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.

Ennakkotehtävä 1. “Mitä tietoliikenne sinulla merkitsee kurssin alussa?”

Tietoliikenne tarkoittaa minulle yhteiskuntaa. Kukapa ei olisi päivittäin tekemisissä tietokoneiden, TV:n tai puhelimien kanssa. Vaikka olenkin paljon tekemisissä tietokoneiden ja puhelimien kanssa, ovat lähes kaikki tietoliikenteen taustalla tapahtuvat asiat termejä lukuunottamatta hepreaa.

Avainsanat: TCP/IP, HTTP, FTP, LAN, GPS, WLAN

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1: Luennolla käytiin läpi jonkin verran jo ennestään tuttua asiaa (Kommunikointimallit, tiedonsiirto, kytkentätekniikat). Uutena tuttavuutena kerrosarkkitehtuuri. Vaikka OSI ja TCP/IP oli termeinä tuttuja, oli niiden yksityiskohtainen toimintaperiaate itselleni uutta asiaa. TCP/IP-arkkitehtuurista erittäin paljon uutta yksityiskohtaista tietoa, josta osa jäi vielä vähän hämärän peittoon.

Luentopäivä 2: Luennolla käytiin tällä kertaa yleisemmällä tasolla protokollia läpi. Protokolla koostuu syntaksista, semantiikasta ja ajoituksesta. Protokollien perustoimintoja ovat segmentointi ja kokoaminen, paketointi, yhteyden hallinta, toimitus oikeassa järjestyksessä, vuon valvonta, virheen havainnointi, osoitteet, kanavointi ja kuljetuspalvelut. Protokollan tehtävä välittää dataa kahden olion välillä.

Tärkeimpiä tietoliikenteen standardointiorganisaatioita: Internet Society, ISO, ITU-T, ATM Forum ja IEEE. IETF on internetin standardointiorganisaation ydin.

Luennoilla käytiin myös läpi tiedonsiirtoa ja signaaleja, jotka oli ennestään tuttua asiaa.

Luentopäivä 3:

Luennolla käytiin läpi erilaiset yleisimmin käytetyt siirtotiet ja niiden käyttökohteet. Parikaapelia käytetään esimerkiksi puhelinverkoissa ja dataverkoissa. Koaksiaalikaapeli on yleisesti käytössä TV-jakeluverkoissa. Sekä parikaapelilla, että koaksiaalikaapelilla voidaan lähettää digitaalisia ja analogisia signaaleja. Optisen kuidun tärkeimpiä käyttökohteita ovat runkoverkot, sillä optisilla kuiduilla on mahdollista saavuttaa erittäin suuri kapasiteetti. Optiset kuidut eivät ole herkkiä ulkoisillle sähkömagneettisille häiriöille. Myös sähköjohdon mukana on mahdollista siirtää dataa, mutta sähköverkoissa on paljon kohinaa ja häiriöitä.

Johtimettomat siirtotiet voidaan jakaa suunnattuihin ja suuntaamattomiin. Suunnatussa ilmasiirtotiessä antennien on oltava tarkasti toisiaan kohden. Mikroaaltolinkit ovat tarkasti suunnattuja lautasantenneja. Käytetään runkoverkkoihin ja point-to-point linkkeihin. Satelliittilinkit toimivat mikroaaltolinkkien tavoin. Satelliittilinkkejä käytetään lähinnä televisio- ja puhelinliikenteeseen. Ilmatie on siirtotienä hyvin häiriöherkkä ja siihen vaikuttavat esimerkiksi sää, esteet ympäristössä ja signaalinen vaimentuminen etäisyyden kasvaessa.

Luennolla käytiin läpi yleisimpiä ja käytetyimpiä modulaatio- ja koodausmenetelmiä. FSK, QAM, BPSK, QPSK, Manchester. Asynkroninen ja synkroninen tiedonsiirto. Synkroninen tiedonsiirto vaatii, että lähettävä ja vastaanottava osapuoli ovat synkronoitu kellosignaalilla.

Luentopäivä 4:

Luennolla käytiin läpi multipleksointia eli kanavointia. Kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei yleensä käytä koko käytössä olevaa kapasiteettia, joten siirtokapasiteettia voidaan jakaa useamman siirrettävän signaalinen kesken. Kanavoinnin perusteina on suurempi käyttöaste, joka johtaa halvempaan hintaan per bps. Kanavointi voidaan jakaa useampaan luokkaan. FDMA (Frequency Division Multiple Access) käytetään esimerkiksi TV-kanavien ja radiolähetyksen välittämiseen. Signaali on aina analoginen. Kanavat erotellaan toisistaan (6MHz taajuuskaista/kanava). TDMA (Time Division Multiple Access) perustuu signaalien viipalointiin (aikajako). Esimerkiksi GSM käyttää TDMA. CDMA (Code Division Multiple Access) mahdollistaa useamman signaalin lähettämisen samalla kanavalla.

