T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan. Tiedonsiirron perusteet Lähiverkot

Transkriptio

1 T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan Tiedonsiirron perusteet Lähiverkot

2 Luennon aiheet Tietoliikennekäsitteitä Kerrosmallit Digitaalinen tiedonsiirto Virheet ja virheenkorjaus Lähiverkot 2

3 Internet yleiskuva 3

4 Tiedonsiirto asia, viesti sovittu merkistö median ja signaalin mukaan siirtomedia ja signaali signaali kulkee mediassa ja tulee (melko) muuttumattomana perille 4

5 Yhteyskäytäntö Protokolla Joukko sääntöjä jotka määrittelevät miten kaksi tai useampi osapuoli kommunikoivat keskenään Viestinvaihdot Viestien sisältö 5

6 Palvelu Kehyksen välitys Yhteyden muodostus Pakettien välitys... Verkkopankki Yhteyskäytännöllä on jokin funktio se tuottaa palvelun jota muut voivat hyödyntää 6

7 Kerrosmalli Kerrosmallit alunperin 70-luvulta tarve avoimelle arkkitehtuurille ISO kehitti OSI-viitemallin ja myöhemmin siihen liittyviä standardeja Etuja rajapinnat, yhteensopivuus modulaarisuus 7

8 OSI-malli Sovellus Application Esitystapa Presentation Yhteys Session Siirto Transport Verkko Verkko Network Network Linkki Linkki Data link Data link Fyysinen Fyysinen Physical Physical 8

9 TCP/IP arkkitehtuuri Sovellus Siirto Internet Internet Verkkorajapinta Verkkorajapinta Application Transport Internet Network Interface Verkko 1 Network 2 9

10 Kapselointi HTTP pyyntö TCP otsikko HTTP pyyntö IP otsikk o TCP otsikko HTTP pyyntö Ethernet otsikko IP otsikk o TCP otsikko HTTP pyyntö Tark. summ a 10

11 Tiimalasimalli IP-kerros on kaikille yhteinen riippumattomuus allaolevista verkkoratkaisuista yhteydetön pakettivälitys toipuu hyvin virheistä uudet teknologiat ja sovellukset Entä kun IP:ssä huomataan oleellinen puute? 11

12 Standardit International Telecommunication Union (ITU) Internet Engineering Taskforce (IETF) Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) de jure ja de facto standardit 12

13 Viestistä bitiksi Diskreetti Teksti, numeerinen data,... Merkkien binääriesitys Tiedoston koko: esitystapa + pakkaus Jatkuva Puhe, musiikki, valokuva,... A/D-muunnos Koko: näytteenottotaajuus + esitystapa (+ pakkaus) 13

14 Äänestä biteiksi Äänisignaali Näytteenotto Kvantisointi Pakkaus Lähettäminen Mikrofoni A/D Lähdekoodaus Linjakoodaus mp3 Siirtokanava Ääni Suodatus Pakkauksen purku Vastaanotto Kaiutin / kuuloke D/A Purku näytteiksi Linja- (de)koodaus 14

15 Miksi siirtää digitaalisesti? Siirrossa on aina virheitä ja häiriöitä Signaali vaimenee tarvitaan vahvistusta tai toistoa Analogista signaalia on mahdoton puhdistaa häiriöistä - digitaalinen voidaan tunnistaa ja lähettää uudestaan Kun siirrettävä data on digitaalista (bittiä) sisällöllä ei ole väliä 15

16 Näytteenotto ja kvantisointi 16

17 Näytteenotto ja kvantisointi Paljonko pitää ottaa näytteitä Riittävästi (Nyqvist), muuten ei palauttaminen onnistu Teoriassa tätä suurempi näytteenottotaajuus ei tuo lisäetua Miten karkea kvantisointi riittävä tarkkuus palauttamiseen kohtuudella, tiedostokoko kasvaa 17

18 Tiedon pakkaus Häviötön pakkaus jokainen bitti palautuu purettaessa ohjelmat, teksti,... Häviöllinen pakkaus purettu materiaali eroaa alkuperäisestä vastaanottaja ei huomaa eroa puhe, video,... 18

