ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet

Transkriptio

1 ELEC-C711 Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Internet 6.3. & Kurssin ohjelma» Kalevi Kilkki Luennot ja kurssin sisältö Prof. Ville Pulkki» Prof. Tom Bäckström» Juho Kaivosoja: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset 1. Johdanto ma 9.1. & ke Liiketoiminta ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kiinteät verkot ma 3.1. & ke Kommunikaatioakustiikka ma 6.2. & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma 2.2. & ke Puheteknologia ma & ke Internet ma 6.3. & ke 8.3. Tentit 3.4. ja

2 Tämän viikon aiheet» Maanantain oppimistavoitteet 1. Internetin historiaa miksi, miten ja mihin 2. Internetin keskeiset rakenneosat, TCP/IP» Keskiviikon oppimistavoitteet 1. Jonoteoriaan eli pakettikytkentäisten verkkojen analyysi ja mitoitus 2. Hieman kertausta Laskuharjoitus 1. Jonoteorian perusteet Kysymyksiä» Kun uusi tietokone liitetään Internetiin, niin mitä sen täytyy tehdä, jotta se voisi hakea tietoa jostain verkko-osoitteesta, kuten Mikä on TCP:n toimintaperiaate ja miten se vaikuttaa Internetin palvelun laatuun?» Mitä muutos IPv4:stä IPv6:een käytännössä tarkoittaa?» Miten jonojärjestelmä käyttäytyy, kun sen keskimääräinen kuormitus lähestyy sadan prosentin kuormitusastetta?» Miksi suuret teleoperaattorit eivät kehittäneet IP-teknologiaa, vaan paketti-välitteisten verkkojen kehitystyö tapahtui hyvin pitkälle yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa? ELEC-C

3 Internet» Internet = maailman laajuinen tietoverkko (iso I) eli yhdysverkko, joka yhdistää paikallisia verkkoja toisiinsa» Internet teknologiat = teknologiat, joita Internetin toimintaan tarvitaan Yleensä internet-teknologioilla viitataan IETF:n (Internet Engineering Task Force) kehittämiin protokolliin Puhekielessä Internet-sanalla viitataan usein verkkopalveluihin WWW (Web= palvelu)» IP = Internet Protocol = Internet protokolla (yhteyskäytäntö) Internetin alku» 195-luvun loppu (USA) Neuvostoliitto laukaisi Sputnikin syksyllä 1957 USA perusti ARPAn (Advanced Research Project Agency) 1958» 196-luvun alku Paul Baran (RAND Corp.) esitti pakettikytkentäisyyden periaatteet Samaan aikaan muualla: L. Kleinrock (UCLA), J. C. R. Licklider (MIT) ja D. Davis (UK) ELEC-C

4 Mistä lähdettiin liikkeelle?» Miten datasiirto hoidettiin sitä ennen? Tietokoneiden välillä minimaalista Sotilaallisia sovelluksia (& telex 66 sanaa/min) Suuremmat määrät siirrettiin magneettinauhoilla» 1965: Kaikkien maailman tietokoneiden yhteenlaskettu laskentakapasiteetti oli pienempi kuin älypuhelimen nyt Kuulentojen avaruusaluksen ohjaustietokone (Apollo Guidance Computer) Ohjaus substantiivi-verbi-pareilla Muistia 64 kb, kellotaajuus 43 khz Tietokoneiden kyky kommunikointiin oli hyvin rajallinen ELEC-C711 7 Varautuminen ydinsotaan Internet?» Paul Baran: Kyllä (jossain määrin) pakettiverkon taustalla oli ajatus ydinsodan mahdollisuudesta, mutta Baranin ajatukset eivät juurikaan levinneet» ARPANET:n kehittäjät (Taylor, Roberts): Ei ovat ehdottomasti kieltäneet että ydinsotaan varautumisella olisi ollut mitään vaikutusta heihin» Rahoittajat (ARPAn johtajat ja siitä ylöspäin): Kyllä rahoituksen kannalta ydinsotaan varautumisella oli huomattava merkitys ELEC-C

