ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet

Transkriptio

1 ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Verkoista & Kurssin ohjelma» Kalevi Kilkki Luennot ja kurssin sisältö Prof. Ville Pulkki» Prof. Tom äckström» Juho Kaivosoja: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset 1. Johdanto ma 9.1. & ke Liiketoiminta ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kiinteät verkot ma & ke Kommunikaatioakustiikka ma 6.2. & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma & ke Puheteknologia ma & ke Internet ma 6.3. & ke

2 Tämän viikon aiheet» 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. Erlangin kaava Verkkoihin liittyviä kysymyksiä 1. Miten verkon topologia vaikuttaa verkon avulla tuotettavan 1. tunti tiedonsiirtopalvelun kustannuksiin ja luotettavuuteen? 2. Mitkä ovat piiri- ja pakettikytkentäisten verkkojen tärkeimmät edut ja ongelmat? 3. Mitä käytännöllistä hyötyä on OSI-mallista ja sen tasoista? Tarvitaanko tasoja 7 vai riittääkö vähemmän tasoja? 4. Minkälaisessa tilanteessa CSM/CD-periaate on hyödyllinen ja joissakin tapauksissa jopa välttämätön osa tiedonsiirron toteutusta? 5. Miksi Poisson-malli ja sen avulla johdettu Erlangin estokaava toimii hyvin puhelinliikenteen mallinnukseen ja puhelinverkkojen mitoitukseen, mutta ei juuri lainkaan dataliikenteelle mallinnukseen tai Internetin mitoitukseen? ELEC-C

3 ELEC-C 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% lcoa Fujikura Ltd (May 2001) ELEC-C

4 Kustannus vs. luotettavuus» Luotettavuutta voidaan parantaa lisäämällä resursseja Kustannus «hyöty» Yksinkertainen malli Resurssi = tiedonsiirtoyhteys = jänne solmujen välillä Kustannus = jänteen rakentaminen ja ylläpito Hyöty = luotettavampi palvelu + mahdollisesti suurempi kapasiteetti (riippuu siitä onko pullonkaula siirto- vai välityskapasiteetti) ELEC-C Verkkorakenteita eli topologioita Väylä Rengas Silmukoitu (ristikko) Tähti Puu Täysin silmukoitu ELEC-C

5 Erään verkon 16 solmua Paikat arvottu! - Lopputulos tosin lähes epäilyttävän tasainen! ELEC-C Paikat kartalla. Pituuksien hahmottamiseksi! 100 km ELEC-C

6 Vastaat pankin runkoverkosta Minkä verkon valitsisit näistä 5:stä? C D E ELEC-C Täysin silmukoitu (full mesh) 120 * 216 = km Jänteiden Jänteiden lukumäärä keskipituus Täysin silmukoidun verkon jänteiden yhteispituus ~ N 2 (kun alueen koko on vakio) huono laajennettavuus ELEC-C

7 Tähti 15 * 164 = 2460 km < 10 % täysin silmukoidun verkon kokonaispituudesta Yksi solmu on kriittinen resurssi, toisaalta muut solmut voivat olla yksinkertaisia Kokonaispituus ~N (kun alueen koko on vakio) ELEC-C Hierarkkinen 2 tasoa 15 * 115 = 1722 km muutos edelliseen (tähti) = -30% Jos päätepisteitä on paljon, hierarkia on luontainen ratkaisu (16 solmua on hierarkkiseksi verkoksi pieni) ELEC-C

8 Vain yksi väylä 15 * 92 = 1380 km Signaalin ei tarvitse kulkea minkään solmun kautta (solmu siis poimii oman signaalin) ELEC-C Rengas 16 * 99 = 1578 km muutos edelliseen (väylä) = +14% Lyhyimmän reitin etsiminen eli Kauppamatkustajan ongelma on ns. NP täydellinen eli ongelma joka on äärimmäisen vaikea ratkaista kun solmujen määrä on suuri ELEC-C