19 Linjakoodaus Miksei pelkkää ykköstä ja nollaa? Tyhjän ja pitkän nollajonon erottamiseksi Virheiden vähentämiseksi synkronointi, tasavirtakomponentti Nopeuden kasvattamiseksi monta bittiä signaalielementtiä kohden Linjakoodauksella voidaan lisätä bittinopeutta ja vähentää virhetodennäköisyyttä tietyllä kaistanleveydellä ja kohinalla, verrattuna ykkösten ja nollien lähetykseen 19

20 Linjakoodaus Muutamia esimerkkejä NRZ AMI HD3B Manchester

21 Siirtomediat Sähkömagneettinen säteily etenee eri medioissa johtimissa (metalli, johdot) valokuitu ilmassa Siirtotien ominaisuudet vaikuttavat signaaliin kastanleveys vaimeneminen kohina ja muut häiriöt 21

22 Sähkömagneettinen spektri Radio transmission Microwaves Infrared Ultraviolet FM radio and TV Visible x-ray & gamma 22

23 Siirtomedian vaikutukset Vaimeneminen (attenuation) Vääristyminen (distortion) vaihesiirto (phase shift) Kohina (noise) Kaistanleveys (bandwidth) 23

24 Virheet siirrossa alkuperäinen vaimentunut rajallinen kaista kohinaa ja häiriöitä 24

25 Digitaalinen siirto Lähetettävänä on bittejä Miten nopeasti ne voidaan luotettavasti lähettää? Siirtonopeuteen vaikuttaa lähetysteho, signaalin teho matka kohina käytettävissä oleva kaista 25

26 Nyquist Nyquistin Näytteenottotaajuus (sampling rate) pienin mahdollinen näytteenottotaajuus jolla signaali voidaan vielä palauttaa, r = 2W Signalointinopeus (signalling rate) maksimi nopeus jolla voidaan lähettää kun käytössä on tietty taajuuskaista, r max = 2W 26

27 Signaalielementti Yksi bitti / pulssi -> 2W bittiä/sekunti Monitasoinen siirto (2 m tasoa) siirtonopeus R = 2Wm bittiä/sekunti

28 Shannon Kasvatetaan tasojen määrää niin voidaan lähettää rajattomasti bittejä :) Ei onnistu, kohina tulee vastaan kuva 3.12 kurssikirjassa Shannon: kanavan kapasiteetti C = W log 2 (1 + SNR) bits/second Puhelinverkossa SNR 40 db, W 3400 Hz -> 44.8 kbps miten 56 kbps modeemi toimii? 28

29 Virheiden käsittely Tiedonsiirrossa tapahtuu aina virheitä virheiden havaitseminen havaitun virheen korjaaminen Kaksi lähestymistapaa uudelleenlähetys (Automatic Retransmission request, ARQ) virheenkorjaus (Forward Error Correction, FEC) 29

30 Virheiden havaitseminen Tarkistussumma lisätään lähetettävään viestiin tarkistusmerkkejä tietyn kaavan mukaan vastaanottaja tarkistaa että vastaaanotettu viesti noudattaa sovittua kaavaa Esimerkkejä tilinumeroiden ja viitteiden tarkistusmerkit pariteettibitti, Internet Checksum CRC 30

31 Virheenkorjaus Jos lähetetyssä viestissä on riittävästi redundanssia, havaitut virheet voidaan korjata Virheiden hallinta vie tilaa joko viestien määrä kasvaa (ARQ) tai viestien koko kasvaa redundanssin takia 31

32 Mikä on lähiverkko? Yksityinen oma, ei ulkopuolista sääntelyä Lyhyt etäisyys (~1km) koneiden välillä edullinen nopeaa, melko virheetöntä tiedonsiirtoa ei tarvita monipuolista virheenkorjausta Koneita siirretään paikasta toiseen Koneiden sijainnin hallinta työlästä Annetaan joka koneelle oma osoite Viestit lähetetään yleislähetyksenä kaikille lähiverkossa Tarvitaan menetelmä jakaa siirtomedia: medium access control protocol 32

33 Tyypillinen lähiverkko Siirtotie Verkkokortti (NIC) Uniikki MAC fyysinen osoite RAM Ethernet Processor RAM ROM 33

34 Viestintä jaetulla siirtotiellä Kaikki asemat ovat saman johdon ääressä Siirtotiellä käytetään yleislähetystä (broadcast) kaikki asemat kuulevat yhteiselle medialle lähetetyn viestin Jos kaksi asemaa lähettää yhtä aikaa tapahtuu törmäys signaalit sekoittuvat ja lähetys menee sekaisin 34

