Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tietoverkkojen perusteita. Minkälaisia yhteyksiä on olemassa?

Transkriptio

1 Kurssin perustiedot Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Verkoista & » Kalevi Kilkki: Luennot ja kurssin sisältö Jari Lietzen: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset Ohjelma 1. Johdanto ma & ke Tietoliikennealan palvelut ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kommunikaatioakustiikka ma 1.2. & ke 3.2. (Ville Pulkki) 5. Puheteknologia ma 8.2. & ke (Kalle Palomäki) 6. Kiinteät verkot ma & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma & ke Internet ma 7.3. & ke 9.3. Tämän viikon aiheet Tietoverkkojen perusteita» Maanantain oppimistavoitteita 1. Verkkojen rakenteet (topologiat) 2. Verkon kustannus vs. luotettavuus» Keskiviikon oppimistavoitteita 1. OSI-malli 2. Poisson-liikenne ja Erlangin kaava Laskuharjoitus 1. Verkon luotettavuus 2. Tasapainotila ja Erlangin kaava 3 Minkälaisia yhteyksiä on olemassa? Kytkentäisyydet N Kiinteästi kytketyt Yhteydet Valintaiset Piirikytkentäiset Pakettikytkentäiset» Piirikytkentäinen (circuit switching) Tarvittavat resurssi on varattu ja käytettävissä koko yhteystapahtuman ajan riippumatta siitä käytetäänkö yhteyttä vai ei mutta varaus on venyvä käsite, samoin yhteystapahtuma Sopii esim. puheelle tai kuvalle, joissa tarve on jatkuva» Pakettikytkentäinen (packet switching) Tiedon siirto paketeissa, joissa osoitetieto mukana Ei tarvitse resurssin varausta Internetin toimintaperiaate (sovelluksesta riippumatta) 5 6 1

2 Vertailua Mihin mennään Piirikytkentä Puhelinverkoissa alusta alkaen naloginen tai digitaalinen Osoitetieto välitetään vain kerran (vaatii erillisen merkinannon) Tehoton jos tarve vaihtelee yhteystapahtuman aikana Informaatio kulkee aina samaa reittiä, järjestystä muuttamatta Päätelaitteiden pitää toimia samalla nopeudella Viiveen vaihtelu minimaalista Informaatiota hukkuu vain vikatilanteissa Kapasiteetin lisäys jäykkää Pakettikytkentä Dataverkoissa yleisin ina digitaalinen Jokaisessa paketissa osoitetieto (ei välttämättä erillistä merkinantoa) Tehokas siirtokapasiteetin käyttö Paketit voivat kulkea eri reittejä ja niiden järjestys voi vaihtua Päätelaitteet voivat toimia eri nopeuksilla Viiveen vaihtelu voi olla huomattavaa Paketteja voi hukkua matkalla, mutta ne voidaan lähettää uudelleen Kapasiteetin lisäys joustavaa» Kun kapasiteetit ja yhteyksien määrät ovat hyvin suuria pakettikytkentä Runkoverkon perusteknologia (IP) pakettikytkentäistä Eri tekniikat voivat toimia samanaikaisesti eri verkkokerroksilla 7 8 Internetin topologia Puhelinverkosta ei vastaava kuvaa löydy vaan pikemminkin. Verkkorakenne (puhelin/tele-) Kaukokeskus Ulkomaankeskus Ristikytkentä Paikalliskeskus Talojakamo Vastuuraja Keskitin talojakamo Katujakamo (Mahdollinen) verkon looginen rakenne IPR-kevennys, mutta mikä on pointti? Täysin silmukoitu (esim. kansainväliset operaattorit) Silmukoitu (yhden operaattorin runkoverkko) Rengas (metropolialue) Tähti (tilaajaverkko)