9 Puu 15 * 84 = 1256 km < 5% täysin silmukoidun verkon kokonaispituudesta Lyhyin mahdollinen jänteiden kokonaispituus, joilla voi yhdistää kaikki solmut Kokonaispituus ~ (kun alueen koko on vakio) 17 ELEC-C7110 Silmukoitu (harva) 18 * 96 = 1722 km muutos edelliseen (puu) = +37% Muutamakin lisäjänne parantaa olennaisesti verkko-palveluiden saatavuutta (luotettavuutta) ELEC-C

10 Silmukoitu (melko tiheä) 27 * 115 = 3108 km muutos edelliseen (harva) = +80% Tässä verkossa on vähintään 3 vaihtoehtoista (täysin eri) reittiä jokaisen solmuparin välillä ELEC-C Kustannus» Oletukset alueen koko on vakio solmut sijoittuvat tasaisesti alueelle N = solmujen lukumäärä» Kokonaispituus Puumainen verkko» Ristikkoverkko» 2 Tähtimäinen verkko» 0,38 Täysin kytketty verkko» 0,26 N = N = ELEC-C

11 Vertailu Max linkkejä Linkkejä Keskipituus Kokonaispituus Vaihtoehtoisia reittejä Väylä Rengas Tähti tason hierarkia Puu Silmukoitu harva Silmukoitu tiheä Täysin silmukoitu ELEC-C Saatavuuden analyysi» Kaapeleissa keskimäärin (korkeintaan) 2 vikaa/1000 km/vuosi» Oletetaan Jänteen pituus = 100 km Korjausaika = 8 tuntia Saatavuus = 1-2*100/1000/8/365/24» 99.98%» Poikkeustilanteissa voi olla paljon huonompi myrsky, kriisi, hyökkäys» Lisäksi sama ohjelmistovika voi ilmetä useassa solmussa vian aiheuttama ylikuormitus voi levitä läpi verkon ELEC-C

12 Laskelma» 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 = (P = tekijöiden tulo) Yhteysväli jolla on M kappaletta vaihtoehtoisia, toisistaan riippumattomia reittejä (j) =1 1 = reitin j saatavuus ELEC-C Laskelma solmujen ja välille ( i = vakio) =1 1 1 Reitti 1: 6 jännettä 6 = Reitti 2: 7 jännettä 6 = 2015 ELEC-C

13 Vaihtoehtoisten reittien vaikutus Ei vaihtoehtoisia reittejä Kaksi vaihtoehtoista reittiä Kolme vaihtoehtoista reittiä 99% 25 vrk/vuosi 35 tuntia/vuosi 50 min/vuosi 99.9% 61 tuntia/vuosi 22 minuuttia/vuosi 3 s/vuosi Keskimääräinen aika, jona yhteys ei ole käytettävissä i = Yhden jänteen saatavuus (toiminnan todennäköisyys, oletetaan vakioksi) ELEC-C Minkä verkon valitsisit nyt näistä? C D E ELEC-C

14 14 4 solmua & 3 6 jännettä 2015 ELEC-C C D C D C D C D C D C D Yksi reitti» (jänne) = 99%» Reitti -C: saatavuus = 0,99 * 0,99 = 0,9801» 98% ELEC-C C D

15 Kaksi reittiä C D» Reitti --C: saatavuus = 98%» Reitti -D-C: saatavuus = 98%» Tn että kumpikaan ei käytössä = 0,02 * 0,02 = 0,0004» Väli -C saatavuus = 1 0,0004 = 99,96% ELEC-C Saatavuuden erot! Yhden linkin saatavuus p = 99% => Yhteyden -C epäkäytettävyys/vuosi? C C C C D D D D 174 t/v = 98,0% 3,5 t/v = 99,96% 2 min/v = 99,9996% 1 min/v = 99,9998% Epäkäytettävyyden kokonaisaika ELEC-C

16 Internetin topologia Puhelinverkosta ei vastaava kuvaa löydy vaan pikemminkin ELEC-C Puhelinverkon rakenne Kaukokeskus Ulkomaankeskus Ristikytkentä Paikalliskeskus Vastuuraja Katujakamo Talojakamo talojakamo Keskitin 16

