meta data for this page
  •  
Mika Vehkasaaren kotisivu

Oppimispäiväkirja

Oppimispäiväkirjaan kirjataan omalta osin omaan oppimiseen vaikuttavia tekijöitä.

Ennakkonäkemys aihealueesta

Näin kurssin alussa tietoliikenne on minulle suhteellisen uusi alue elämässä, Olen koulutukseltani yhteiskuntatieteiden maisteri, joten fokukseni on enemmän ollut ihmiselämän humanistisemmassa puolessa kuin teknisessä puolessa. Käytännössä minulle on tullut tutuksi lähinnä Internetin ja intranetin käyttö organisaation ulkoisen ja sisäisen viestinnän välineinä ja keinoina. Käsitykseni tiedon käsitteestä on liittynyt enemmän sen sisältöön ja totuusarvoon kuin tekniseen tiedonsiirtoon liittyviin informaation tai datan käsitteisiin. Itse tietoliikenteen tai tietoliikennetekniikan käsitteet ovat merkinneet minulle informaation tai datan liikkumista ja siirtämistä paikasta toiseen jonkin teknisen apuvälineen avulla. Aikaisemmassa työssäni olen törmännyt myös konvergenssin käsitteeseen eli siihen, että eri laitteet, kuten puhelin, tietokone ja tv, yhdistyvät keskenään. Olen työskennellyt teknologiajätti Siemensin viestinnässä, joten tätä kautta minulle on tullut tutuksi jollain tasolla joitakin alan termejä. Nyt kurssin alussa minulle tuttuja tietoliikenteen termejä ovat Internetin lisäksi mm. digi-tv, ADSL, GPS, GSM, mobiili laajakaista, RFID, WLAN (WiFi), 3G-verkko, VoIP-puhelut, Skype, valokuitu ja Bluetooth.

Luentoyhteenvedot

Luentopäivä 1: Ensimmäisenä luentopäivänä opin yleisellä tasolla kaksi asiaa. Ensinnäkin sain alustavan käsityksen siitä, mitä kaikkea kuuluu tietoliikenteen alueeseen. Toiseksi opin ymmärtämään, mitä kerrosmalli tai kerrosarkkitehtuuri tarkoittaa. Mielestäni nämä kaksi asiaa muodostivat päivän tärkeimmän sanoman.

Yksi ahaa-elämykseni liittyi juuri kerrosmalliin ja siihen, että kukin kerros on tavallaan osa-järjestelmä. Kerrosarkkitehtuurissa kerrokset eli osakokonaisuudet tai moduulit järjestetään vertikaaliseen pinoon (stack), mikä on perusperiaate tällaisen tiedonsiirtoarkkitehtuurin rakentamisessa. Kukin kerros tai osajärjestelmä voidaan toteuttaa erikseen. Kun kokonaisuus ja järjestelmän eri toiminnot jaetaan osiin, tulee järjestelmästä hallittavampi.

Stallingsin teoreettinen kolmen kerroksen malli on jaettu kolmeen moduuliin tai kerrokseen, kun taasa esimerkiksi TCP/IP-malli on jaettu viiteen ja OSI-malli seitsemään kerrokseen. Kerrokset tulisi olla määritelty siten, että muutokset yhdellä kerroksella eivät vaikuta toisten kerrosten tapahtumiin tai määrittelyihin. Teoreettisessa kolmen kerroksen mallissa ylin kerros on sovellusmoduuli, keskimmäinen kommunikointimoduuli ja alin kerros verkkomoduuli. Voidaan myös puhua sovelluskerroksesta, kuljetuskerroksesta ja verkkokerroksesta.

Mielestäni luentopäivän yksi tärkeä opetus ja tieto oli se, että kommunikointi toisten järjestelmien kanssa tapahtuu aina kerrosmallin alimman kerroksen eli verkkokerroksen kautta. Muilta kerroksilta ei ole suoraa yhteyttä. Verkkokerroksella (network access module / network access layer) on verkko-osoite.

Yksi tärkeä päivän anti oli protokollan käsite. Opin, että protokolla tarkoittaa käyttäytymissäännöstöä. Jos ei ole olemassa säännöstöä tai merkistöä, niin viestintä tuhoutuu. Protokollaa tarvitaan sanoman tai viestin muotoiluun. Kun puhutaan esimerkiksi tiedonsiirrosta ftp:n avulla, niin ftp on sovelluskerroksen protokolla. Myös TCP, IP ja OSI ovat protokollia. Kerrosarkkitehtuurissa kerrokset toteuttavat omia tehtäviään ja ne keskustelevat omien vastaolioidensa kanssa kyseisen kerroksen protokollaa käyttämällä. Minulle oli mielenkiintoinen ja tärkeä huomio, että kunkin kerrokset paketit (PDU) sisältävät sekä ohjausinformaatiota ja dataa. Nimenomaan ohjauskenttä toteuttaa protokollan.

Muita oppimiani termejä olivat mm. signaali, liityntä, siirtotie ja siirtojärjestelmä. Informaatio muutetaan dataksi, jolla on jokin siirtotie. Jotta siirtotietä pystytään hyödyntämään, pitää olla liityntä. Tehokkuus liittyy siirtotiehen eli kuinka tehokkaasti siirtotietä voidaan hyödyntää. Siirtojärjestelmä ei ole koskaan täysin luotettava. Signaalin luonti tarkoittaa puolestaan sitä, että järjestelmät kommunikoivat luomalla signaaleja liitynnän kautta siirtotielle. Siirrettävä signaali ei ole välttämättä sama asia kuin data. Myöskään lähetetty signaali ja vastaanotettu signaali eivät ole välttämättä sama, sillä etäisyys vaikuttaa aina signaaliin. Haasteena onkin uudelleen toistettavuus.

Luentopäivä 2:

Toisena luentopäivänä sain aluksi muodostettua yleiskäsityksen kahdesta kerrosarkkitehtuuriin pohjautuvasta ratkaisusta: OSI-mallista ja TCP/IP-mallista. Vuonna 1984 standardisoidun OSI-mallin käyttö ei ole 30 vuodessa kasvanut räjähdysmäisiin mittoihin. 7-kerroksisessa OSI-mallissa kullekin kerrokselle on asetettu omat tehtävänsä. Yksi tällainen tehtävä voi olla esimerkiksi luotettava tiedonsiirto päästä päähän. Kerrokset tarjoavat palveluitaan ylemmille kerroksille. Alempi kerros määrittää sen, kuinka paljon tukea saadaan ylemmille kerroksille.

OSI:n seitsemän kerrosta ovat ylhäältä alaspäin: Sovelluskerros, Esitystapakerros, Istuntokerros, Kuljetuskerros, Verkkokerros, Linkkikerros ja Fyysinen kerros. Sovellusten haaste on aina esitystapa, ja esitystavan pitää olla verkkoon sopiva. Istunnon hallintaa tarvitaan esimerkiksi web-keskustelussa tai sähköpostin lähettämisessä. Verkko voidaan rakentaa useammasta linkistä, jollainen voi olla esimerkiksi Bluetooth. OSI-mallissa on viisi kuljetuskerroksen protokollaa.