Tietoliikenne on perinteisesti jaettu teleliikenteeseen ja dataliikenteeseen johtuen eri sovellusten erilaisista vaatimuksista. Teleliikenteessä käytetään piirikytkentäisiä verkkoja. Kyseinen verkko on käytössä koko yhteyden ajan vaikka dataa ei kuljekaan. Pakettikytkentäiset verkot perustuvat datan pilkkomiseen pienempiin osiin joihinka liitetään tarvittavat kontrolli-informaatiot ja itse data. Tietosähkeenä paketit lähetetään toisistaan riippumattomina paketteina ja ne saavat saapua määränpäähän mielivaltaisessa järjestyksessä. Vastaanottaja järjestää paketit oikeaan järjestykseen. Virtuaalipiirissä lähettäjä etsii sopivimman reitin vastaanottajalle ja paketit lähetetään vakioreittiä pitkin.

Reititysstrategiat: Flooding, jokainen solmukohta lähettää paketit jokaiseen yhteydessä olevaan solmuun. Jos paketteihin lisätään hyppyjen määrä, tällä tavalla löydetään nopein reitti kohteesta A kohteeseen B. Aiheuttaa ylimääräistä kuormaa verkkoon. Satunnainen reititys valitsee satunnaisen solmun johonka paketti lähetetään. Satunnainen reititys ei ole tehokasta. Mukautuva reititys tarvitsee tietoa verkon tilasta, mutta nimensä mukaisesti pystyy mukautumaan verkossa tapahtuviin muutoksiin (kuormitus, vikatilanteet). Kuormituksen hallinta on tärkeä osa reititystä. Ilman kuormituksen hallintaa on mahdollista, että osa lähetetyistä paketeista katoaa matkalla tai viiveet kasvavat huomattavan suuriksi.

Luentopäivä 5:

Luennolla käytiin läpi asiaa matkapuhelinverkoista, langattomista verkoista ja lähiverkoista. Matkapuhelinverkot koostuvat soluista, joilla jokaisella on oma käytettävä taajuutensa ja omat tukiasemansa. Tällä hetkellä useimmiten käytössä 3G, tulevaisuudessa 4G.

LAN:ien arkkitehtuuri määritellään normaalisti kerrosmallin mukaisesti, kattaen 2 OSI:n kerrosta eli fyysisen ja linkkikerroksen. LAN:ssa siirtoteinä koaksiaali- ja parikaapeli, optinen kuitu ja radiotie. Mahdollisia LAN-topologioita ovat väylä, puu, rengas ja tähti. MAC-protokolla: missä ja kuinka? Sillatut LAN-verkot ovat luotettavia, suorituskykyisiä ja turvallisia. Nykyään tekniikka alkaa mahdollistaa suurinopeuksiset lähiverkot (10, 100 Gbps Ethernet).

Luottamuksellisuus, saatavuus, eheys. Tietoturvasta kokoelma mahdollisista uhkista.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

Luo kuva työpaikan/kodin/kämpän/jonkin tutun paikan tietoliikenteeseen kuuluvista laitteista, niiden käytöstä ja jopa yhteen linkittymisestä sekä niissä käytetyistä palveluista. Valitse selkeästi erillisiä laitteita tyyliin tietokone, puhelin, sykemittari, gps, televisio, … ja erilaisista palveluista tyyliin urho-tv, facebook, …. Ajatuksena on, että tässä vaiheessa luodaan kuva tietoliikennetarpeista ja sovelluksista ilman, että vielä pohditaan alla olevia teknologioita. Tämän kuvan olisi hyvä herättää ajatuksia ja kysymyksiä siitä kuinka kaikki toimiikaan. Kirjaa näkyville kolme mielestäsi tärkeintä kysymystä, jotka haluat selvittää.

kotitehtaevae1_0326848.png

Kysymys 1: Millä tavoin taajuushäirintää vastaan voidaan suojautua?

Kysymys 2: Kuinka langaton tietoliikenne löytää oikean käyttäjän?