17 Looginen rakenne eri tasoilla Täysin silmukoitu (esim. kansainväliset operaattorit) Silmukoitu (yhden operaattorin runkoverkko) Rengas (metropolialue) Tähti (tilaajaverkko) ELEC-C IPR-kevennys, mutta mikä on pointti? Mitä informaatiota ei mitään sisältää? ELEC-C

18 Minkälaisia yhteyksiä on olemassa? Yhteydet Kiinteästi kytketyt Valintaiset N Piirikytkentäiset Pakettikytkentäiset ELEC-C Kytkentäisyydet» 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 videolle» Pakettikytkentäinen (packet switching) Tiedon siirto paketeissa, joissa osoitetieto mukana ei tarvitse resurssin varausta Internetin toimintaperiaate (sovelluksesta riippumatta) ELEC-C

19 Vertailua 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 ELEC-C Mihin mennään» Kun kapasiteetit ja yhteyksien määrät ovat hyvin suuria pakettikytkentä Runkoverkon perusteknologia (IP) pakettikytkentäistä Eri tekniikat voivat toimia samanaikaisesti eri verkkokerroksilla ELEC-C

20 Verkkoihin liittyviä kysymyksiä 1. Miten verkon topologia vaikuttaa verkon avulla tuotettavan tiedonsiirtopalvelun kustannuksiin ja luotettavuuteen? 2. Mitkä ovat piiri- ja pakettikytkentäisten verkkojen tärkeimmät edut ja ongelmat? 3. Mitä käytännöllistä hyötyä on OSI-mallista ja sen tasoista? Tarvitaanko tasoja 7 vai riittääkö vähemmän tasoja? 4. Minkälaisessa tilanteessa CSM/CD-periaate on hyödyllinen ja joissakin tapauksissa jopa välttämätön osa tiedonsiirron toteutusta? 5. Miksi Poisson-malli ja sen avulla johdettu Erlangin estokaava toimii hyvin puhelinliikenteen mallinnukseen ja puhelinverkkojen mitoitukseen, mutta ei juuri lainkaan dataliikenteelle mallinnukseen tai Internetin mitoitukseen? ELEC-C ISO:n OSI-malli» 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! ELEC-C

21 ISO:n OSI-mallin kerrokset 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 ELEC-C Esimerkki = analogia 7. Sovellus rmeijan johtaminen 6. Esitystapa Puhuttu lause 5. Istunto Kuninkaan vastaanotto 4. Kuljetus Kirje käskyketjun läpi 3. Verkko Optisen lennätinverkon kartta Hell, minun pitää näyttää olevani ankara kuningas Kuningas on seonnut, mutta pakko on totella Häiriölähde Käyttöliittymä rmeija hyökätköön aamulla kello 6 Kuninkaan käsky: hyökkäys kello 6 Vastaanotin Käyttöliittymä Ilmaus (puhe, ele, kirjoitus) Havaitseminen Ymmärrys Mielen automa- Tietoisuus tiikka jatus Mielen automa- Tietoisuus tiikka Vastaanottajan haku Informaation käsittely Kooditaulukko Informaation käsittely Lähetin Kanava 2. Siirtoyhteys Viestien käsittely lennätinasemilla 1. Fyysinen Optisen lennättimen taulut ELEC-C

22 Nykymaailmassa Sovelluskerros Esitystapakerros Istuntokerros Kuljetuskerros Kerros = ohjelmistomoduli Sisäisesti Kerrokset keskustelevat yhtä alemman ja yhtä ylemmän kanssa Ulkomaailman kanssa Samalla kerroksella toisessa päässä Sovelluskerros Esitystapakerros Istuntokerros Kuljetuskerros 3 Verkkokerros Verkkokerros Verkkokerros 2 Siirtokerros Siirtokerros Siirtokerros 1 Fyysinen kerros Fyysinen kerros Fyysinen kerros Päätelaite Reititin Palvelin ELEC-C Mutta miksi tasoja?» Erityisesti koska eri tasojen ohjelmistoja ja laitteita voidaan kehittää toisistaan riippumatta Tämä vaatii avoimia standardeja Ja usein sopimuksia koskien patenttien käyttöoikeuksia 2015 ELEC-C