5 Pakettikytkennän vallankumouksellisuus!» Piirikytkentäinen (circuit switching) Tarvittavat resurssit on varattu istunnon ajan riippumatta siitä käytetäänkö yhteyttä vai ei Mahdollistaa yksityiskohtaisen veloituksen, käytön rajoitukset ja kontrollin» Pakettikytkentäinen (packet switching) Tiedon siirto paketeissa, joissa osoitetieto mukana Mahdollistaa Tiedon siirron ilman keskitettyä organisaatiota Yksinkertaisen veloituksen Pääsyn koko verkkoon $ Skaalautuvuus Tehokkuus Joustavuus ELEC-C711 9 Internet osa II» 1968 (USA): tarjouspyyntö 14 yritykselle dataverkon toteuttamisesta tutkimuslaitosten välillä» Muutosvastarinta mm. AT&T ja IBM ei jättäneet tarjouksia lainkaan Yliopistot Miksi ulkopuolisten pitäisi saada käyttää meidän tietokonetta? Mutta ARPA määräsi koska rahoitti!» 1969: ARPANET käynnistyi lokakuussa 1969 (4 solmua) Ensimmäinen sanoma LOGIN johti virheilmoitukseen» 1972: ensimmäinen sähköposti» 1974: TCP/IP ELEC-C

6 Map of Internet 1969 ELEC-C ARPANET 1977 ELEC-C

7 Internetin topologia nykyisin ELEC-C Internet osa III» Internet Hosts eli isäntäkoneet 1977: : : WWW Mosaic selain ELEC-C

8 Internetin käyttäjien osuus 1 % 8 % Kehittyneet maat Kaikki maat Kehitysmaat 6 % 4 % 2 % % Huom: alussa käyttäjiä/tietokone oli enemmän ELEC-C Liikenteen kasvu +5%/vuosi Ihmistä kohden: 3 kbit/s 3 MB/päivä ELEC-C

9 % of individuals using the Internet, Iceland 98,2 2 Bermuda 96,8 3 Norway 96,3 4 Denmark 96, 5 Andorra 95,9 6 Liechtenstein 95,2 7 Luxembourg 94,7 8 Faroe Islands 94,7 9 Netherlands 93,2 1 Sweden 92,5 11 Monaco 92,4 12 Finland 92,4 13 United Kingdom 91,6 16 Japan 9,6 18 United States 87,4 21 Germany 86,2 26 Estonia 84,2 49 Russia 7,5 69 Italy 62, 93 China 49,3 147 India 18, 199 Burundi 1,4 ELEC-C Internet osa IV IoT Mutta laitteita on paljon enemmän kuin isäntäkoneita 1? IoT Internet of Things ELEC-C

10 Miljardia laitetta ELEC-C Vaikea kysymys» Mitä riskejä kaikkien mahdollisten laitteiden liittäminen Internetiin aiheuttaa? ELEC-C

11 Internetin kehitystyö : IETF» IETF: Internet Engineering Task Force» RFC: Request for Comments Tarkoituksellisesti epämääräinen otsikko markkinat päättävät lopulta Vrt. ITU (International Telecommunication Union) 5 vuoden jaksot! David Clark: "We [at IETF] reject kings, presidents and voting. We believe in rough consensus and running code." ELEC-C Internetin taustasta johtuen» Ongelmia/haasteita koska alussa Verkossa kaikkia käsiteltiin kuin tuttuja Verkon koko oletettiin rajalliseksi Viestit oletettiin tärkeiksi ja halutuiksi Oletettiin että kukaan ei tee ilkeyksiä Oletettiin että sisältö on avointa ja laillista Kaikkia mahdollisia sovellutuksia ei osattu arvata» Kun kaikki eivät toimi yhteisen hyvän eteen, järjestelmä murentuu ELEC-C

12 Internetin tulo Suomeen ELEC-C FUNET projektisuunnitelma v Mitä kuvasta voi päätellä? X.25 IP FUNET: Finnish University and Research Network ELEC-C