Opin, että missä tahansa kerrosmallissa (kuten OSI:ssa tai TCP/IP:ssä) tarvitaan 1) protokollamäärittely, 2) palvelumäärittely ja 3) osoitteistus. Vielä 1980-luvulla uskottiin, että OSI-mallista tulee hallitseva arkkitehtuuri. Näin ei kuitenkaan käynyt, vaan suosituin, ja käytännössä standardi arkkitehtuuri, tuli TCP/IP:stä, jossa kerroksia on viisi. Nämä kerrokset ovat: Sovelluskerros, Kuljetuskerros, Verkkokerros, Linkkikerros ja Fyysinen kerros. TCP/IP-arkkitehtuuri on saanut nimensä kuljetus- ja verkkokerrosten yleisimmin käytetyistä protokollista: TCP (Transmission control protocol) ja IP (Internet protocol). Oleellinen tieto on, että Internet perustuu TCP/IP-arkkitehtuuriin. TCP-protokollan tärkein asia on sen luotettavuus: se seuraa paketteja läpi yhteyksien.

Seuraavana isona kokonaisuutensa sain toisena luentopäivänä käsityksen protokollien yleisistä toiminnoista. Tämä liittyy siihen, että ymmärretään protokollien merkitys kerrosmallissa. Eriytetyt toiminnot toteutetaan protokollilla. Kyse on yksinkertaistettuna siitä, miten saada eri järjestelmissä sijaitsevat oliot kommunikoimaan keskenään. Tarvitaan yhteinen ja sama kieli, eli tietotekniikan kielellä ilmaistuna protokolla. Protokollan kieli vastaa kysymyksiin: mitä, koska ja kuinka. Mielestäni erittäin tärkeä oppi protokollaan liittyen oli se, että protokolla koostuu kolmesta asiasta: 1) Syntaksista, 2) Semantiikasta ja 3) Ajoituksesta. Syntaksi tarkoittaa viestejä. Se sisältää mm. sanaston, tiedon muotoilut eli pakettien kentät sekä signaalitasot. Syntaksia vaikeampi asia on semantiikka eli toiminto. Kyse on toimintalogiikasta eli siitä, mitä tehdään jonkin paketin saapuessa. Tällainen asia voi olla vaikkapa virheenkorjaus. Ajoitus pitää puolestaan sisällä mm. siirtonopeuden, pakettien oikean järjestyksen sekä muut siirron ajoitukseen liittyvät toimet.

Toinen tärkeä protokollista oppimani asia oli saada selville, minkälaisia erilaisia protokollien perustoimintoja on olemassa. On toki muistettava, että seuraavat yhdeksän perustoimintoa eivät sisälly kaikkiin protokolliin. Protokollien perustoimintoja ovat: 1) Segmentointi ja kokoaminen, 2) Paketointi, 3)Yhteyden hallinta, 4) Toimitus oikeassa järjestyksessä, 5) Vuon valvonta, 6) Virheen arviointi, 7) Osoitteet, 8) Kanavointi ja 9) Kuljetuspalvelut. Protokollat voivat tarjota myös muita palveluita näiden peruspalvelujen lisäksi. Näitä ovat mm. prioriteetti, palvelutaso, palvelun laatu ja tietoturva.

Segmentoinnin taustalla on se, että kaikilla kerroksilla ei käsitellä samankokoisia paketteja. Tämän takia pienempiä datalohkoja käsittelevä kerros voi joutua pilkkomaan paketin pienemmiksi osiksi eli segmentoimaan. haittana on se, että mitä pienempi datalohko on, sitä enemmän suhteessa joudutaan siirtämään ohjausinformaatiota. Aikaa käytetään enemmän yksittäisten datapakettien käsittelyyn. Kokoaminen on segmentoinnin vastatoimi. Syynä segmentoinnille voi olla mm. se, että tietty verkko (kuten ATM ja Ethernet) voi käyttää vain tietyn kokoisia datalohkoja. Lisäksi segmentointi mahdollistaa tasaisemman verkon käytön, kun suurta pakettia lähetettäessä yksi sovellus ei varaa koko siirtotietä.

Ohjausinformaation lisäämistä kutsutaan paketoinniksi. Tämä ohjausinformaatio voi olla esimerkiksi lähettäjän ja vastaanottajan osoite tai virheenkoodauskoodi. Datalohkot sisältävät aina ohjausinformaatiota ja useimmiten myös dataa. Yhteyden hallinta liittyy myös protokolliin eli kyse on siitä, onko kyseisellä protokollalla yhteydetön tai yhteydellinen kommunikointi. Jälkimmäinen koostuu yhteyden muodostamisesta, tiedon siirrosta ja yhteyden purkamisesta. Tärkeä osa yhteyden hallintaa on tietoyksiköiden (protocol data unit, PDU) numerointi (sequencing), jolla mahdollistetaan oikea järjestys, virheenkorjaus ja vuon valvonta. Paketit eivät aina välttämättä saavu oikeassa järjestyksessä niiden eri reittien tai virheiden takia. Yhteydellisessä kommunikoinnissa on oltava oikea järjestys. Kun paketit numeroidaan, ne on mahdollista järjestää uudelleen oikeaan järjestykseen. Vuon valvonnalla, jota toteutetaan useiden kerrosten protokollilla, vastaanottaja säätelee lähettäjän lähetysnopeutta. Näin verkko ei tukkiudu, eikä vastaanottaja huku tietoon. Vuon valvontaa ovat stop-and-wait -menetelmät ja liukuvan ikkunan menetelmät.

Virheen arviointiin liittyvät virheen korjaus, virheen tarkkailu ja virheen havainnointi. Virheen korjausta käytetään pienentämään virheiden vaikutuksia. Siinä tapahtuu usein virheen havainnointi ja uudelleenlähetys, jota ohjataan ajastimilla. Virheen tarkkailuun on olemassa useita tapoja kuten virheiden havainnointi, saapuneiden pakettien vahvistus, uudelleenlähetys tietyn ajan jälkeen ja virheellisten pakettien vahvistus.

Osoitteisiin liittyvät osoitustason, osoituksen laajuuden, yhteystunnisteiden ja osoitustilan käsitteet. Osoitustaso tarkoittaa kommunikoivan olion tasoa järjestelmässä. Esimerkiksi TCP/IP:ssä käytetään kaksitasoista osoitusta: IP ja portti. Osoituksen laajuuteen liittyen on globaalin osoitteen oltava yksikäsitteinen ja kaikkialla käytettävissä. Verkkotason osoitetta käytetään pakettien reitittämiseen verkossa, jolloin se on globaali koko verkon alueella. Tällaisesta on esimerkkinä IP. Ylempien tasojen osoitteiden, kuten portit ja SAP:it, ei tarvitse olla globaaleja. Globaalia osoitetta käytetään yhteydettömässä kommunikoinnissa, kun taas lähinnä yhteydellisessä kommunikoinnissa käytetään yhteystunnisteita. Näiden käytön etuna on pienempi ohjausinformaatio, helpompi reititys ja kanavointi sekä tilatietojen käyttö. Osoitustila viittaa siihen, että käytetty osoite voi olla Unicast, Multicast tai Broadcast.

Kanavointi on sama asia kuin multipleksointi. Se voidaan käsittää useina yhteyksinä yksittäiseen järjestelmään (esimerkiksi portit TCP/IP:ssä) tai useina yhteyksinä yksittäisellä siirtotiellä. Kanavointi voidaan myös nähdä yhteyksien kuvauksena tasolta toiselle. Toisena luentopäivänä sivuttiin myös tietoliikenteen standardointia. Tietokonevalmistajat pyrkivät sitomaan käyttäjät omaan ympäristöönsä, kun taas verkkolaitevalmistajilla on standardointi kohtuullisen tärkeässä roolissa. Standardoinnin etuja on massatuotannon mahdollistaminen ja yhteensopivuus. Haittoina on puolestaan se, että standardit jäädyttävät teknologiaa. Kun standardi on valmis hitaan prosessin jälkeen valmis, on paljon tehokkaampi tekniikka jo olemassa. Standardointiorganisaatioista on merkittäviä mm. Internet Society ja IEEE.

