Tuomas Linnavirran kurssisivu

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikennetekniikan merkitys nyky-yhteiskunnassa on valtava. Minäkin käytän päivittäin useita tunteja erilaisten tietoliikennetekniikan sovellusten parissa. Tästä huolimatta sovellusten taustalla olevasta tekniikasta minulla on varsin heikot pohjatiedot. Kurssilla toivonkin oppivani perusteet tietoliikennetekniikan sovelluksista ja näiden teknillisistä toteutuksista.

Päivittäin käytettävistä tietoliikennetekniikan sovelluksista ensimmäisenä minulle tulevat mieleen seuraavat sovelluskohteet: internet, tv, radio ja matkapuhelin.

Internet on etenkin hyvin keskeisessä osassa tietoliikennetekniikkaa ja internetin yleistyminen onkin mullistanut toimialaa, sillä se on luonut aivan uudenlaisia mahdollisuuksia tiedonsiirtoon. Tähän liittyviä tuttuja termejä ovat muun muassa seuraavat: www, adsl, wlan ja IP.

Matkapuhelinten käyttö yhdistää monia eri tietoliikennetekniikan sovelluksia, sillä kännykän avulla voidaan verkon kautta puhetta, tekstiä ja kuvia. Matkapuhelimilla voidaan käyttää myös gps:ää, bluetoothia, wlania sekä internettiä.

Radiot ja TV:t ovat jo useita vuosikymmeniä käytössä olleita sovelluskohteita. Näiden käytössä hyödynnetään tiettyjä taajuusalueita, joita pitkin lähetetään ja vastaanotetaan tietoa.

Yleisiä tietoliikennetekniikkaan liittyviä termejä mieleeni nousee useita. Näitä ovat muun muassa satelliitit, antennit, protokollat, verkko, vastaanotin, lähetin ja viestin salaus. Tietoliikennetekniikka on ala, jonka kehitys on lähes eksponentiaalista ja alalla kaikki muuttuu valtavaa nopeutta.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1:

Ensimmäisellä luennolla käytiin paljon uutta asiaa. Kurssi aloitettiin tuttuun tapaan läpikäymällä kurssin käytäntöjä ja yleisiä asioita. Tämän jälkeen käytiin läpi tietoliikennetekniikan yleisiä mielikuvia sekä toimialalla vallitsevia trendejä. Tämä osio oli osittain tuttua, mutta kuitenkin mielenkiintoista, sillä se vahvisti omaa kuvaani tietoliikennetekniikan merkityksestä. Ahaa-elämykset liittyivät ennalta tuttuihin sovellusalueisiin, joita ei ennen mielessään liittänyt niinkään tietoliikennetekniikkaan. Tällainen oli mm. yliopiston kulunvalvonta avain, jonka käyttö perustuu tietoliikennetekniikkaan.

Ensimmäisenä varsinaisena fokus-asiana kävimme kommunikointimallia. Tämän on malli, joka kuvaa tietoliikenneprosessia. Tämän mukaan tiedonsiirtoon tarvitaan oikeanlaiset laitteet, toiminnot laitteissa ja niiden väleillä, oikeanlainen tiedon muoto, siirrettävän tiedon eteneminen sekä lähettäjä ja vastaanottaja. Tämä aihealue oli esitetty selkeästi ja ymmärsin ydinasian.

Toinen merkittävä asiakokonaisuus oli kerrosarkkitehtuuri. Tämä korostaa yhteisten ”sääntöjen” eli protokollien merkityksen tietoliikenteen toimimiseksi. Pelkistettynä kerrosmallina esitettiin Stallingsin 3-kerrosmalli, jota havainnollistettiin hyvin johtajalla, sihteerillä ja kuriirilla. Jokaisen tiedonsiirtoon osallistuvan laitteen osalta on konfiguraatioiden oltava yhteensopivat jokaisessa näissä kerroksessa. Tiedonsiirtojärjestelmää on helpompi hallinnoida, kun se on jaettu pienempiin osiin. 3-kerromallia tarkemmin jaettuja ovat OSI sekä TCP/IP mallit. Tämän aihealueen täysi sisäistäminen on haastavaa, sillä asia menee jo melkoisen tekniseksi. Uskon kuitenkin jo oppineeni kerrosarkkitehtuurin peruspiirteet.