35 Eri tapoja jakaa yhteinen siirtotie Kanavajako (channelization) jokainen asema saa oman osansa jaetusta siirtotiestä sopii jatkuvaan lähetykseen Dynaaminen varaus (MAC schemes) asemat lähettävät tarpeen mukaan, törmäykset havaitaan tai niitä vältetään sovitulla tavalla purskeinen lähetys 35

36 Jaettu siirtotie -esimerkkejä Satelliitti (figure 6.3) Jaettu terminaaliyhteys (figure 6.4) Toimistoverkko (figure 6.5) Langaton verkko (figure 6.6) 36

37 Kanavajako: Satelliitti Satellite Channel uplink f in downlink f out 37

38 Vuorottelu: Kysely Data from 1 Data from 2 Inbound line Host computerpoll 1 Poll Stations Outbound Data to M line M 38

39 Vuorottelu: Valtuuden välitys Rengasverkko token Data to M token Asema jolla on valtuus lähettää renkaaseen 39

40 Kilpavaraus Väylä Crash!! Lähetys tarvittaessa Törmäykset mahdollisia; strategia uudelleenlähetyksille 40

41 Wireless LAN AdHoc: asemalta asemalle Infrastructure: asemalta tukiasemalle Kilpavaraus & kysely 41

42 Verkkotopologiat Väylä Rengas Tähti Verkko Puu Mikä on langattoman verkon topologia? 42

43 MAC protokollat Hyvän MAC protokollan ominaisuuksia siirtoviive oikeudenmukaisuus luotettavuus liikenteen tyyppi palvelunlaatu (Quality of service, QoS) skaalatutuvuus hinta 43

44 Kilpavaraus (random access) Ei sovittuja lähetysvuoroja lähetys satunnaisesti silloin kun on lähetettävää Törmäysten havaitseminen Tapa välttää uudet törmäykset uudelleenlähetyksessä 44

45 CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection havaitaan törmäykset säästetään kaistaa lopettamalla törmännyt lähetys heti Kauanko kestää ennen kun kaikki ovat havainneet törmäyksen? 45

46 CSMA-CD törmäys A B A B A B 46

47 Vuorottelu (Scheduling) Kilpavaraus on tehoton suurilla liikennemäärillä Vuorottelu (scheduling) on organisoidumpi tapa jakaa vuoroja varaus (reservation) kysely (polling) valtuuden välitys (token passing) 47

48 Kysely (Polling) Asemat vuorottelevat siirtotien käytössä oikeus lähettää luovutetaan asemalta toiselle Joko keskitetyllä hallinnalla tai hajautetusti Kyselyihin kuluu aikaa - walktime 48

49 Valtuuden välitys (Token passing) Rengas muodostuu ketjusta kahden aseman välisiä yhteyksiä jokainen verkkokortti kuuntelee liikennettä, poimii omat paketit talteen ja välittää muut eteenpäin Valtuuden välitys ja renkaan viive multitoken, single token and single packet operation Hajautettu kysely renkaassa 49

50 Kilpavaraus ja vuorottelu Toimii kun liikennettä on kohtuullisesti liikenne on purskeista Jatkuva lähetys vaatii eri menetelmät 50

51 Kanavajako Jatkuvalle lähetykselle tarvitaan kanava Kanavajako (channelization) ja kanavointi (multiplexing) sama idea siirtotien jaossa kanavajako yleislähetysverkossa kanavointi jaetulla point-to-point yhteydellä FDMA, TDMA, CDMA 51

52 FDMA Frequency Division Multiple Access Jaetaan taajuuskaista M osaan kukin M asemasta saa oman osan kokonaan käyttöönsä asema voi lähettää jatkuvasti nopeudella ~ R/M jossa R on koko kanavan siirtonopeus 52

53 Kanavajako: FDMA Frequency W 1 2 M 1 M Guard bands Time 53

54 TDMA Time Division Multiple Access Jaetaan lähetysaika aikajaksoihin kukin asema saa vuorollaan koko kaistan käyttöönsä nopeus samoin R/M 54