Lopuksi päivän aikana tutustuttiin tiedonsiirtoon. Tärkeä oppimani seikka oli, että digitaalisessa tiedonsiirrossa on ongelmana bittien rajat. Tulee bittivirheitä, kun nolla ja yksi sekoittuvat keskenään. Nykypäivän tiedonsiirrossa pyritään käyttämään digitaalisia signaaleja. Tällöin signaali voidaan lähettää uudestaan putsattuna, eivätkä virheet kertaannu. Digitaalisten signaalien etuina on, että ne ovat halvempia ja vähemmän alttiita kohinalle. Toisaalta vaimeneminen on suurempi kaistanleveyden kasvaessa. Siirtämisen suurimmat häiriöt ovat vaimeneminen ja vääristymä, viivevääristymä sekä kohina. Vaimenemisessa on kyse siitä, että signaalin voimakkuus laskee etäisyyden myötä. Kohina voidaan jakaa lämpökohinaan ja intermodulaatiokohinaan, jossa pieniä heijastumia syntyy muiden signaalien yhteisvaikutuksesta. Lämpökohinaa ei puolestaan pysty saamaan millään pois. Viivevääristymässä bittien rajat menevät sekaisin.

Tiedonsiirto voidaan jakaa johtimellisiin ja johtimettomiin siirtoteihin. Johtimellista siirtotietä ei ole jaettu kaikkien käyttöön. Menestyksellinen tiedonsiirto on riippuvainen kahdesta tekijästä: 1) välitettävän signaalin laadusta ja 2) siirtotien ominaisuuksista. Kaikki tiedonsiirtomenetelmät ovat rajoitettuja. Millä tahansa siirtojärjestelmällä on rajoitettu kaistanleveys, joka puolestaan lisää häiriöitä. Eli mitä rajoitetumpi kaistanleveys on, sitä enemmän on vääristymiä. Kun etäisyyttä lisätään, vaimeneminen tuo häiriöitä.

Luentopäivä 3: Kolmantena luentopäivänä sain käsityksen siirtoteiden merkityksestä tietoliikennetekniikassa. Siirtoteillä siirretään tietoa eri järjestelmien välillä. Ne voidaan jakaa kahteen luokkaan: johtimellisiin ja johtimettomiin.

Johtimellisessa eli ohjatussa siirtotiessä signaalit kulkevat fyysistä siirtotietä pitkin. Johtimellisia siirtoteitä ovat mm. valokuitu eli optinen kuitu, sähköjohto, parikaapeli (esim. puhelinkaapeli) ja koaksiaalikaapeli (esim. TV-kaapeli). Johtimellisessa siirrossa tiedonsiirron nopeus tai laitteiden välinen etäisyys riippuu pitkälti käytettävissä olevasta kaistanleveydestä. Johtimellisia siirtoteitä käytetään lyhyistä tilaajaliitännöistä ja lähiverkoista aina pitkiin runkoyhteyksiin asti. Siirtoteillä voidaan välittää sekä digitaalisia että analogisia signaaleita.

Johtimellisessa siirrossa on siirtotiellä suurempi vaikutus kuin signaalilla. Siirtotien pituuden kasvattamiseksi suuremmilla etäisyyksillä signaalia pitää parantaa (vahvistaa tai tahdistaa). Analogisilla signaaleilla käytetään vahvistimia, digitaalisilla signaaleilla toistimia.

Sain kuulla, että parikaapeli on halvin ja eniten käytetty johtimellinen siirtotie. Se koostuu toistensa ympärille kiedotuista kahdesta kuparijohtimesta. Kierrolla on häiriöitä pienentävä vaikutus. Johdinpari muodostaa aina yhden kommunikointilinkin, ja useita johdinpareja voidaan yhdistää suuremmaksi kaapeliksi. Parikaapelia käytetään yleisesti puhelin- ja dataverkoissa. Puhelinverkoissa parikaapelia käytetään tilaajajohtimena (analoginen signaali), dataverkoissa (digitaalinen signaali) parikaapelilla päästään jopa Gbps:n nopeuteen. Mitä suurempi on tiedonsiirtonopeus, sitä lyhyempi on etäisyys eli mitä suurempi taajuus, sitä suurempi on signaalin vaimeneminen. Erilaiset häiriötekijät, kuten sähkömagneettiset häiriöt, vaikeuttavat parikaapelin käyttöä. Häiriösietoisuutta voidaan parantaa päällystämällä kaapeli suojaavalla foliolla tai metallipunoksella. Johtimien kiertäminen vähentää matalan taajuuden häiriöitä. Erimittaisten kierteiden käyttö pienentää taas ylikuulumista. Parikaapelista on kaksi yleistä tyyppiä: suojattu (STP) ja suojaamaton (UTP). Lisäksi on olemassa foliosuojattu (FTP). Puhelinkaapelina käytetään suojaamatonta. Suojattu kestää paremmin ulkoiset häiriöt ja sitä suositaan dataverkoissa.

Koaksiaalikaapelissa on kaksi johdinta sisäkkäin. Siinä on parempi häiriönsieto jo luontaisesti. Koaksiaalikaapelia käytetään esimerkiksi TV-jakeluverkoissa. Puhelinverkkojen runkoverkoissa koaksiaalikaapeli on korvattu nykyisin kokonaan kuidulla. Koaksiaalikaapelilla voidaan välittää sekä analogisia että digitaalisia signaaleita. Analogiselle signaalille tarvitaan vahvistimet muutaman kilometrin välein, digitaaliselle toistimet noin kilometrin välein. Koaksiaalikaapelissa voidaan käyttää parikaapelia korkeampia taajuuksia, mikä merkitsee suurempia tiedonsiirtonopeuksia. Suurimmat häiriötekijät ovat vaimennus, lämpökohina sekä keskeismodulaatiokohina (FDMA).

Sain ahaa elämyksen siitä, mitä se optinen kuitu oikein on. Optinen kuitu on 2-125 μm:n paksuista valoa läpäisevää materiaalia. Kuitu koostuu ytimestä, heijastuskerroksesta ja kuoresta. Ytimessä (core) siirretään valoaallot. Yleensä aina kyseessä on digitaalinen signaali. Heijastuskerroksen (cladding) tarkoituksena on pitää valo ytimessä. Kuori (jacket) puolestaan suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta. Kuitujen käyttökohteita ovat runkoverkot, kaupunkiverkot, lähiverkot ja tilaajajohdot. Kuidut ovat parhaimmillaan suurta kapasiteettia vaativiin olosuhteisiin. Myös lyhyemmillä matkoilla voidaan kuituja käyttää. Lähiverkoissa useat uudet teknologiat perustuvat kuitujen käytölle. Optiset kuidut toimivat 100 - 1000 THz:n alueella (infrapuna ja näkyvä valo). Kuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastukseen. Kuidut voidaan jakaa monimuotokuituihin ja yksimuotokuituihin. Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia. Monimuotokuidut kärsivät signaalipulssin levenemisestä eli dispersiosta johtuen useista säteiden etenemisreiteistä. Niitä käytetään lyhyillä matkoilla ja liitosjohdoissa. Askeltaitekertoimiselle muotodispersio on pahin. Yksimuotokuidulla tätä dispersion tyyppiä ei esiinny (jonkin verran materiaalidispersiota). Yksimuotokuitua käytetään runkojohtimissa. Kuiduissa valo voidaan tuottaa valodiodilla (light emitting diode, LED) tai laserilla (Injection laser diode, ILD). LED on halvempi ja se toimii paremmin erilaisissa lämpötiloissa, ja myös sen käyttöikä on pidempi. Laser on puolestaan tehokkaampi ja mahdollistaa suuremmat datanopeudet paremman signaalin ansiosta. Optisen kuidun etuna ovat suurempi kapasiteetti (datan määrät satoja Gbps:ä), pienempi koko ja kevyempi paino (huomattavasti ohuempi kuin koaksiaalikaapeli tai parikaapeli), alhaisempi vaimeneminen ja elektromagneettinen eristys.