Luentopäivä 2:

Toisen luentopäivän agendana olivat protokollat, standardointi, datasiirto ja siirtotiet. Päivä aloitettiin kuitenkin pistokokeilla ensimmäisen päivän asioista. Pistarit menivät kohtuullisen hyvin ja samalla sai virkistettyä muistiaan ensimmäisen kerran asioista. Puhelintulkkaus tehtävä toimi mielenkiintoisena esimerkkinä kerrosmallista sekä reitittimistä ja se havainnoillisti varsin konkreettisella tavalla asiaa.

Ensimmäisenä asiakokonaisuudessa käsittelimme jo ensimmäisenä luentopäivänä sivuutettuja protokollia. Keskeisenä oppina tässä oli muun muassa se, että protokollat muodostuvat kolmesta osa-alueesta: syntaksista, semantiikasta ja ajoituksesta. Eri olioiden kommunikointi on mahdollista vain kun ne puhuvat samaa ”kieltä” eli näiden välillä on yhteinen syntaksi, semantiikka ja ajoitus. Protokolliin liittyy keskeisesti myös segmentointi eli tiedon pilkkominen erilaisiin datalohkoihin, joita käsitellään eri kerroksilla.

Toisena asiakokonaisuutena käsiteltiin standardointia, jota tarvitaan huolehtimaan niin fyysisestä, sähköisestä kuin toiminnallisesta yhteensopivuudesta eri järjestelmien välillä. Standardointi on välttämättömyys tietoliikenteessä, sillä se mahdollistaa laitteiden markkinasovellukset ja yhteensopivuuden. Sen haittana kuitenkin nähdään niiden teknologiaa jäädyttävä vaikutus sekä eri standardien välille tehdyt kompromissit.

Kolmas käsitelty kokonaisuus oli datasiirto (tiedonsiirto). Tiedonsiirron onnistuminen riippuu etenkin kahdesta tekijästä: lähetetyn signaalin laadusta sekä siirtomedian (siirtotie) ominaisuuksista. Datansiirto voi olla yksisuuntaista (televisio) vuorosuuntaista (radiopuhelin) tai kaksisuuntaista (puhelin). Aiheeseen liittyvät signaalit ja näiden aaltoliike. Luennon mielenkiintoisin ahaa-elämys syntyi, kun analogisen ja digitaalisen signaalin eroja käsiteltiin. Tämän avulla on helppo ymmärtää miksi analoginen tv-lähetys voi olla ”lumisadetta” ja digitaalisen lähetyksen kuva on aina terävä. Vastaavasti, kun digitaalisen tv-lähetyksen signaalissa on ongelmia lumisateen sijaan kuva häviää kokonaan.

Viimeinen luentoaihe käsitteli siirtoteitä. Siirtotiet voivat olla joko johtimellisia tai johtomettomia (langattomia). Johtimellisessa siirrossa siirtotiellä on suurempi vaikutus tiedonsiirron laatuun, kun taas johtimettomassa signaalin kaistanleveys ja antennin ominaisuudet ovat siirtotienominaisuuksia tärkeämpiä. Luennolla esiteltiin erilaisten siirtoteiden ominaisuuksia. Parikaapeli toi epämiellyttäviä muistoja armeijasta.

Luentopäivä 3:

Kolmannella luennolla jatkettiin siirtoteiden käsittelyä. Lisäksi käytiin signaalin koodaus menetelmiä, digitaalista kommunikointitekniikkaa ja datayhteyden kontrollointi protokollia. Siirtoteiden osalta käytiin paljon jo viimeviikon luentopäiväkirjassa mainittuja asioita. Mielenkiintoisena faktana mieleeni jäi, että muita johtimellisia siirtoteitä paljon tehokkaampi optinen kuitu ei varsinaisesti olekkaan muita kalliimpi. Optisesta kuidusta kalliin tekee se, että sen päätyihin tarvitaan kallista tekniikkaa. Kun päätyjen tekniikkaa saadaan kehitettyä, voidaan optista kuitua pitää parhaana johtimellisena siirtotienä lähes kaikissa tapauksissa.

Seuraava asia, eli signaalien koodaus oli minulle pääosin uutta asiaa. Koska en ole kovinkaan edistyksellinen tietotekniikan osaaja, osa tästä meni myös yli ymmärryksen. Luentojen perusteella opin, että signaalit voidaan koodata neljällä eri tavalla. Nämä ovat:

1) Digitaalinen data, digitaalinen signaali

2) Digitaalinen data, analoginen signaali

3) Analoginen data, digitaalinen signaali

4) Analoginen data, analoginen signaali

Kommunikointitekniikassa keskeistä on se, että ajastusongelmien vuoksi on lähetin ja vastaanotin synkronoitava, jotteivat bitit mene sekaisin. Synkronointi on joko tahdistamatonta (Asynchronous) tai samanaikaista (synchronous). Yhteyden kontrollointiprotokollien avulla hallitaan tiedonsiirtoa. Sen hallintakeinoja ovat: Kehysten synkronointi, vuon hallinta, virheiden hallinta, osoittaminen ja linkkien hallinta.