3 Verkkojen perustermit Verkkorakenteita eli topologioita Päätelaite Jänne Solmu Väylä Rengas Reitti Tähti Silmukoitu Puu Erään verkon 16 solmua Paikat kartalla. Paikat arvottu! Lopputulos tosin lähes epäilyttävän tasainen! Pituuksien hahmottamiseksi! 100 km Täysin silmukoitu (full mesh) 120 * 216 = km Jänteiden Jänteiden lukumäärä keskipituus Tähti 15 * 164 = 2460 km < 10 % täysin silmukoidun verkon kokonaispituudesta Täysin silmukoidun verkon jänteiden yhteispituus N 2 (kun alueen koko on vakio) laajennettavuus huono! Yksi solmu on kriittinen resurssi, toisaalta muut solmut voivat olla yksinkertaisia Kokonaispituus N (kun alueen koko on vakio)

4 Hierarkkinen 2 tasoa 15 * 115 = 1722 km muutos edelliseen = -30% Vain yksi väylä 15 * 92 = 1380 km Jos päätepisteitä on paljon, hierarkia on luontainen ratkaisu (16 solmua on hierarkkiseksi verkoksi pieni) Signaalin ei tarvitse kulkea minkään solmun kautta (solmu poimii oman signaalin) Rengas 16 * 99 = 1578 km Puu 15 * 84 = 1256 km < 5% täysin silmukoidun verkon kokonaispituudesta Lyhyimmän reitin etsiminen eli Kauppamatkustajan ongelma on ns. NP täydellinen eli ongelma joka on äärimmäisen vaikea ratkaista kun solmujen määrä on suuri Lyhyin mahdollinen jänteiden kokonaispituus, joilla voi yhdistää kaikki solmut Kokonaispituus N (kun alueen koko on vakio) Silmukoitu (harva) 18 * 96 = 1722 km muutos edelliseen = +37% Silmukoitu (melko tiheä) 27 * 115 = 3108 km muutos edelliseen = +80% Muutamakin lisäjänne parantaa olennaisesti verkko-palveluiden saatavuutta (luotettavuutta) Tässä verkossa on vähintään 3 vaihtoehtoista (täysin eri) reittiä jokaisen solmuparin välillä

5 Vertailu Kustannus vs. luotettavuus Max linkkejä Linkkejä Keskipituus Kokonaispituus Vaihtoehtoisia reittejä Väylä Rengas Tähti tasoa Puu Silmukoitu Silmukoitu Täysin silmukoitu » Verkkoa voidaan parantaa lisäämällä resursseja Kustannus hyöty» Yksinkertainen malli Resurssi = tiedonsiirtoyhteys = jänne solmujen välillä Kustannus = jänteen rakentaminen ja ylläpito Hyöty = luotettavampi palvelu (myös suurempi kapasiteetti, ei tarkastella tässä) Vikatilastoja kaapeleille Sellaisenaan upotettu kaapeli (216 vikaa) Putkitettu kaapeli (160 vikaa) Kaivuu 80% 65% Jyrsijät 5% 2% Työmiehet 2% 13% Tulva 2% - Salama 2% - Höyry - 2% Äärilämpötila - 2% Muut syyt 9% 17% nalyysi Laskelma» Kaapeleissa keskimäärin (korkeintaan) 2 vikaa/1000 km/vuosi» Oletetaan Jänteen pituus = 100 km Korjausaika = 8 tuntia Saatavuus = 1-2*100/1000/8/365/ % Mutta poikkeusolosuhteissa voi olla paljon huonompi (myrsky, kriisi, hyökkäys )» Kustannus = jänne (tai kaapelikilometri)» Hyötylaskelma (tai epäluotettavuuden kustannuslaskelma) Yhden jänteen (i) saatavuus: i = todennäköisyys että yhteys jänteen yli toimii Reitti jolla on N kappaleita (riippumattomia) jänteitä peräkkäin N = i=1 N i ( = tekijöiden tulo) Yhteysväli jolla on M kappaletta vaihtoehtoisia, toisistaan riippumattomia reittejä (j) M = 1 j=1 M j = reitin j saatavuus 1 j