Sähköjohdossa data siirretään sähkön kanssa samassa verkossa. Pistokemodeemilla erotellaan data sähkövirrasta. Sähköjohdon etuna on jo olemassa oleva verkkorakenne, haittana on puolestaan se, että sähköverkossa on paljon kohinaa ja heijastuksia ja etenkin sähkövirtapiikkejä, jotka häiritsevät datasignaalia. Sähköjohdon käyttö siirtotienä on lähinnä tilaajaliityntänä.

Johtimettomalla eli ohjaamattomalla siirtotiellä tieto siirtyy langattomasti. Johtimettomia siirtoteitä ovat puolestaan satelliittilinkit, radiotie, infrapunalinkit sekä mikroaaltolinkit. Tiedonsiirron laatuun ja ominaisuuksiin vaikuttavat 1) siirtotien ja 2) signaalin ominaisuudet. Johtimettomassa siirrossa ovat signaalin kaistanleveys ja antennin ominaisuudet tärkeämpiä kuin siirtotien ominaisuudet. Johtimettomissa siirtoteissä signaali etenee ilmassa (tai muussa väliaineessa) antennien välityksellä. Ne voidaan jakaa suunnattuun (directional) ja suuntaamattomaan (omnidirectional) kommunikointiin. Suunnatussa antennien oltava tarkasti toisiaan kohden, kun suuntaamattomassa kommunikoinnissa aallot etenevät kaikkiin suuntiin.

On olemassa erilaisia etenemismekanismeja, joista yksi on eteneminen näköyhteysreittiä pitkin (line-of-sight propagation). Aallon kaartumisen takia radiohorisontti on geometristä horisonttia kauempana. Tämä on tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF- alueilla (n. 30 MHz - 300 GHz), sillä yli 30 MHz taajuudet eivät heijastu ionosfääristä. Tämä on kurssilla käsiteltävien tekniikoiden käyttämä etenemistapa. Toinen etenemistapa on eteneminen ilmakehän heterogeenisuuksista tapahtuvan sironnan (scattering) avulla. Taajuusalue on noin 0,3-10 GHz. Kolmas etenemistapa on eteneminen ionosfäärin kautta (sky wave propagation).

On olemassa erilaisia antennityyppejä: ympärisäteilevä, eri tavoin suuntaavat antennit, sektoriantennit sekä satelliittiantenni. On myös hyvä muistaa, että antennien suuntakuviot ovat kolmiulotteisia. Antennivahvistuksessa (antenna gain) on kyse tehon ulostulosta tiettyyn suuntaan verrattuna isotrooppisen antennin ulostuloon. Antennin vahvistus ei siis tarkoita sitä, että se lähettäisi enemmän tehoa ulos kuin siihen saapuu (verkkokortilta tms. lähettimeltä). Antennin lähettämä teho kohdistetaan pienemmälle alueelle (ja on pois muista suunnista!).

Johtimettomat siirtotiet voidaan jakaa mikroaaltolinkkeihin (suunnattu kommunikointi), satelliittilinkkeihin (satelliittikommunikointi), radiotiehen (suuntaamaton kommunikointi) ja infrapunaan (lyhyen matkan point-to-point). Mikroaaltolinkeissä käytetään tarkasti suunnattuja lautasantenneja. Antennit sijaitsevat riittävän korkealla, jotta ”näköyhteysvaatimus” saavutettaisiin. Mikroaaltolinkkejä käytetään runkoverkoissa. Point-to-point linkit ovat rakennusten välillä. Niitä on sekä äänelle että datalle. Mikroaaltolinkkejä voidaan käyttää laajalla taajuusalueella (1-40 GHz). Mitä korkeampi on taajuus, sitä laajempi on taajuuskaista ja suurempi siirtonopeus (lyhyempi etäisyys). Suurin häiriötekijä on signaalin vaimennus. Vaimennus on etäisyyden ja aallonpituuden funktio: vaimennus on etäisyyden neliön funktio, kun parikaapelilla ja koaksiaalilla vaimennus on eksponentiaalinen etäisyyden suhteen. Tämän seurauksena vahvistimet ja toistimet voidaan sijoittaa kauemmas (10 - 100 km päähän). Sade ja taajuusalueiden päällekkäisyys ovat muita häiriötekijöitä. Taajuusalueiden käyttö onkin hyvin säänneltyä (6 GHz, 11 GHz, 22 GHz). Mitä suurempi on taajuus, sitä pienempi antenni.

Satelliittilinkit ovat eräänlaisia mikroaaltolinkkejä. Maassa sijaitsevat lähettimet ja vastaanottimet on linkitetty satelliittien kautta. Satelliitilla on kaksi taajuusaluetta: se vastaanottaa signaalin uplink-kaistalla sekä vahvistaa ja lähettää eteenpäin downlinkillä. Toiminta voi olla point-to-point tai broadcast. Satelliittien kiertoratatyypit: vanhimmat satelliitit paikallaan pysyviä eli ns. geostationaarisia (korkeudella 35784 km) GEO (Geostationary Earth Orbit). Uudemmat satelliitit voivat olla matalarata-satelliitteja (LEO, MEO (Low/Medium Earth Orbit)). On myös olemassa HEO (Highly Elliptical Orbit) satelliitteja.Samalla kaistalla toimivat satelliitit eivät saa olla liian lähellä toisiaan häiriöiden vuoksi. On huomattava etäisyyden takia noin 0,25 sekunnin etenemisviive. Satelliitteja käytetään televisiokanavien jakeluun (broadcast-jakelu asemille ja broadcast-jakelu asiakkaille), puhelinliikenteeseen (satelliittipuhelut alueilla, joilla ei mahdollisuutta järkevästi maanpäälliseen verkkoon) sekä yksityisiin tietoverkkoihin (erittäin vähäistä).

Radiotie eroaa mikroaalto- ja satelliittilinkeistä lähinnä aaltojen suuntaamattomuudessa. Antennien ei tarvitse olla lautasantenneja. Taajuusalueet 3 kHz - 300 GHz ovat radioaaltoja. Tehokkaimmillaan radiotie on 30 MHz - 1 GHz alueella, jolloin aallot eivät vaimene niin herkästi. Radiotietä käyttävät laitteet “näköyhteydellä“. Vaimennus on mikroaaltoja vastaavalla tavalla. Suurempi aallonpituus tosin näkyy selkeästi pienempänä vaimenemisena. Suurin häiriötekijä on monitie-eteneminen (heijastukset esteistä ja pinnoista aiheuttavat signaaleille useita etenemisreittejä). Muut häiriöt ovat vastaavia kuin mikroaalloilla.