13 Liittyminen Internetiin» 1986: päätös liittymisestä» 1987: ei onnistunut poliittisista syistä (Neuvostoliitto-Suomi) NSF* ehdotti yhdyskäytäväratkaisua helpompi kontrolloida kuin avoin Internet-yhteys» 1988: NORDUnet:n avoin Internet-liitäntä 56 kbit/s satelliittiyhteydellä USA:han 64 kbit/s Pohjoismaiden välillä Ensimmäinen kansainvälinen TCP/IP verkko NSF tuki sekä poliittisesti että taloudellisesti * NSF = National Science Foundation, USA Tehtävät» Luentotehtävä tänään Selitä lyhyesti miten TCP/IP protokolla pitää huolta siitä että verkko ei jumiudu täysin silloin kun verkkoon on tarjolla enemmän liikennettä kuin mitä verkossa on kapasiteettia. ELEC-C

14 IP-verkon toiminta ELEC-C ISO:n OSI-malli» OSI = Open Systems Interconnection Reference Model 198-luvun alussa, 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 koska TCP/IP jyräsi ELEC-C

15 ISOn OSI vs. TCP/IP Sovellus Esitystapa Istunto Sovellus DNS, HTTP, FTP, SNMP, POP, SSH, etc. DNS = Domain Name System HTTP = Hypertext Transfer Protocol FTP = File Transfer Protocol SNMP = Simple Network Management Protocol POP = Post Office Protocol SSH = Secure Shell (protocol) Kuljetus Verkko Siirto Fyysinen Siirron hallinta Internet Verkkoyhteys Fyysinen ARP TCP, UDP IP ICMP Ethernet, XDSL, Frame Relay TCP = Transfer Control Protocol UDP = User Datagram Protocol ICMP = Internet Control Message Protocol IP = Internet Protocol ARP = Address Resolution Protocol OSI TCP/IP (DoD) malli ELEC-C OSI-malli kertausta 7. Sovellus Armeijan johtaminen 6. Esitystapa Puhuttu lause 5. Istunto Kuninkaan vastaanotto 4. Kuljetus Kirje käskyketjun läpi 3. Verkko Optisen lennätinverkon kartta Sovellus TCP IP Kuningas Hemmetti, minun pitää näyttää olevani ankara kuningas Kuningas on seonnut, mutta pakko on totella Ilmaus (puhe, ele, kirjoitus) Armeija hyökätköön aamulla kello 6 Kuninkaan käsky: hyökkäys kello 6 Vastaanottajan haku Häiriölähde Käyttöliittymä Informaation käsittely Vastaanotin Käyttöliittymä Havaitseminen Ymmärrys Mielen automa- Tietoisuus tiikka Sanoma Mielen automa- Tietoisuus tiikka Informaation käsittely Lähetin Kanava 2. Siirto Viestien Verkko- käsittely lennätinasemilla yhteys Ethernet 1. Fyysinen Optisen lennättimen ym. taulut Sotapäällikkö ELEC-C

16 Rakenneosat Sovellus Sovellus TCP Kuljetus Kuljetus IP Verkko Siirtoyhteys Siirtoyhteys Verkko Siirtoyhteys Siirtoyhteys Verkko Siirtoyhteys Fyysinen Fyysinen Fyysinen Fyysinen Fyysinen Käyttäjä ja päätelaite Kytkin Reititin Kytkin Palvelin ELEC-C IPv4 otsikko Bitit: Versio IHL DS Kokonaispituus Tunnistus Liput Lohkon sijainti Elinaika Protokolla IP-otsikon tarkistussumma Lähettäjän IP-osoite Vastaanottajan IP-osoite Optiot Täyte Data IHL = Internet Header Length, eli otsikon pituus DS = Differentiated Services, tai Type of Service, eli paketin priorisointi Protokolla, esim. 6 = TCP, 17 = UDP, 89 = OSPF ELEC-C