Luentopäivä 4:

Neljännellä luennolla ensimmäinen käsitelty aihe oli kanavointi eli multiplexaus. Se tarkoittaa siirtotien kapasiteetin jakamista usemman siirrettävän siganaalin kesken. Kanavointi perustuu multipleksereiden käyttöön eli monta syötettä yhdistetään yhdelle linjalle lähetyspäässä ja vastaanottopäässä ne puretaan jälleen. Yhdellä linjalla on siis monta kanavaa käytössä, kuten televisiossa. Kanavoinnissa on neljä erilaista luokkaa: taajuusjakokanavointi, aikajakokanavointi, koodijakokanavointi ja aallonpituusjakokanavointi.

Taajuuskanavointi (FDMA): Kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle. Perustuu eri signaalien modulointiin eri taajuisille kantoaalloille. Kanava tarkoittaa kantoaallon kohdalle keskittynyttä kaistanleveyttä. Eri kanavien väliin jätetään riittävän suuri varmuusväli estämään kanavien väliset häiriöt.

Aikajakokanavointi (TDMA) Perustuu eri signaalien viipalointiin eli aikajakoon. Viipalointi voi tapahtua bittitasolla, tavutasolla tai suuremmissa yksiköissä.

Koodijakokanavointi (CDMA): Käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet. Signaalin lähettävä päätelaite huolehtii koodijakokanavoinnista.

Aallonpituusjakokanavointi (WCDMA): Laajakaistainen koodijakokanavointi, jossa sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille ja pienemmille suurempi signaalinvahvistus.

Toisena asiakokonaisuutena käsiteltiin tele- ja dataliikennettä sekä piiri- ja pakettikytkentää. Tietoliikenne on jattu tele- ja dataliikenteeseen ja jako perustuu sovellusten (ääni/data) erilaiseen vaatimukseen. Merkittävänä erona on se, että teleliikenteessä ääni tarvitsee reaaliaikaisen kommunikointiväylän. Tähän käytetään piirikytkentää. Datalle taas on tärkeämpää, että kommunikointiväyliä käytetään mahdollisimman tehokkaasti. Tähän käytetään pakettikytkentää.

Piirikytkentään perustuva kommunikaatio edellyttää määritellyn yhteyspolun kahden aseman välille. Yhteyspolku on kytketty peräkkäisillä verkkosolmujen välisillä linkeillä ja jokaisessa fyysisessä linkissä on loogisia kanavia omistettu viestinvälitykselle ja eri yhteyksille. Viestinvälitys pitkin piirikytkentäistä verkkoa sisältää kolme vaihetta: yhteyden muodostus (piirin muodostus), datan siirto ja yhteyden lopetus (piirin purku).

Pakettikytkentä perustuu datan pilkkomiseen pieniin paketteihin siirtoa varten. Nämä datapaketit sisältävät tietoa itse siirrettävän tiedon sekä kontrolli-informaatiota. Verrattuna piirikytkentään pakettikytkentä on paljon tehokkaampi ja se voi lisäksi suorittaa datanopeuden muunnoksen, jos asemilla on eri noeuksiset yhteydet.

Lopuksi käsiteltiin reititystä, joka määrittää mitä reittiä paketti kulkee asemien välissä pakettikytkentäisissä verkoissa. Lisäksi kävimme reititysstrategioita, joita ovat kiinteät taulut, floodin, satunnainen ja mukautuva reititys.