Radioaaltojen etenemiseen vaikuttaa useita tekijöitä, esimerkiksi vaimeneminen, sironta, häipyminen, monitie-eteneminen, heijastuminen, taipuminen ja taittuminen sekä Doppler-ilmiö. Näistä asioista opin jotain ihan uutta, mistä en aikaisemmin tiennyt mitään. Vaimeneminen (attenuation/path loss) tarkoittaa signaalin tehon vähenemistä. Signaalin amplitudi (aallon korkeus) pienenee. Johtimellisella siirtotiellä (kaapeli) lasku logaritmista ja voidaan ilmoittaa desibeleinä etäisyyden suhteen. Johtimettomalla siirtotiellä on useampia tekijöitä: vaimeneminen vaihtelee riippuen taajuudesta ja käytetystä siirtotiestä. Signaalin eri taajuuskomponentit vaimenevat eri tavalla, joten signaalin muoto vääristyy (korkeammilla taajuuksilla vaimeneminen on suurempaa kuin matalilla taajuuksilla). Vastaanotettavan signaalin täytyy olla tarpeeksi voimakas, jotta vastaanotin tunnistaa sen. Signaalin pitää olla selkeästi voimakkaampi kuin kohinan. Vaimenemisen johdosta signaalia tulee vahvistaa (vahvistimilla tai toistimilla) tietyin välimatkoin. Korkeampia taajuuksia voidaan vahvistaa enemmän, jotta vaimeneminen olisi kaikilla taajuuksilla yhtä voimakasta. Liian voimakas signaali voi aiheuttaa vääristymiä vastaanottimessa. Useat vastaanottimet eri etäisyyksillä voivat olla ongelmallisia. Vapaan tilan vaimeneminen tarkoittaa signaalin vaimenemista ilmassa, kun mitään esteitä ei ole. Edetessään signaali hajaantuu laajemmalle ja laajemmalle alueelle. Energia pistettä kohden on pienempi. Tämä on suurin vaimenemisen aiheuttaja satelliittikommunikoinnissa. Se ilmoitetaan joko lähetetyn ja vastaanotetun tehon suhteena tai desibeleinä.

Heijastuminen (Reflection) tarkoittaa sitä, että radioaallot heijastuvat osuessaan esteeseen, joka on tasainen (suhteessa signaalin aallonpituuteen). Tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Heijastuneilla aalloilla on myös sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloilla.

Taipuminen (diffraction) tarkoittaa sitä, että radioaallot taipuvat ja leviävät esteeseen osuessaan. Taipumista tapahtuu erityisesti aaltoja huonosti läpäisevän ja tasaisen (suhteessa aallonpituuteen) esteen kohdalla. Sironta (Scattering) tapahtuu, kun radioaallot osuvat epätasaiseen esteeseen (epätasaisuus pienempi tai yhtä suuri kuin aallonpituus). se tarkoittaa sitä, että osa radioaallon energiasta synnyttää uusia radioaaltoja eri suuntiin. Se heikentää signaalia. Sironnasta aiheutuvaa sirontakenttää voidaan myös käyttää hyväksi.

Monitie-etenemisen aiheuttamia ongelmia ovat: heijastuva signaali tulee perille ”väärään aikaan”, signaalit menettävät osan energiastaan heijastuksen yhteydessä, heijastumat summautuvat toisiinsa ja vaikeuttavat signaalien tulkitsemista vastaanottopäässä. Signaali saapuu kohteeseen useaa reittiä pitkin: 1) Koska signaali lähetetään useaan suuntaan voi sama signaali heijastumisen johdosta saapua vastaanottimelle useaa eri reittiä ja eri aikaan ja 2) Erilaiset esteet aiheuttavat signaalin hajautumista. Joskus ei ole edes suoraa reittiä, vaan vahvin signaalikin tulee heijastuman kautta. Monitie-eteneminen aiheuttaa myös häiriötä signaalissa. Monitie-eteneminen (Multipath Propagation) Aiheuttaa ongelmia ja virheitä tiedonsiirrossa. Virheet johtuvat symbolien (pulssien) välisestä keskinäisvaikutuksesta (Intersymbol interference, ISI). Monitie-eteneminen aiheuttaa vastaanotetun signaalin vääristymistä. Signaali leviää ja summautuu muihin signaaleihin sekä saman signaalin heijastuksiin. Tämä vaikeuttaa vastaanottajan tehtävää tulkita signaalista oikein sen eri elementit. Eri tekniikat ovat eri tavalla herkkiä monitie-etenemisen aiheuttamille ongelmille, esim. GSM-tekniikassa monitie-eteneminen joudutaan hoitamaan viiveitä käyttämällä. WLAN (802.11g) käyttää OFDM-modulaatiota, joka ei juurikaan häiriinny monitie-etenemisestä. WLANin tuleva (802.11n) versio tulee käyttämään monitie-etenemistä hyödykseen. Monitie-eteneminen muistuttaa optisissa kuiduissa tapahtuvaa pulssin leviämistä eli dispersiota. Signaali etenee heijastuen kuidun rakenteissa ja valonsäteiden erilaiset heijastuskulmat muuttavat kokonaismatkaa. Radioliikenteessä tilanne on monimutkaisempi. Optiseen kuituun verrattuna radiosignaaleilla on huomattavasti enemmän mahdollisia kulkureittejä.

Radiotie on eniten käytetty johtimeton siirtotie nykypäivän tietoliikenteessä (käytetään mm. seuraavissa): matkapuhelinjärjestelmät, Bluetooth (ja muut lyhyen kantaman radiotekniikat), radio- / TV-lähetykset sekä langattomat lähiverkot. Infrapuna-siirtotiessä käytetään infrapuna-alueella olevaa valoa signaalin siirtoon. Lähettimen ja vastaanottimen on oltava näköyhteydellä. Infrapuna-aallot eivät läpäise esteitä (johtuen pienestä aallonpituudesta). Ei siis ole tietoturvaongelmia. Käyttö on esim. kaukosäätimissä ja pienimuotoisessa datan siirrossa (esim. PC ↔ matkapuhelin).

Luentopäivä 4:

Neljäntenä luentopäivänä opin kanavoinnin (multiplexing) perusteita. Usein kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia. Tällöin siirtokapasiteettia voidaan jakaa useamman siirrettävän signaalin kesken. Tätä jakoa kutsutaan multipleksoinniksi eli kanavoinniksi. Kanavointia käytetään esim. kuituihin, koaksiaalikaapeliin tai mikroaaltolinkkeihin perustuvissa runkoverkoissa. Sitä käytetään myös radiotiellä kuten esim. matkaviestinverkoissa.

Kanavointi perustuu ns. multipleksereiden käyttöön (n-määrä syötettä yhdistetään yhdelle linjalle lähetyspäässä ja vastaanottopäässä ne jälleen puretaan). Yhdellä linjalla on monta kanavaa käytössä. Multipleksointiin liittyy kustannustehokkuus: mitä suurempi kokonaisdatanopeus, sitä pienempi hinta per bps. Yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan siirtojärjestelmän kaistasta.

Kanavointi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: 1) taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access), 2) aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access), joka voi olla synkroninen tai asynkroninen (tilastollinen), 3) koodijakokanavointi (CDMA, Code Division Multiple Access) ja 4) aallonpituusjakokanavointi (WDMA, Wavelength Division Multiple Access).