17 IPv6-otsikon rakenne Bitit: Versio Liikenneluokka Vuon tunniste Otsikon pituus Seuraava otsikko Hyppyjen määrä Lähettäjän IP-osoite Vastaanottajan IP-osoite ELEC-C IPv4 vs. IPv.6 IPv4 IPv6 Address 32 bits (4 bytes) 12:34:56: bits (16 bytes) 1234:5678:9abc:def: 1234:5678:9abc:def Packet size bytes = 4.3*1 9 required, fragmentation optional bytes = required 3.4*1 38 without fragmentation Packet fragmentation Routers and sending hosts Sending hosts only Packet header Does not identify packet flow for QoS handling Contains Flow Label field that specifies packet flow for QoS handling Includes a checksum Does not include a checksum Includes options up to 4 bytes Extension headers used for optional data Address configuration Manual or via DHCP Stateless address autoconfiguration (SLAAC) IP to MAC resolution broadcast ARP Multicast Neighbor Solicitation Local subnet group management Internet Group Management Protocol (IGMP) Broadcast Yes No Multicast Yes Yes IPSec optional, external required Multicast Listener Discovery (MLD) ELEC-C

18 Mistä osoite? Verkkotunnukset (domain name) URL (Uniform Resource Locator). com org net fi kilkki wikipedia aalto kilkki aalto eng fi elec sci ELEC-C Miten osoitteet? DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Nimipalvelimen Domain Name System, DNS Haku Juuri. nimipalvelin Rekursio 5 4.org nimipalvelin wikipedia.org nimipalvelin ELEC-C

19 TCP:n toimintaperiaate» Oletuksena Best Effort (IP tasolla) Verkko yrittää parhaansa, mutta ilman takuita» TCP pitää huolen siitä että paketit tulevat perille (joskus) oikeassa järjestyksessä» Yhteyden alussa nopeus on alhainen» Nopeutta kasvatetaan eksponentiaalisesti» Jos paketteja hukkuu, tiputetaan nopeutta» Lopputuloksena kohtuullinen määrä pudonneita paketteja Kaista jakautuu suunnilleen tasan pullonkaulun läpi kulkevien yhteyksien kesken ELEC-C TCP:n säätömekanismi Ikkunan koko (= sallittu lähetettävän datan määrä verkkoviiveen aikana) Eksponentiaalinen kasvu Paketin hukkuminen havaitaan aikavalvonnalla Paketin hukkuminen havaitaan ACK:llä* 1/2 Lineaarinen kasvu Hidas aloitus Ylikuormituksen välttäminen aika *ACK-paketti sisältää viimeisen yhtenäisen sekvenssinumeron, jos numero on sama kuin edellisessä ACK:ssä, niin lähettäjä olettaa että vähintään yksi paketti on hukkunut ELEC-C

20 IP pakettien käsittely Eriarvoinen käsittely: Miksi?» Sovellusten erilaiset vaatimukset Puhe (videoneuvottelu, interaktiiviset pelit) vs. Data» Erilaiset asiakkaat (enemmän tai vähemmän maksavat) kuluttajat vs. yritykset» Kustannusten optimointi vs. asiakkaiden tyytyväisyys Pieni osa asiakkaista voi kuluttaa valtaosan resursseista» Entä oikeudenmukaisuus? ELEC-C IP pakettien käsittely - QoS Eriarvoinen käsittely, miksi, miten?» Systemaattisia (haluttuja) eroja Viiveissä ja Pakettien pudottamisen todennäköisyyksissä» Entä saatu kaista tai siirretty datamäärä??? Monimutkainen kysymys TCP:n säätömekanismi vaikuttaa olennaisesti Mutta kaikki liikenne ei käytä TCP:tä ELEC-C

21 Organisaatiotasolla Tason 2 verkko T T Tason 1 verkko P IXP T T Tason 2 verkko Tason 3 verkko Tason 3 verkko Internetin käyttäjät ELEC-C ELEC-C711 Kurssin ohjelma Informaatioteknologian perusteet» Kalevi Kilkki Luennot ja kurssin sisältö kalevi.kilkki@aalto.fi» Prof. Ville Pulkki» Prof. Tom Bäckström» Juho Kaivosoja: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset juho.kaivosoja@aalto.fi 1. Johdanto ma 9.1. & ke Liiketoiminta ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kiinteät verkot ma 3.1. & ke Kommunikaatioakustiikka ma 6.2. & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma 2.2. & ke Puheteknologia ma & ke Internet ma 6.3. & ke 8.3. Tentit 3.4. ja