Luentopäivä 5:

Viidennen luennon aluksi kävimme matkaviestinverkkoja. Aiheen parissa oppi paljon uutta ja mielenkiintoista ja nämä oli helppo liittää ja suhteuttaa oikeen elämään, sillä matkaviestimiä tulee käytettyä jatkuvasti. Keskeinen ja mielenkiintoinen uusi asia oli oppia mistä nimi cellular phone (”solupuhelin”) tulee. Matkaviestinverkko nimittäin muodostuu soluista, jotka ovat yhden tukiaseman muodostamia piirejä. Matkapuhelin yhdistyy lähimpään tukiasemaan langattomasti ja tukiasema yhdistää tästä johdettua siirtotietä pitkin keskuksen kautta uudelle tukiasemalle ja lopulta tukiasema ottaa langattoman yhteyden toiseen matkapuhelimeen. Yhden tukiaseman alueella on tiettyjä taajuuskanavia käytössä. Solun säde vaikuttaa moniin asioihin. Pienellä säteellä toimivan tukiaseman avulla on mahdollista saada pienemmällä lähetysteholla parempi siirtonopeus ja lyhyempi viive. Aiheeseen liittyen kävimme läpi myös signaalin vaimenemista ja uusia 4G teknologioita, joiden avulla on mahdollista saavuttaa hurjia data-nopeuksia.

Toisena asiakokonaisuutena käsiteltiin LAN:ia (local area network) eli lähiverkkoja. Termi on varmasti kaikille tuttu ”nörttien” pelikokoontumista. Luennoilla oli kuitenkin helppo ymmärtää LANin monipuolisemmat käyttömahdollisuudet pienten tietokoneryhmien yhteisverkkona, esimerkiksi yrityksissä. LAN:in muodostamiseen kuuluvat neljä keskeistä elementtiä: topologia, siirtotiet, johdotuksen ulkoasu ja siirtotien käytön hallinta (MAC-protokollalla). Topologia määrittelee verkon fyysisen ja loogisen toiminnan. Siirtoteinä ovat yleensä koaksiaali- ja parikaapeli, optinen kuitu ja radiotie.

Muita luentopäivän aiheita olivat nopeat (high speed) lähiverkot ja langattomat lähiverkot (WLAN. Viimeinen asiakokonaisuus oli internetworking, joka tarkoittaa tekniikkaa useiden verkkojen yhdistämiseksi yhdeksi suureksi verkoksi. Nopeissa LANeissa käsiteltiin tekniikoita, joilla voidaan saada jopa usein Gbs datansiirtonopeuksia. Wlanit ovat tuttu termi, sillä niitä on käytettävissä monissa yrityksissä, kahviloissa, oppilaitoksissa ja kodeissa. Wlanit ovat kannettavien tietokoneiden hyödyntämisen ja yleisyyden vuoksi erittäin hyödyllisiä, mutta niissäkin on ongelmansa. Esimerkiksi kalliit hinnat, hitaat siirtonopeudet ja turvallisuuskysymykset ovat ongelmana.

Kotitehtävät

Kotitehtävä 1

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

kotitehtaevae1_tuomas_linnavirta.pptx

Kotitehtävä 2

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

kotitehtaevae_2_tuomas_linnavirta.pdf

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.

Digi-tv: Signaali: Antennin ja digiboksin välinen yhteys: DVB-T, digitaalinen signaali. Yhteys digiboksista televisioon SCART-liitimellä, analoginen signaali. Lähetyksen siirtotie: Ilma + antenni. Taajuus n. 480 – 800 Mhz (Suomessa)

3G/UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Taajuus 900-2100 MHz. Signaali digitaalinen. Siirtotie johtimeton (ilma)

HDMI: Siirtotienä HDMI kaapeli. data kulkee kaapelia pitkin ja siinä voidaan siirtää digitaalista dataa.

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.

3G:

Käyttää 3G UMTS tekniikkaa, joka on toiselta nimeltä WCDMA (Aallonpituusjakokanavointi) eli tämän perusteella 3G:ssä hyödynnetään kanavointia.

Digi-TV/ DVB-T

Järjestelmä lähettää pakattua digitaalista audio/video-lähetettä käyttäen OFDM-modulaatiota (COFDM). Suomessa käytetään 8k- ja 2k-järjestelmiä, missä 8k-järjestelmässä kantoaaltoja on 6 817 kappaletta ja ne ovat 1 116 hertsin välein. Lähdekoodaukseen käytetään MPEG-2-koodausta ja nykyään myös MPEG-4:ää eli H.264:ää.

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) eli DMT-modulointi (Discrete Multitone) perustuu tiedon siirtoon lukuisilla toisiaan häiritsemättömillä taajuuskanavilla yhtä aikaa. –> Taajuuskanavointia (FDMA)

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.

Kerron tämän harjoituksen esimerkkinä verkkoselaimen toimintaa, sillä tämä on yleisin käyttämäni tietoliikennetekniikan sovellus ja sen ymmärtäminen on mielestäni tärkeää.