FDMA:ssa kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle. Se perustuu eri signaalien modulointiin eri taajuisille kantoaalloille. Kanava tarkoittaa kantoaallon kohdalle keskittynyttä kaistanleveyttä. Eri kanavien väliin jätetään riittävän suuri ns. varmuusväli estämään kanavien väliset häiriöt. Vaatimus FDMA:lle on, että siirtotien kapasiteetin tulee ylittää siirrettävien. signaalien yhteenlasketut kaistanleveysvaatimukset. Syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista. Se perustuu modulointiin, joten signaali on aina analoginen. Sitä käytetään esim. TV-kanavien välittämiseen. Kanavat erotellaan toisistaan. 6 MHz taajuuskaista per kanava (musta-valko-kuva, värisignaali, ääni). Vastaanottopäässä käytetään kaistanpäästösuodattimia erottamaan oikea signaali. Television radio- ja kaapelilähetys toimii FDM-periaatteella. Analogiset kuljetusjärjestelmät (analog carrier systems) käytetään puhekaistan siirtoon, 4 kHz:n kaistanleveys yhdessä kanavassa. Hierarkkinen FDMA muodostuu eri tason FDM-ryhmistä (group = 12*kanava; supergroup = 5* group, 60 kanavaa; mastergroup = 10*supergroup, 600 kanavaa, jumbogroup = 4 * mastergroup. USA:ssa on AT&T:n maanlaajuinen järjestelmä. Samankaltainen kansainvälinen ITU-T:n standardoimana (mastergroup pienempi kuin AT&T, lisäksi supermaster group, jumbogroup puuttuu). Alkuperäinen signaali saatetaan moduloida monta kertaa, data voi vääristyä.

ADSL:ssä (Asymmetric digital subscriber line) jakelusuunta on laajempi kuin paluusuunta. Se tarjoaa nimensä mukaisesti ratkaisun tilaajan ja etäverkon välille. ADSL käyttää olemassa olevaa puhelinkäyttöön (4 kHz) tarkoitettua parikaapelia. Kaapeleissa voidaan kuitenkin siirtää paljon laajempikaistaista signaalia (yli 1 MHz). ADSL on alun perin suunniteltu video-on-demand -palveluille. Sittemmin Internet-käyttö on tullut pääasialliseksi palveluksi. Tyypilliseen Internet-käyttöön asymmetriset kaistat ovat sopivia: http-pyynnöt palvelimelle (upstream) ja www-sivut palvelimelta (downstream). ADSL käyttää taajuusjakokanavointia: 25 kHz varattu puheelle (sis. suojakaistan). Kaiun poistolla tai taajuusjakokanavoinnilla upstream/downstream -jako. Lisäksi käytetään FDM:ää vielä sisäisesti downstream- ja upstream -kanavilla. Toimintamatka on noin 5,5 km. ADSL:ssä kaiun poistossa lähetin poistaa oman lähetyksen kaiun tulevasta signaalista. Kaiun poistoa käyttäessä upstream ja downstream limittyvät (pienempi taajuus → pienempi vaimentuma ja sujuvampi upstreamin kapasiteetin muutos). ADSL käyttää Discrete multitone (DMT) -tekniikkaa: monta kantosignaalia eri taajuuksilla – bitit jaetaan tasan 4 kHz alikanaville. Modeemi tarkistaa alikanavien signaalikohinasuhteen ennen datan jakamista, parempiin kanaviin enemmän dataa. ADSL/DMT -suunnittelussa on käytössä 256 downstreamalikaistaa, teoreettinen datanopeuden maksimi 15,36 Mbps (256x60k). Siirtotien haittatekijät huomioon ottaen maksimi käytännössä 1,5 Mbps - 9 Mbps.

TDMA:ta voidaan käyttää digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille. Se perustuu eri signaalien viipalointiin (aikajako). Viipalointi voi tapahtua bittitasolla, tavutasolla tai suuremmissa yksiköissä. Siirtotien kapasiteetin on ylitettävä siirrettävien signaalien kapasiteettivaatimukset.

On olemassa synkroninen ja tilastollinen TDMA. Synkroninen TDMA:ssa on n syötettä yhdistetään siirtotielle. Tuleva data puskuroidaan. Multiplekseri käy puskureita läpi peräkkäisesti ja muodostaa puskureiden sisällöistä siirrettävän signaalin. Puskureiden läpikäynnin on oltava riittävän nopea. Datan on oltava digitaalista. Signaali voi olla digitaalinen tai analoginen. Synkronisessa TDMA:ssa siirrettävä data muodostaa kehyksiä (frame). Kehykset muodostuvat aikaviipaleista. Lähteet voivat varata itselleen useampia aikaviipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointiaan. Nyt yhden lähteen varaamia aikaviipaleita kutsutaan kanavaksi. Vastaanottopäässä aikaviipaleet ohjataan oikealle vastaanottajalle. Synkronisessa TDMAssa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi. Tämä hukkaa kapasiteettia, jos dataa ei joskus olekaan tarjolla (vastaavasti FDMA:ssa). Synkroninen TDMA mahdollistaa eri nopeuksilla toimivien lähteiden yhdistämisen. Varataan eri määrät aikaviipaleita kullekin yhteydelle nopeuden mukaan. Synkronisessa TDMAssa ei tarvita ohjausinformaatiota datan yhteydessä. Ei tarvita linkkiprotokollaa. Linkin vuonvalvonta on tarpeetonta (kiinteä nopeus). Ongelmatilanteissa vain yksittäisiä yhteyksiä hallitaan (yhden lähteen aikaviipale tyhjillään). Vastaavasti on virheen korjaukselle. Synkronisen TDMA:n ongelmana on kehyksen aikavälien tuhlaaminen. Suurimman osan ajasta joku/jotkut yhteydet ovat tyhjillään. Ratkaisuna on tilastollinen l. asynkroninen l. älykäsTDMA, jossa aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan. Tilastollinen (asynkroninen) TDMA:ssa yhdistetään jälleen useita lähteitä useisiin kohteisiin. Koska tilastollinen TDMA käyttää hyödykseen siirtojen taukoja, siirtotien kapasiteetti voi olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa. Normaalitilanteessa on seurauksena kaistanleveyden lisäys. Tämä aiheuttaa hankaluuksia suurilla kuormituksilla. Käytetään lähetyspuskureita multiplekserissä. Tilastollinen TDMA vaatii ohjausinformaatiota (aikajaksoihin) datan yhteyteen.

Koodijakokanavointia (CDMA, Code Division Multiple Access) käytetään johtimettomilla siirtoteillä (radiotie). Siinä käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet. Sen etuja ovat teoreettisesti tehokkaampi ja taajuuksien käytöltään joustavampi. Useat CDMA-järjestelmät voivat toimia samalla alueella , jolloin verkkosuunnittelu helpottuu. Myös häiriöiden vaikutus pienenee, ja laitteet kuluttavat vähemmän tehoa. CDMA:ssa siirretään analogista tai digitaalista dataa analogisella signaalilla. Kun taajuus- ja aikajakokanavoinnissa kanavoinnista huolehtii multiplekserilaite, joka yhdistää ja erottelee usealta laitteelta tulevat, niin koodijakokanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite. Vastaanottajan pitää olla tarkasti selvillä käytetystä koodaustekniikasta voidakseen vastaanottaa saapuvan signaalin. Koodausavaimena on yksilöllinen tieto, esim. laiteosoite (Bluetooth). WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) on laajakaistainen koodijakokanavointi, jossa on sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille (pienemmille suurempi signaalinvahvistus). Signaalinvahvistus auttaa häiriöitä vastaan. WCDMA:ta käytetään esimerkiksi UMTS/3G-verkoissa.