22 Pakettiverkon mitoitus eli jonoteorian perusteita ELEC-C 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 ELEC-C

23 Liikenneteoria vs. jonoteoria Palvelupaikkoja = S (ei odotuspaikkoja) M/M/S/ 1 i-1 i i+1 S-1 S 2 (i-1) i (i+1) (i+2) (S-1) S Palvelupaikkoja = S, Odotuspaikkoja = N M/M/S/N 1 S-1 S S+1 S+ N-1 2 (S-1) S S S S S S+N = tulevia asiakkaita aikayksikössä = 1/h, h = palveluaika ELEC-C Esimerkki Oletukset 2 palvelupaikkaa Vaiheet 1. Tilojen määrittäminen (montako?) 2. Tilojen välisten siirtymien määrittäminen 3. Tilojen välisten siirtymien intensiteetit 4. Yhtälöt perustuen lokaaleihin tasapainoihin 5. Todennäköisyyksien ratkaiseminen 6. Johtopäätösten teko 3 odotuspaikkaa (yhteisiä molemmille palvelupaikoille) Palveluaika = 4 minuuttia (eksponentiaalisesti jakautunut) Asiakkaita tulee keskimäärin 2 minuutin välein Kysymys Mikä on keskimääräinen odotusaika niillä, jotka jäävät odottamaan palvelua mutta eivät heti pääse palveltavaksi? ELEC-C

24 Tulokset ELEC-C Kun odotuspaikkoja = 1 ELEC-C

25 Odotusaika kuormituksen funktiona Odotusaika (min) S = 1 S = 3 S = = A/S = kuormitus ELEC-C Iso vai pieni puskuri? S = 3 h = 1 min Viive: Katkoviiva 8 h w (min) 6 4% B c 3% Esto: Yhtenäinen viiva N = 4 2% N = N = 1 N = 1 N = 1 N = 1 2 1% A (Erl) % ELEC-C

26 Jonon pituus (tavuja) Simuloitu jono Pakettien koko (tavuja) ms ms ELEC-C Jonosimulointeja ( =.8) ELEC-C

27 Tentti» 4 tehtävää á 1 sivu valmiiksi viivoitettu 1-2 laskua & 2-3 esseetä Tentit 3.4. & Muistakaa ilmoittautua ajoissa! ELEC-C Teoriat ja niihin liittyvät asiat Teoria - minimivaatimuksia Hintajousto Desibelit Erlang & yksinkertainen jono Verkon saatavuus (luotettavuus) Shannon + kommunikaatioakustiikka, puheteknologia ELEC-C

28 Hintajousto kaavoina ln K = a e ln h + h Kysyntä 5 min/päivä e =.75, h = e =.75, h =.5 Hinta -9% Kysyntä +1 %, tulot -8% Hinta /min ELEC-C Mitä tästä seuraa?» Monopolin hinnoittelu Mitä korkeampi sen parempi (siis myyjälle ei asiakkaalle eikä yhteiskunnalle)» Toisaalta Monet telepalvelut ovat luontaisesti monopoleja Miksi?» Joten. Jos täysi vapaus yksityinen erittäin tuottoisa monopoli ELEC-C