Aloitan verkkoselauksen syöttämällä selaimen (esimerkiksi mozilla firefox) osoitekenttään haluamani Internet-osoitteen, vaikkapa www.lut.fi. Kun painan enteriä, selain lähettää http-protokollalla palvelimelle pyynnön muodostaa yhteyden ja siirtää dataa. Tämän datan siirtoon tarvitaan sovelluksessa kolmea eri kerrosmallin protokollaa: sovelluskerroksessa HTTP-protokollaa, kuljetuskerroksessa TCP-protokolla ja Internet-kerroksessa IP-protokolla.

HTTP-protokolla toimii siten, että selain lähettää palvelimelle get-pyynnön HTTP protokollaa pitkin. Pyyntö siirtyy alemmalle kuljetuskerrokselle, TCP:lle joka muodostaa yhteyden ja siirtää dataa. WWW-sivut haetaan siten, että selaimen ja palvelimen välille muodostetaan TCP-yhteys, jossa -yhteydessä selain voi lähettää tavujonoja palvelimelle ja palvelin tavujonoja selaimelle. TCP-yhteys sisältää kolme vaihetta: yhteyden muodostamisen, tiedon siirron sekä yhteyden katkaisun.

IP-prorokolla on TCP/IP-mallin Internet-kerroksen protokolla, joka huolehtii IP-datapakettien toimittamisesta perille Internet-verkossa. IP-paketit toimitetaan perille IP-osoitteiden (useimmiten numero) perusteella. IP-osoitetta käytetään pakettien reitittämiseen verkossa. IP-osoitteella varustetut data-paketit lähetetään parikaapelin ja ADSL-yhteyden kautta verkkoon, jossa se ohjautuu solmujen kautta lopulta oikealle palvelimelle. Kun paketti on saapunut oikealle palvelimelle, palvelin tietää IP-osoitteen perusteella että tämä paketti on tarkoitettu tälle palvelimelle. Seuraavaksi IP-protokolla poistaa datapaketista omat ohjausinformaationsa ja siirtää sen TCP-protokollalle, joka kuittaa pyynnön ja poistaa omat ohjausinformaationsa ja siirtää sen HTTP-protokollalle. HTTP-protokolla huomaa selaimen lähettämän get-pyynnön ja vastaa siihen. HTTP-protokolla siirtää datapaketin sitten TCP/IP-protokollalle ja palvelin lähettää paketin siirtotielle. ADSL vastaanottaa lähetyksen ja siirtää vastauksen parikaapelia pitkin takaisin tietokoneelle. Tietokoneella TCP/IP prokolla siirtää vastauksen HTTP-protokollalle ja lopulta selaimelle joka tulkitsee vastauksen ja täten yhteys on muodostettu ja samalla periaatteella voidaan vaihtaa tietoa selaimen ja palvelimen välillä. Lopuksi, kun selaus lopetetaan, lähetään samalla periaatteella myös yhteyden katkaisu.

Internetin käytössä on aina tietoturvariskejä, sillä mahdollinen hyökkääjä voi yrittää tutkia datapakettien tietoja. Tämän estämiseksi ja riskien pienentämiseksi voidaan Internet-asetuksissa rajoittaa selaimen käyttöä ja kerrosmallin eri protokollille asettaa palomuureja. Mitä tärkeämpää tietoa verkossa käsitellään, sitä tärkeämpiä tietoturva-asiat ovat. Esimerkiksi verkkopankissa on tietoturvan oltava korkea.

Viikoittainen ajankäyttö

* Luentoviikko 1:

  • Kurssiin ennalta tutustuminen 1h
  • Luennot: 7h
  • Kotitehtävät/oppimispäiväkirja: 3h
  • Luentomateriaalien kertaus: 3h
  • Luentoviikko 2
  • Luennot: 7h
  • Kotitehtävät/oppimispäiväkirja: 3h
  • Luentomateriaalien kertaus: 3h
  • Luentoviikko 3
  • Luennot: 7h
  • Kotitehtävät/oppimispäiväkirja: 3h
  • Luentomateriaalien kertaus: 3h
  • Luentoviikko 4
  • Luennot: 7h
  • Kotitehtävät/oppimispäiväkirja: 3h
  • Luentomateriaalien kertaus: 3h
  • Luentoviikko 5
  • Luennot: 7h
  • Kotitehtävät/oppimispäiväkirja: 4h
  • Luentomateriaalien kertaus: 3h
  • Tentti
  • Valmistautuminen: 20h
  • Tentti 3h

Kurssi yhteensä: n. 90h (Mikäli tentistä pääsee kerralla läpi..)


Pääsivulle