Aallonpituusjakokanavoinnissa, WDM, käytetään eri taajuisia valonsäteitä, jotka muodostavat kukin oman kanavansa. Optinen kuitu saadaan tehokkaasti käyttöön vasta, kun saadaan siirrettyä useita signaaleja samassa kuidussa. Kyseessä on eräänlainen FDMA, mutta käytetään termiä WDM (Wavelength Division Multiplexing). Sitä käytetään yksimuotokuidussa. Perusteita tämän tekniikan käytölle: 1) 2,4 Gbit/s tekniikan jälkeen kustannukset kasvavat voimakkaasti ja toimivuus heikkenee, 2) suuremmilla nopeuksilla toimivien liitäntäkorttien elektroniikka on vielä suhteellisen kallista ja 3) useiden eri valokaapeleiden veto ei kannata. DWDM (dense wavelength…) -termiä käytetään, jos kanavia on erityisen tiheästi.

Neljäntenä luentopäivänä opin myös kytkentäisistä verkoista. Kytkentäinen verkko koostuu toisiinsa kytketyistä solmupisteistä (node). Verkkoa käyttäviä laitteita, esim. tietokoneita, kutsutaan asemiksi (station). Solmut tarjoavat asemille tietoliikenneverkon palvelun ja siirtävät asemien dataa. Data siirretään solmusta solmuun (kytkentä), kunnes saapuu vastaanottavan aseman liitäntäsolmuun, joka toimittaa datan perille.

Yleisesti kytkentäisissä verkoissa toiset solmut toimivat pelkästään verkon sisäisinä pisteinä, toiset taas ottavat vastaan ja luovuttavat dataa asemille. Solmujen väliset linkit on jaettu kanavoinnin (multiplexing) avulla. Verkot eivät ole täysin kytkettyjä (ei linkkiä jokaisen solmuparin välillä). Kuitenkin, mitä enemmän on mahdollisia polkuja solmujen välillä, sitä luotettavammaksi verkko muodostuu.

Tietoliikenne on perinteisesti jaettu: 1) teleliikenteeseen (puhelinverkot: PSTN (public switched telephone network), ISDN, GSM jne.) ja 2) dataliikenteeseen (dataverkot: X.25 (ITU-T:n määrittelemä liityntätstandardi), lähiverkot, Internet, GPRS jne.) Jaon takana on eri sovellusten (ääni/data) erilaiset vaatimukset. Teleliikenteessä puhe/ääni tarvitsee reaaliaikaisen kommunikointiväylän.

Piirikytkennässä datalle on tärkeämpää, että kommunikointiväyliä käytetään mahdollisimman tehokkaasti. Piirikytkennässä varatuilla resursseilla päästään tavoitteeseen eli reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon. Se on sovelias menetelmä teleliikenteen ongelmiin. Se on kehitetty puheen siirtoon ja sitä käytetään myös jossain yksityisissä kiinteissä yhteyksissä (leased line) myös dataliikenteen siirtoon. Kommunikaatio pitkin piirikytkentäistä verkkoa edellyttää määriteltyä yhteyspolkua kahden aseman välillä. Yhteyspolku on kytketty peräkkäisillä verkkosolmujen välisillä linkeillä. Jokaisessa fyysisessä linkissä on loogisia kanavia, jotka on omistettu viestinvälitykselle ja eri yhteyksille. Viestinvälitys pitkin piirikytkentäistä verkkoa sisältää kolme vaihetta: 1) yhteyden muodostuksen (piirin muodostus), 2.) datan siirron ja 3.) yhteyden lopetuksen (piirin purku). Piirikytkentäisissä verkoissa on päästä-päähän yhteys muodostettava ennen varsinaista datan siirtoa. Jokaisesta linkistä ja solmun sisäisestä kytkennästä on varattava kapasiteettia yhteyttä varten. Kanavan kapasiteetti on varattuna ko. yhteydelle koko yhteyden ajan, vaikka dataa ei kulkisikaan. Puheessa kanava saattaa olla hyvin käytetty, mutta ei silti 100-prosenttisesti. Yhteydenmuodostusaika on merkittävä verrattuna pakettikytkentäisiin verkkoihin. Kun yhteys on kerran muodostettu, sen varaamat resurssit ovat käytössä vain ja ainoastaan ko. yhteydelle niin kauan kunnes yhteys puretaan. Data siirretään vakionopeudella. Ainoa viive, joka siirron aikana syntyy, on linkkien välinen etenemisviive.

Pakettikytkentäisissä verkoissa data pilkotaan pieniin paketteihin siirtoa varten. Paketin koko riippuu pitkälti siirtoverkosta. Jokainen datapaketti sisältää käyttäjän dataa (itse siirrettävä tieto) ja kontrolli-informaatiota (mm. osoitetiedot). Reitin solmuissa paketit varastoidaan lyhyeksi aikaa ja lähetetään seuraavalle solmulle. Solmujen täytyy olla tietoisia verkon tilasta eli mitä reittiä paketit kannattaa siirtää. Pakettikytkennän yhtenä etuna piirikytkentään verrattuna on, että verkon tehokkuus on parempi. Solmusta solmuun -linkit voidaan jakaa dynaamisesti kaikilta asemilta tulevien pakettien kesken. Piirikytkennässä linkin kanava on koko ajan varattuna vain tietylle yhteydelle, vaikka dataa ei liikkuisikaan. Pakettikytkentäinen verkko voi suorittaa datanopeuden muunnoksen siinä tapauksessa, jos kaksi asemalla on erinopeuksiset yhteydet. Piirikytkentäisessä verkossa liikenteen kasvaessa suureksi uudet yhteydet estetään, kunnes liikennemäärä alenee. Pakettikytkentäisessä verkossa paketit hyväksytään puolestaan välitysviiveen kasvun hinnalla. Pakettikytkentäisessä verkossa voidaan määrätä eri prioriteetteja paketeille.

Pakettikytkennässä on käytössä kaksi eri kytkentätapaa: tietosähke ja virtuaalipiiri. Tietosähkeessä / datagrammissa paketit lähetetään täysin itsenäisinä ilman viittausta muihin jo lähetettyihin paketteihin. Jokaiselle paketille on toisista riippumaton reitityspäätös solmuissa. Vastaanottopäähän paketit saattavat saapua mielivaltaisessa järjestyksessä, jolloin niiden järjestäminen oikeaan järjestykseen on vastaanottoaseman tehtävä esimerkiksi pakettien järjestysnumeroiden avulla. Virtuaalipiirissä lähettävä asema lähettää ns. Call-Request paketin, joka etsii sopivimman reitin kohdeasemaan. Jos vastaanottaja on valmis vastaanottoon, se lähettää ns. Call-Accept paketin samaa reittiä takaisin lähettäjälle. Lähettäjä lähettää pakettinsa vastaanottajalle vakioreittiä pitkin (reitityspäätöksiä ei tarvita). Yhteys lopetetaan ns. Clear-Request paketilla.