29 Desibeli» Logaritminen asteikko Kuvaa suureiden suhteita Yksikkö = beli (Bell in mukaan)» Yleensä desibeli, eli kymmenesosa belistä P 1 P 2 [db] = 1 log 1 P 1 P 2 [db]» Tehoa kuvataan usein suhteessa milliwattiin P [dbm] = 1 log 1 P 1 mw ELEC-C Miten desibeleillä lasketaan!» Desibeli ilmaisee tehojen suhteen logaritmisella asteikolla Jos tehojen suhde on 1:1, desibeleinä suhde on 1log 1 (1) = 2 db» Tehovahvistukset ja -vaimennukset voidaan laskea suoraan desibeleinä yhteen kun ne ovat sarjassa Jos vahvistin A vahvistaa +25 db ja vahvistin B vahvistaa +15 db ja siirtokanava vaimentaa 3 db, lopputulos = = +1 db» dbm on teho suhteessa milliwattiin desibeliasteikolla dbm arvoja ei saa laskea suoraan yhteen desibeliasteikolla, vaan ne täytyy muuntaa ensin lineaariselle asteikolle ja sitten laskea yhteen Jos tenttivastauksessa 3 dbm + 4 dbm = 7 dbm, tehtävästä saa p» Jos kaavassa teho watteina, niin älä käytä desibelejä Shannonin kaava 3.3 tai radiotien kaavassa 5.2 olkaa tarkkana! ELEC-C

30 Shannonin lause» Informaatioteorian yläraja tietoliikenteelle C = B log SΤN [bit/s] B = kaistanleveys S = vastaanotetun signaalin teho N = kohinateho» Esim. puhelinverkosta C = 31 log 2 11 = 41 bit/s» Vain ideaalisessa tapauksessa Käytännössä muutama db hukkuu epäideaalisuuksiin ELEC-C Verkkolaskelma» Kustannus = jänne (tai kaapelikilometri)» Hyötylaskelma (tai epäluotettavuuden kustannuslaskelma) Yhden jänteen (i) saatavuus = todennäköisyys että yhteys jänteen yli toimii = A i Reitti jolla on N kappaleita (riippumattomia) jänteitä peräkkäin A N = ς N i=1 A i ( = tulo) Yhteysväli jolla on M kappaletta vaihtoehtoisia, toisistaan riippumattomia reittejä (j) A M = 1 ς M j=1 1 A j A j = reitin j saatavuus ELEC-C

31 Mitä verkkolaskelmista seuraa?» Korkeaan saatavuuteen päästään käytännössä vain vaihtoehtoisilla reiteillä Vaihdon täytyy tietysti toimia luotettavasti» Samoja laskentaperiaatteita voidaan soveltaa myös muissa luotettavuuslaskelmissa ELEC-C Poisson-liikenne, esto- ja jonojärjestelmä 1 i-1 i i+1 S-1 S i (i+1) S P i 1 = iμp i 1 S-1 S S+1 S+ N-1 2 (S-1) S S S S S S+N ELEC-C

32 Mitä Erlang- ja jonomalleista seuraa?» Käytännössä satunnaisesti vaihtelevaa tarvetta palvelevaa järjestelmää ei voi kuormittaa 1 % asti» Estojärjestelmän mitoitus Pienissä järjestelmissä < 5 %, suurissa ehkä jopa 8 %» Jonojärjestelmä Ideaalitapauksessa max 8 %» Korkea kuormitus (> 7 %) on aina riski, koska pienikin kuormituksen nousu kasvattaa estoja tai odotusaikoja olennaisesti ELEC-C Muita keskeisiä asioita Informaatio, data ja datan määrä (esim. TB) Suomen telealan erikoispiirteet Viestintäjärjestelmien peruskomponentit A/D muunnos: periaate ja vääristymät Moduloinnin ja kanavoinnin periaatteet Piirikytkentäisyys ja pakettikytkentäisyys Verkkotopologiat CSMA/CD, periaate ja mikä on ratkaistava ongelma + Puheteknologia ja kommunikaatioakustiikka Mobiiliverkkojen sukupolvet ja niiden erot Solukkoverkon toimintaperiaate Taajuusalueet ja niiden perusominaisuudet Mooren laki ja sen seuraukset Tietokoneen rakenne ja toimintaperiaate Boolen algebra ja loogiset portit Miksi Internet on tullut sellainen kuin se nyt on? OSI-mallin tasot vs. TCP/IP-malli TCP/IP periaate ja tehtävät ELEC-C

33 Tentit 3.4. & Muistakaa ilmoittautua ajoissa! Kiitoksia! 65 33