6 Laskelma jatkuu Vaihtoehtoisten reittien vaikutus B Ei vaihtoehtoisia reittejä B Kaksi vaihtoehtoista reittiä B Kolme vaihtoehtoista reittiä B Reitti 1: 6 jännettä 99% 25 vrk/vuosi 35 tuntia/vuosi 50 min/vuosi Reitti 2: 7 jännettä 99.9% 61 tuntia/vuosi 22 minuuttia/vuosi 3 s/vuosi Keskimääräinen aika, jona yhteys B ei ole käytettävissä i = Yhden jänteen saatavuus (toiminnan todennäköisyys, oletetaan vakioksi) Käytännössä ISO:n OSI-malli» Viat voivat riippua toisistaan Myrsky (tai joku muu syy) vie sähköt laajalta alueelta Sama ohjelmistovika useissa paikoissa Vian aiheuttama ylikuormitustilanne leviää Samanaikainen hyökkäys useaan paikkaan» OSI = Open Systems Interconnection Reference Model Kehitetty 1980-luvulla tietoliikenneverkkojen toimintojen kuvaamiseen ja jäsentämiseen Kansainvälinen standardi (ISO, ITU) Kuvaa tiedonsiirtoprotokollien yhdistelmän 7 kerroksessa Kukin kerroksista käyttää yhtä alemman kerroksen palveluja ja tarjoaa palveluja yhtä kerrosta ylemmäs» OSI-verkko ei saavuttanut suosiota (TCP/IP jyräsi) Silti, tietoliikenteen asiantuntijan on tunnettava OSI-tasot! ISO:n OSI-mallin kerrokset Esimerkki = analogia 7. Sovelluskerros (pplication layer): käyttäjälle näkyvät sovellukset 6. Esitystapakerros (Presentation layer): Vain teoriassa! [muuttaa tiedon käyttäjälle sopivaan muotoon, esim. Unicode-tekstin kiinankielisiksi merkeiksi] 5. Istuntokerros (Session layer) [tietokoneiden väliset yhteydet (=istunnot): avaa ja sulkee ja tarvittaessa käynnistää uudelleen] 4. Kuljetuskerros (Transport layer): huolehtii siitä, että paketit tulevat perille ja järjestää paketit oikeaan järjestykseen vuonhallinta estää vastaanottopuskurin ylivuodon 3. Verkkokerros (Network layer): globaalin reitityksen ja kohdekoneen löytäminen koko verkosta 2. Siirto(yhteys)kerros (Data Link layer) paikallisen lähiverkon laitteiden välinen liikennöinti, vuoron jakomenettely 1. Fyysinen kerros (Physical layer) mm. sähköiset ja mekaaniset määrittelyt 7. Sovellus rmeijan johtaminen jatus Tietoisuus Hell, minun pitää näyttää olevani ankara kuningas Kuningas on seonnut, mutta pakko on totella Ymmärrys Tietoisuus 6. Esitystapa Puhuttu lause Ilmaus (puhe, ele, kirjoitus) 5. Istunto Kuninkaan vastaanotto rmeija hyökätköön aamulla kello 6 Kuninkaan käsky: hyökkäys kello 6 Informaation käsittely Kooditaulukko Vastaanotin Käyttöliittymä Havaitseminen Mielen automatiikka Mielen automatiikka 4. Kuljetus Kirje käskyketjun läpi Lähetin Kanava Häiriölähde Käyttöliittymä Informaation käsittely Vastaanottajan haku 3. Verkko Optisen lennätinverkon kartta 2. Siirtoyhteys Viestien käsittely lennätinasemilla 1. Fyysinen Optisen lennättimen taulut