Datagrammin ja virtuaalipiirin suurin ero on siinä, että datagrammissa jokaiselle paketille tehdään erikseen reitityspäätös virtuaalipiirissä vain Call-Request paketille. Paketit liikkuvat virtuaalipiirissä nopeammin ja varmasti alkuperäisessä järjestyksessä. Datagrammin hyötyjä on se, että päästä-päähän reitin etsiminen valintaa ei lähetyksen alussa tarvitse suorittaa. Jos vain muutama paketti on lähetettävä, on tämä tapa nopeampi kuin virtuaalipiirin tapauksessa. Datagrammi-lähetys mukautuu ruuhkatilanteisiin: valitaan reitti ruuhkattoman solmun kautta. Virtuaalipiirissä jonkin reitin varrella olevan solmun “kaatuminen” estää sen kautta menevien datavirtojen lähetyksen, kun taas datagrammissa kierretään tämä valitsemalla uusi reitti Pakettikytkentäisissä verkoissa on paketin koossa otettava huomioon se, että solmun täytyy vastaanottaa paketti kokonaisuudessaan ennen kuin se voi lähettää sitä seuraavalle solmulle. Usein kannattaa suosia pienempiä paketteja suurien sijaan, koska silloin koko datavirran siirto nopeutuu. Pakettikoossa on kuitenkin optimi, jonka jälkeen ei dataosaa kannata enää pilkkoa.

Luentopäivä 5: Viidentenä luentopäivänä sain kuulla solukkoverkoista. Ne on kehitetty lisäämään matkapuhelinpalvelujen kapasiteettia. Soluista muodostuva verkko kattaa yksittäistä solua huomattavasti suuremman alueen ja mahdollistaa saman radiotaajuuden uudelleen käytön verkon eri osissa.

Viidentenä luentopäivänä opin myös lähiverkoista. Lähiverkkokonsepti kehitettiin 1970-luvulla korvaamaan kalliit point-to-point -linkit. Kyse on verkon jakamisesta käyttäjien kesken. Se on sittemmin tullut yleisimmäksi verkkotyypiksi. Viime vuosina on lähiverkoissa tapahtunut suuria muutoksia teknologioissa, suunnittelussa ja verkkojen kaupallisissa sovelluksissa. Erityisesti suurinopeuksiset lähiverkot ovat kehittyneet nopeasti.

Lähiverkkojen yleisyyden syynä on mm. se, että se on halpa ja helposti saatavilla oleva tekniikka. Lisäksi tietokone on todennäköisemmin yhteydessä fyysisesti lähellä olevan koneen kanssa kuin kaukana olevan. Lisäksi tietokone on todennäköisesti yhteydessä tiettyjen koneiden kanssa toistuvasti esimerkiksi työpaikan tai perheen sisällä.

Lähiverkot ovat kehittyneet perinteisesti yhdessä PC-koneiden hyötykäytön kanssa. PC-käytön tarpeet ovat luoneet vaatimuksia myös lähiverkkojen kehitykselle. Viime vuosiin asti lähiverkkojen tehtävänä on ollut yhdistää PC:t ja keskustietokoneet tai tarjota mahdollisuus työryhmäkommunikointiin. Verkon käyttö oli tuolloin lähinnä tiedostojen siirtoa, sähköpostia ja tulostuspalveluiden käyttöä, eikä verkolta ei vaadittu suurta kapasiteettia. Tekniikoina olivat Ethernet ja aiemmin myös Token ring. Lähiverkkojen kehityksessä on viime vuosina ollut kaksi merkittävää suuntausta. Ensinnäkin PC-koneiden jatkuva tehonkasvu tuo mukanaan yhä monimutkaisemmat sovellukset ja toiseksi yrityksissä keksitty uusia tapoja hyödyntää lähiverkkoa: client/server -ajattelu ja intranetit. Uudet suuntaukset vaativat myös verkolta enemmän kapasiteetti ja viiveettömyyttä.

Lähiverkkojen käyttökohteita ovat mm. PC-LAN, taustaverkot, nopeat toimistoverkot sekä runkoverkko-LAN.. PC-LAN on yleinen LAN-kokoonpano, joka yhdistää PC-koneet ja yhteiset resurssit (esim. tulostin). Kriteerinä on edullisuus ja laitteiden liittämisen helppous. Taustaverkot (Backend networks) yhdistävät suurien järjestelmien osia toisiinsa (keskustietokoneet, supertietokoneet, tallennusverkot). Taustaverkkojen piirteenä on suurien tietomäärien siirto pienellä alueella sekä hyvä luotettavuus perusvaatimuksena. Edullinen hinta ei ole taustaverkkojen ykköskriteeri. Perinteisten yhteistyötoimintojen lisäksi toimistoissa on nykyään usein nopeita verkkoja vaativia toimintoja kuten videon ja kuvankäsittelyt. Näiden nopeiden toimistoverkkojen toiminta-ala on yleensä laajempi kuin taustaverkossa. Runkoverkko-LAN on korkeakapasiteettinen LAN yhdistämässä useita eri rakennusten tai osastojen LAN:t toisiinsa. Sen etuna on yhteen LAN:iin nähden skaalattavuus, hinta ja luotettavuus. Mahdollisia LAN-topologioita ovat väylä, puu, rengas ja tähti.

Suurinopeuksisen LAN:in Gigabit Ethernetissä on käytössä sama MAC-protokolla (CSMA/CD) ja Ethernet-formaatti kuin 10BASE-T ja 100BASE-T -tekniikoissakin. Gigabit Ethernetiä käytetään yleensä 100 ja 10 Mbps nopeudella toimivien lähiverkkojen runkoverkkoina. Vaikka Gigabit Ethernet -tekniikat ovat vielä varsin uusia, ne ovat saaneet jo paljon huomiota. Laajentuva Internet ja intranet-liikenne vaativat aina vaan nopeampia yhteyksiä. Verkkoon liitettävien laitteiden määrät kasvavat, verkkoliittymät nopeutuvat ja tulee entistä enemmän kaistaa vaativia sovelluksia (korkealaatuiset videot yms.). Ethernet alkaa kilpailla vanhojen WAN-tekniikoiden kanssa.

WLAN (lyhenne sanoista Wireless Local Area Network) on langaton lähiverkkotekniikka, jolla erilaiset verkkolaitteet voidaan yhdistää ilman kaapeleita. IEEE 802.11 on IEEE:n standardi langattomille WLAN-lähiverkoille.

Kotitehtävä 1 kotitehtava1_mikavehkasaari.docx

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. kotitehtava2_mikavehkasaari.pdf

Kotitehtävä 3 Kolmannessa kotitehtävässä tarkastellaan 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, olisi hyvä selvittää taajuusalue, jolla toimitaan. kotitehtaevae_3_final_mikavehkasaari.pdf

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. kotitehtaevae_4_mikavehkasaari.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. kotitehtaevae_5_mikavehkasari.pdf

Viikoittainen ajankäyttö *

Luentoviikko 1 Lähiopetus: 6 h

Opintopäiväkirjan tekemistä: 3 h

Kotitehtävän tekemistä: 2 h

Luentoviikko 2 Lähiopetus: 6 h

Opintopäiväkirjan tekemistä: 2 h

Kotitehtävän tekemistä: 2 h

Luentoviikko 3 Lähiopetus: 6 h

Opintopäiväkirjan tekemistä: 2 h

Kotitehtävän tekemistä: 2 h

Luentoviikko 4 Lähiopetus: 6 h

Opintopäiväkirjan tekemistä: 2 h

Kotitehtävän tekemistä: 2 h

Luentoviikko 5 Lähiopetus: 6 h

Opintopäiväkirjan tekemistä: 2 h

Kotitehtävän tekemistä: 3 h