Dataliikenteen tekijät. Dataverkot. Kurssi-info. Dataliikenteen tekijät 0DUNXV 3HXKNXUL

Transkriptio

1 Dataliikenteen tekijät Dataverkot 0DUNXV 3HXKNXUL Siirtojärjestelmän hyödyntämisaste päätelaitteen kompleksisuus Rajapinta Signaalin luonti Synkronointi Tiedonvaihdon hallinta Virheen havaitseminen ja korjaus Vuonhallinta (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 3 Kurssi-info 24 kertaa (ml. tentti + palautus) Materiaali: Stallings, W: Data and Computer Communications (5th ed) Yhteystiedot puhuri@iki.fi Dataliikenteen tekijät Osoitus Reititys Toipuminen Viestin muotoilu Turvallisuus Verkonhallinta (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 4 1 2

2 Yhteydet Pisteestä pisteeseen-yhteydet yksinkertainen etäisyys rajoittaa N:n koneen viestiminen keskenään tarvitsee N*(N-1) yhteyttä Verkot yhteys minkä tahansa kahden verkoon liitetyn koneen kesken myös 1:N ja M:N yhteydet (verkosta riippuen) Verkkotyypit Piirikytkentä esim. puhelinverkko Pakettikytkentä (pakettivälitys) esim. Internet Kehysvälitys Frame Relay Soluvälitys ATM Jakeluverkot monipääsyverkot (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 7?AN LAN (Local Area Network) - lähiverkko MAN (Metropolitan Area Network) - kaupunkiverkko WAN (Wide Area Network) - maan tai maailmanlaajuinen verkko VAN (Value Added Network) - lisäarvoverkko GAN (Global Area Network) - eri verkkoja yhdistämällä luotu verkko, joka näyttää käyttäjälle yhtenäiseltä verkolta Liikennöinin edellytykset Yhteyden luominen suoran yhteyden luominen kohteen yksilöiminen Vastaanottajan valmius yhteyden luomiseen tiedon vastaanottoon (autentikointi, ) tiedon esitysmuoto (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 8 3 4

3 Protokolla ja arkkitehtuuri Tiedon siirto Protokolla kielioppi (syntax) semantiikka ajastus Arkkitehtuuri viestinnän jako eri osatehtäviin yleensä kerrosrakenne (3, 5, 7) Header Network Header Application Data Header Network Header protocol data units Network protocol data units (packets) Source X Application Record Record Destination Y Application DSAP DSAP PDU Network access DHost Packet DHost Network access (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 11 3-kerrosrakenne Verkkokerros tietokoneen ja verkon välinen liikennöinti tunniste: kohdelaite Siirtokerros siiro päästä-päähän luotettavuus, aikakriittisyys tunniste: palvelunsaantipiste (SAP) Sovelluskerros esimerkiksi sähköposti, tiedostojen siirto TCP/IP-malli (5-kerros) Fyysinen kerros esim. parikaapeli, kuitu Verkkoliityntäkerros esim. ARP-toiminnallisuus Internet-kerros Siirtokerros päätelaite-päätelaitekerros Sovelluskerros (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri

4 TCP/IP-liikennöinti OSI verkossa Amplifier or repeater (a) Point-to-point 0 or more 7 sovelluskerros 6 esitystapakerros 5 yhteysjakso 7 sovelluskerros 6 esitystapakerros 5 yhteysjakso D H H 4 kuljetus 4 kuljetus H 3 verkkokerros 2 siirtoyhteys verkko kerros siirtoyhteys siirtoyhteys 3 verkkokerros 2 siirtoyhteys FCS H FH 1 fyysinen fyysinen fyysinen 1 fyysinen Amplifier or repeater (b) Multipoint 0 or more 2 siirtoyhteys 1 fyysinen LLC MAC PHY (c) Markus Peuhkuri Lähiverkot / Markus Peuhkuri 15 OSI-malli (7-kerros) OSI-mallin kerrosrakenne seitsenkerroksinen ajatusmalli yhteystapahtuma etenee kerroksittain alempi kerros tarjoaa palveluja yläpuolella olevalle kerrokselle kukin kerros lisää oman otsikkotietonsa dataan (yleensä alkuun) 7 sovelluskerros application layer 6 esitystapakerros 5 presentation layer yhteysjakso- eli istuntokerros session layer 4 kuljetuskerros transport layer 3 verkkokerros network layer 2 siirtoyhteyskerros 1 data link layer fyysinen kerros physical layer pyyntöjä vasteita pyyntöjä vasteita ilmoituksia ilmoituksia vahvistuksia vahvistuksia WinSock 2 WinSock 2 Application Application WinSock 2 API Functions Name Space Functions The WinSock 2 DLL WS2-32.DLL (32 bit) WinSock 2 WinSock 2 SPI Name Space SPI Name Space Name Space Service Service Service Service Provider Provider Provider Provider 1996 Lähiverkot / Markus Peuhkuri Lähiverkot / Markus Peuhkuri

5 TCP/IP vs. OSI Standardointi... TCP/IP Application (host-to-host) Internet Network Access OSI Application Presentation Session Network Data Link Hardware Firmware Software User Space Operating System Eurooppalaiset ETSI, CEN/CENELEC, ECMA Maailmanlaajuiset ISO/IEC ITU-T (entinen CCITT) Muita EIA/TIA IEEE (DoD) ISOC/IAB/IETF ATM Forum, Frame Relay Forum, Physical Physical (c) Markus Peuhkuri Lähiverkot / Markus Peuhkuri 19 Standardit ITU Þ Þ Suuret markkinat integrrointi ja massatuotanto mahdollisia Monitoimittajuus mahdollista ei sidoksissa yhteen toimittajaan (hinnat) Teknologian pysähtyminen yhteisymmärrykseen pääseminen, hyväksyntä kompromissit, patentit Useita standardeja samaan tarkoitukseen Jäsenet 184 jäsenmaata 383 jäsentä (yrityksiä, tutkimuslaitoksia, operaattorit, Tehtävät tekninen alue kehitysalue poliittinen alue Suositukset maksua vastaan ladatavissa (c) Markus Peuhkuri Markus Peuhkuri / TKK Teletekniikka

6 ITU: rakenne Täysimmääräinen kokous (4 vuoden välein) strateginen suunnittelu ja toimintaperiaatteet Neuvosto: 46 jäsenmaata (vuosittain) Televistinnän maailmankonferessi televiestintää koskevien säädösten käsittely Radioviestintäsektori Televiestintäsektori standardointi kehtys Pääsihteeristö ISO 2700 teknistä komiteaa, alikomiteaa ja työryhmää teollisuuden, tutkimuslaitosten, hallitusten elinten, kuluttajajärjestöjen ja kansainvalisten organisaatioiden edustajat tuottavat draft International Standards kustakin maasta yksi pääedustaja vastaa k.o. maan standardisoinnista äänestävät draftien hyväksymisestä Markus Peuhkuri / TKK Teletekniikka Lähiverkot / Markus Peuhkuri 23 Tekniikan tie standardiksi: ISO Konsensus huomioidaan valmistajat, myyjät, käyttäjät, kuluttajaryhmät, testauslaboratoriot, hallitukset, ammattiryhmät ja tutkimuslaitokset Laaja-alaisia tyydyttävät valmistajia ja käyttäjiä maailmanlaajuisesti Vapaaehtoisia markkinavoimien ohjaamaa Tekniikan tie standardiksi: ISOC Internet Society (ISOC) Internetin kasvu ja kehitys:millä tavoin Internettiä käytetään ja voidaan käyttää» sosiaaliset» poliittiset» tekniset ISOC Trustees (Board of Trustees: 18)»hyväksyvät tapaamiset IAB:n kanssa IETF:n nimitettyjen joukosta Internet Architecture Board (IAB, ent. Internet Activities Board) 1996 Lähiverkot / Markus Peuhkuri Lähiverkot / Markus Peuhkuri