Kysymys 3: Onko suomella kriisitilanteessa vaihtoehtoa GPS:lle?

Kotitehtävä 2

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

Protokolla 1: TCP (Transmission Control Protocol) http://www.ietf.org/rfc/rfc793.txt

Protokolla 2: FTP (File Transfer Protocol) http://www.ietf.org/rfc/rfc959.txt

Protokolla 3: POP3 (Post Office Protocol - Version 3) http://www.ietf.org/rfc/rfc1939.txt

Kotitehtävä 3

Kolmannessa kotitehtävässä tarkastallaan 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.

HSDPA: HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) on parannettu 3g-protokolla. Euroopassa taajuusalueena käytetään band 1 (2100MHz). Koodauksena käytetään QPSK ja 16-QAM.

Ethernet: Yleisin lähiverkkotekniikka. Standardi IEEE 802.3 (http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html. Käyttää Manchester-koodausta.

Bluetooth: Langaton siirtotie, taajuusalueena 2.402GHz-2.480GHz. Koodauksena GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying).

Kotitehtävä 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.

ASDL: Käyttää DMT-tekniikkaa (Discrete Multitone) eli bitit jaetaan 4kHz alikanaville.

UTMS: Käyttää WCDMA-tekniikkaa, jossa käytetään koko taajuusalue ja kaikki aikaviipaleet. Mahdollistaa useammalle käyttäjälle lähetettävän signaalin samalla kanavalla.

Bluetooth: Bluetooth käyttää koodijakokanavointia (CDMA). Koodausavaimena Bluetoothissa toimii laitteen laiteosoite. Lähettävä päätelaite tekee koodinjakokanavoinnin.

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.

SMTP: SMTP-protokolla (Simple Mail Transfer Protocol) on määritelty http://www.apps.ietf.org/rfc/rfc2821.html.

Kerrosmallin mukaan sovelluskerroksen sovellus eli tässä tapauksessa sähköpostisovellus, joka käyttää SMTP-protokollaa lähettää viestin vastaanottavalle taholle TCP-protokollaa käyttäen. Internet protokolla lisää lähettävään viestiin osoitetiedon, joka sitte lähetetään valittua siirtotietä pitkin vastaanottajalle.

             +----------+                +----------+
 +------+    |          |                |          |
 | User |<-->|          |      SMTP      |          |
 +------+    |  Client- |Commands/Replies| Server-  |
 +------+    |   SMTP   |<-------------->|    SMTP  |    +------+
 | File |<-->|          |    and Mail    |          |<-->| File |
 |System|    |          |                |          |    |System|
 +------+    +----------+                +----------+    +------+
              SMTP client                SMTP server
              

Kuva 1. RFC 2821

Käytännössä SMTP-protokollan mukainen yhteys koostuu muutamasta askeleesta. Ensimmäiseksi käyttäjä lähettää palvelimelle käyttäjätiedon komennolla EHLO (tai HELO). Sen jälkeen sovellus lähettää viestin, joka sisältää lähettäjätiedon, vastaanottajan tiedon ja itse lähetettävän sähköpostin. Jos lähetys on onnistunut, palvelin vastaa lähettäjälle 250 OK, jonka jälkeen lähettäjä sulkee yhteyden.

SMTP-protokolla itsessään ei sisällä minkäänlaista tietoturvaa, vaan viestien kaappaaminen ja väärentäminen on suhteellisen helppoa. Käytännössä sähköpostien tietoturva hoidetaan useimmiten käyttämällä esimerkiksi S/MIME tai PGP. Käytännössä viestiin siis sisällytetään digitaalinen allekirjoitus.

Viikoittainen ajankäyttö

  • Luentoviikko 1
    • Lähiopetus: 6 h
    • Valmistautumista lähiopetukseen: 0h
    • Kotitehtävien tekoa: 3h
  • Luentoviikko 2
    • Lähiopetus: 6h
    • Valmistautumista lähiopetukseen: 2h
    • Kotitehtävien tekoa: 2h
  • Luentoviikko 3
    • Lähiopetus: 6h
    • Valmistautumista lähiopetukseen: 2h
    • Kotitehtävien tekoa: 2h
  • Luentoviikko 4
    • Lähiopetus: 6h
    • Valmistautumista lähiopetukseen: 2h
    • Kotitehtävien tekoa: 2,5h
  • Luentoviikko 5
    • Lähiopetus: 6h
    • Valmistautumista lähiopetukseen: 0h
    • Kotitehtävien tekoa: 5h