7 Nykymaailmassa CSM/CD Sovelluskerros Esitystapakerros Istuntokerros Kuljetuskerros Verkkokerros Siirtokerros Fyysinen kerros Kerros = ohjelmistomoduli Sisäisesti Kerrokset keskustelevat yhtä alemman ja yhtä ylemmän kanssa Ulkomaailman kanssa Samalla kerroksella toisessa päässä Verkkokerros Siirtokerros Fyysinen kerros Sovelluskerros Esitystapakerros Istuntokerros Kuljetuskerros Verkkokerros Siirtokerros Fyysinen kerros» Carrier Sense Multiple ccess With Collision Detection Ethernetissä käytetty siirtotien varaus -menetelmä ei ennalta sovittua tapaa välttää törmäyksiä vaan perustuu törmäyksien havaitsemiseen jälkikäteen Jos törmäys havaitaan lähettäjät lähettävät saman tiedon satunnaisen ajan kuluttua uudelleen uuden törmäyksen todennäköisyys on (suhteellisen) pieni Päätelaite Reititin Palvelin CSM/CD Lähetä kehys Kokoa kehys on Kantoaalto? ei loita lähetys Odota rvo viive Liikenneteorian perusteita Törmäys? on ei ei Valmis? on Lähetä sotkua Liikaa yrityksiä? on ei OK Ei onnistu Termit puheluina Liikenneprosessi» Estojärjestelmässä uusi kutsu joko välitetään (hyväksytään) tai se estyy (menetetään)» Puheluita on siten kolmea tyyppiä Tarjottu Välitetty Estynyt Puheluiden alkamisajankohdat Puhelun pituus» Kutsuesto = estyneet puhelut / tarjotut puhelut» Liikenne = kutsujen määrä * puheluiden (keski)pituus» mutta miten puhelut lasketaan jos 3 epäonnistunutta yritystä ja 4. onnistuu? Kanavien määrä (6) Välitetty liikenne Menetetty liikenne aika kuva: Pasi Lassila

8 Poisson-malli Liikenne simuloituna ( = 10 Erl, Poisson)» Määritelmä: Poisson-mallissa Ääretön määrä toisistaan riippumattomia asiakkaita Saapumisaikojen välit ovat toisistaan riippumattomia ja eksponentiaalisesti jakautuneita, keskiarvolla 1/y Eli asiakkaat tulevat Poisson-prosessin mukaisesti Palveluajat ovat toisistaan riippumattomia ja eksponentiaalisesti jakautuneita, keskiarvolla h Ääretön määrä palvelupaikkoja» Liikenteen voimakkuus = y h Yksikkö Erlang 20 Erl min 60 Tilan todennäköisyys (simuloitu) Liikenne: 100 Erlangia Ennustamisen sietämätön keveys 125 Erl Vaarini tiesi päivälleen ja minuutilleen, milloin hän kuolisi. Siis hän oli todella jalostunut sielu! Mistä hän sen tiedon sai? Tuomari kertoi hänelle. 25 Platon ja vesinokkaeläin menivät kapakkaan min Suorituskykyanalyysi Yksinkertaisin järjestelmä» Vaiheet 1. Tilojen määrittäminen 2. Tilojen välisten siirtymien määrittäminen 3. Tilojen välisten siirtymien intensiteetit 4. Yhtälöt perustuen lokaaleihin tasapainoihin 5. Todennäköisyyksien ratkaiseminen 6. Johtopäätösten teko Wikipedia: Intuitively, the state of a system describes enough about the system to determine its future behaviour. dt 0 1 dt min

9 Järjestelmän tila Tila = muuttujien joukko, joka riittää kuvaamaan järjestelmän käyttäytymisen tulevaisuudessa kun järjestelmään syötteet tunnetaan (?) (tai niiltä osin kuin se on mahdollista tuntematta järjestelmän syötteitä)? Toinen järjestelmä 2 4 B 1 = 2 = 3 Yhtälöt: = 5 C 3 = 1 D = 4 Entä jos tilan muutos C D estetään? Poisson-liikenne & estojärjestelmä Periaate 0.15 Tilan todennäköisyys 0.10 = 10, S = 14 Poisson-jakauma: P i = e i i! 0 1 i -1 i i +1 S -1 S i (i+1) S 0.05 Keskimääräinen palveluaika = h = 1/ Tila = käynnissä olevien puheluiden määrä Lopputulos teoriassa ja aika hyvin käytännössäkin Sallittu 100% kuormitusaste (/S) B = 1 % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% B = 0.1 % Eli: jos tunnetaan palvelupaikkojen määrä (S) ja liikenne (), voidaan ennustaa kuinka suuri osa yrityksistä estyy. 0% Palvelupaikkojen määrä (S) 53 9