55 Kanavajako: TDMA Frequency Guard time W M 1 One cycle Time 55

56 CDMA Code Division Multiple Access Asemat lähettävät samalla taajuuskaistalla samanaikaisesti Kunkin aseman lähetys koodataan niin että vastaanottaja voi tunnistaa sen mutta muille lähetys on kohinaa UWB, matkapuhelinverkot 56

57 Kanavajako: CDMA Kanavat määräytyvät moduloinnissa ja demoduloinnissa käytettävien koodien mukaan Jokainen asema käyttää koko taajuusaluetta koko ajan! Frequency 1 2 W 3 Time 57

58 GSM Käyttää TDMA/FDMA yhdistelmää Taajuuskaista jaettu kantoaaltoihin (FDMA) tukiasemalla on yksi tai useampi kantoaalto käytössään Kantoaalto on digitaalisesti moduloitu ja sillä siirretään TDMA kehysrakennetta signalointikehyksiä ja datakehyksiä 58

59 LAN standardeja Ethernet, Token ring, FDDI, WLAN MAC käytäntö kehysrakenne fyysinen siirtotie 59

60 IEEE Ethernet Väylä, CSMA-CD minislot time > 2t prop aika joka vaaditaan väylän valtaamiseen 10 Mbps ja 2500 m matka kehyksen minimikoko 512 bittiä tai 64 byteä exponential backoff uusien törmäysten välttämiseksi 60

61 IEEE Kehysrakenne or 6 2 or Preamble SD Destination Address Source Address Length Information Pad FCS Total 64 to 1518 Bytes 0 Single address 1 Group address 0 Local address 0 Global address 61

62 IEEE Osoitteet Unicast pysyvä verkkokortin osoite (NIC) Multicast, monilähetys ryhmä vastaanottajia Broadcast, yleislähetys pelkkiä ykkösiä, kaikki vastaanottaa 62

63 IEEE Fyysinen kerros Keskitin (hub) kaikki asemat saman siirtotien ääressä rajallinen määrä asemia Ethernet kytkin (switch) erilliset törmäysalueet verkon kokoa voidaan kasvattaa 63

64 Ethernet Hubs & Switches Single collision domain (a) (b) High-Speed backplane or interconnection fabric Twisted Pair Cheap Easy to work with Reliable Star-topology CSMA-CD Twisted Pair Cheap Bridging increases scalability Separate collision domains Full duplex operation 64

65 FDDI Fibre Distributed Data Interface Rengastopologia, jopa 500 asemaa Ajastettu valtuutus (timed token) Optinen kuitu, 100 Mbps jopa 200 km etäisyyksillä Esim kampusverkon runkoverkkona kytkemässä yhteen eri Ethernet lähiverkkoja 65

66 Langaton viestintä Langaton viestintä (wireless communication) + Helppo, edullinen asennus + Liikkuvuus: Pääsy verkkoon missä vaan + Tuki henkilökohtaisille laitteille + PDA, kannettava, puhelin + Muu laiteviestintä + Kamerat, paikannus, langaton tunnistus - Signaalin voimakkuus vaihtelee ajan ja paikan mukaan - Signaali kenen tahansa kuunneltavissa, salakuuntelu - Taajuuskaistan rajallisuus ja viranomaisrajoitukset 66

67 Hidden Terminal Problem (a) A Data Frame C A transmits data frame B C senses medium, station A is hidden from C (b) Data Frame B Data Frame C A C transmits data frame & collides with A at B New MAC: CSMA with Collision Avoidance 67

68 Ad Hoc Viestintä A C B D Tilapäinen asemien ryhmäytyminen Toistensa kuuluvuusalueella Tarve viestiä keskenään Esim. Esitys kokouksessa, hajautettu tietokonepeli 68

69 Luentokerran aiheet Tietoliikenteen käsitteistöä Kerrataan vielä monilla luennoilla Kerrosmallit Tarkemmin kotitehtävässä Digitaalinen esitystapa Aiheesta lisää kurssin multimediaosuudessa Siirtomedian ominaisuudet Siirtonopeus ja siihen vaikuttavat tekijät Lähiverkot Jaetun siirtotien ongelmat ja ratkaisut 69