23 CSM/CD» 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 ELEC-C CSM/CD Lähetä kehys Kokoa kehys on Kantoaalto? ei Odota loita lähetys rvo viive Törmäys? on ei ei Valmis? on Lähetä sotkua Liikaa yrityksiä? on ei OK Ei onnistu ELEC-C

24 CSM/CD Carrier Sense Multiple ccess With Collision Detection ei ennalta sovittua tapaa välttää törmäyksiä vaan törmäyksien jälkikäteiseen havaitsemiseen. Jos törmäys havaitaan, lähettäjät lähettävät saman tiedon satunnaisen ajan kuluttua uudelleen, jolloin uuden törmäyksen todennäköisyys on pieni. ELEC-C semalla on viesti semalle Sanoma alle: veni vidi ELEC-C

25 aloittaa lähetyksen, samaan aikaan päättää lähettää viestin :lle. Sanoma eelle: lea iac Sanoma le: Veni vidi vici ELEC-C Sanomat törmäävät väylälle mutta kukaan ei huomaa vielä mitään ma eelle: lea iacta est Sanoma alle: Veni vidi vici. rthago delenda est. ELEC-C

26 sema huomaa törmäyksen koska saapuva sanoma tulee samaan aikaan lähetyksen kanssa iacta est San Sanoma eelle: alle: Veni vidi vici. Carthago de da est. ELEC-C Lopulta myös havaitsee törmäyksen (/& %!=) /&% / ( %#! vidi a eelle alea%(& ##(:?!&+ =&( Carthago delen# % / )=! #/&/ Sa # ELEC-C

27 CSM/CD» Miksi edelleen tarpeen?» Uusi asema radioyhteydellä ELEC-C Liikenneteorian perusteita 2015 ELEC-C

28 Termit puheluina» Estojärjestelmässä uusi kutsu joko välitetään (hyväksytään) tai se estyy (menetetään)» Puheluita on siten kolmea tyyppiä Tarjottu Välitetty Estynyt» Kutsuesto = estyneet puhelut / tarjotut puhelut» Liikenne = kutsujen määrä * puheluiden (keski)pituus» mutta miten puhelut lasketaan jos 3 epäonnistunutta yritystä ja 4. onnistuu? 55 Liikenneprosessi Puhelun pituus Puheluiden alkamisajankohdat Menetetty liikenne Kanavien määrä (6) Välitetty liikenne aika kuva: Pasi Lassila 56 28

29 Poisson-malli» 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 57 Liikenne simuloituna ( = 10 Erl, Poisson) 20 Erl min 60 Tilan todennäköisyys (simuloitu) ELEC-C

30 Liikenne: 100 Erlangia 125 Erl min 60 ELEC-C Ennustamisen sietämätön keveys Vaarini tiesi päivälleen ja minuutilleen, milloin hän kuolisi. Siis hän oli todella jalostunut sielu! Mistä hän sen tiedon sai? Tuomari kertoi hänelle. Platon ja vesinokkaeläin menivät kapakkaan 2015 ELEC-C

31 Suorituskykyanalyysi 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. ELEC-C Yksinkertaisin järjestelmä n dt 0 1 m dt min ELEC-C

32 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)? fi 0 1 fi fi fi 2 3 Toinen järjestelmä 1 l = 2 4 l = 3 2 Yhtälöt: l = 5 C 3 l = 1 D l = 4 Entä jos tilan muutos C fi D estetään? 2015 ELEC-C

33 Poisson-liikenne & estojärjestelmä l l l l l 0 1 i -1 i i +1 S -1 S m im (i+1)m m S Keskimääräinen palveluaika = h = 1/m ELEC-C Periaate 0.15 Tilan todennäköisyys 0.10 = 10, S = 14 Poisson-jakauma: =! Tila = käynnissä olevien puheluiden määrä ELEC-C

34 Lopputulos teoriassa ja aika hyvin käytännössäkin Sallittu 100% kuormitusaste 90% (/S) 80% = 1 % 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% = 0.1 % 0% Palvelupaikkojen määrä (S) Eli: jos tunnetaan palvelupaikkojen määrä (S) ja liikenne (), voidaan ennustaa kuinka suuri osa yrityksistä estyy. ELEC-C