää viestin siitä, ja lähettäjä lähettää paketteja uudestaan. Data konstruoidaan sovelluskerrokselle asti. Palvelin kuittaa viestin saaduksi, ja siirtää sen mail transfer agent - sovellukseensa (MTA), joka etsii vastaanottajan palvelimen (EX) sijainnin verkosta. Tämä tapahtuu vastaanottajan sähköpostiosoitteen avulla (esim. hotmail tai lut). Kun vastaanottajan palvelimen sijainti on tiedossa, posti-data siirtyy toiselle pavelimen sovellukselle mail delivery agent (MDA), joka pilkkoo taas datan paketteihin, asettaa niihin headerit ja lähettää sen vastaanottajan palvelimelle. Mail delivery agent muodostaa yhteyden vastaanottajan palvelimelle (EX) SMTP-clienttinä, ja vastaanottaja-palvelimen niin salliessa lähettää data-paketit jo edellä mainituin tavoin verkkoon.

Data-paketit kulkevat verkkosolmulta toiselle; jokainen verkkosolmu lukee paketin headerin ja ohjaa pakettia eteenpäin. Kun paketit saapuvat kukin mitäkin reittiä vastaanottajan sähköpostipalvelimelle, palvelin kokoaa paketeista yhtenäisen datan. Data konstruoidaan taas sovelluskerrokselle, jonka jälkeen se menee palvelimen mail delivery agent:lle (MDA), joka tallentaa sen palvelimen käytettävissä olevaan muistiin (kiintolevy, flash ym.).

Nyt kun vastaanottaja haluaa lukea sähköpostinsa, täytyy hänen sähköpostisovelluksella (MUA) kirjautua palveluun, eli muodostaa yhteys sähköpostipalvelunsa palvelimelle. Tämä yhteys muodostetaan samoin, kun lähettäjä muodostaa yhteyden omaan lähettäjä-palvelimeensa. Yhteyden muodostuttua käyttäjä voi hakea tallennetun viestin palvelimen muistista sähköpostisovelluksellaan ja lukea viestin.

Ajankäytön arviointi

  • Luentoviikko 1
    • Lähiopetus 7 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 1 h
    • Kotitehtävien tekoa 3 h
  • Luentoviikko 2
    • Lähiopetus 4 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen 0.5 h
    • Kotitehtävien tekoa 8 h
  • Luentoviikko 3
    • Lähiopetus 4
    • Kotitehtävien tekoa 12 h
  • Luentoviikko 4
    • Lähiopetus 0 h
    • Kotitehtävien tekoa 8 h
  • Luentoviikko 5
    • Lähiopetus 0 h
    • Kotitehtävien tekoa 7 h

—- Yhteensä

  • Lähiopetus 15 h
  • Valmistautumista opetukseen 1.5 h
  • Kotitehtävien tekoa 38 h
  • Yhteensä 54.5 h

Pääsivulle