7 ISOC / 2 Internet Engineering Task Force (IETF)» huomioi operaatio- ja teknisiä ongelmia Internetissä ja kehittää niihin ratkaisuja» määrittää protokollien ja lähiajan arkkitehtuurin kehitystä ja käyttöä teknisten ongelmien ratkaisuihin» tekee suosituksia protokollien käytöstä ja standardoinnista Internet Engineering Steering Group:lle (IESG)» helpottaa teknologian siirtoa Internet Research Task Force:lta (IRTF)» tarjoaa valmistajille, käyttäjille, tutkijoille, välittäjille ja verkon hallinnoijille yhteisen keskustelupaikan jaettu 8 toiminnalliseen alueeseen jotka edelleen työryhmiin pitää kokouksia 3 kertaa vuodessa ISOC / 4 RFC Informational Experimental Historic Proposed Standard täydellinen, uskottava määrittely ja osoitettu hyödyllisyys vähintään 6 kk, maksimissaan 2 vuotta»tämän jälkeen korotetaan, hylätään tai uudistetaan 1996 Lähiverkot / Markus Peuhkuri Lähiverkot / Markus Peuhkuri 27 ISOC / 3 Internet Research Task Force (IRTF) pidemmän aikavälin kehitys Internet-Draft ei mitään virallista asemaa voidaan poistaa tai muuttaa milloin vain (6 kk) Request for Comments (RFC) virallinen IAB:n dokumentti (säilytetään pysyvästi) kaikki eivät ole standardeja Standards Track» Proposed Standard» Draft Standard» Standard 1996 Lähiverkot / Markus Peuhkuri 26 ISOC / 5 Draft Standard useita riippumattomia yhteensopivia toteutuksia ja rajallinen toimintakokemus: toimii hyvin vähintään 4 kk, maksimissaan 2 vuotta» korotetaan, hylätään, uudistetaan tai takaisin proposed-tasolle Standard osoitettu toiminallinen vakaus voi säilyä pysyvästi tai voidaan siirtää historialliseksi» uudet versiot aloittavat alusta 1996 Lähiverkot / Markus Peuhkuri

8 RFC:n vaiheet Req Rec Ele Lim Not Rec IAB IESG IRSG Other Standard X XXX XXX Bogus Publish Bogus Bogus Standard Draft Std X X XXX Bogus Publish Bogus Bogus Draft Std Proposed Std X XXX Refer Publish Refer Refer Proposed Std Informational Publish Publish Discreat Discreat Informational Experimential XXX Notify Publish Notify Notify Experimential Historic XXX Historic ATM Forum Määrittelyt valmistellaan työryhmissä straw ballot» testiäänestys kommentein (tarvittaessa useita kierroksia)» keskustelu final ballot» hyväksytään / hylätään saatavissa ftp:llä»myös tulostettuina USD Lähiverkot / Markus Peuhkuri Markus Peuhkuri / TKK Teletekniikka 31 Tekniikan tie standardiksi: ATM Forum Jäsenet Principal Auditing (TKK) User Rakenne johtokunta + sihteeristö tekninen komitea: työryhmät käytttäjä / yrityskomitea markkinakomiteat (Eur, Aas, NA) Markus Peuhkuri / TKK Teletekniikka 30 Datan siirto lähettäjä {transmitter} vastaanottaja {} ohjattu siirto [kaapeli] {guided} ohjaamanton siirto [radio] {unguided} suora yhteys {direct link} kaksipisteyhteys {point-topoint} monipisteyhteys {multipoint} yksisuuntainen, ITU-T ANSI vuorosuuntainen, simplex simplex half-duplex kaksisuuntainen duplex full-duplex (c) Markus Peuhkuri 32 Amplifier or repeater (a) Point-to-point Amplifier or repeater (b) Multipoint 0 or more 0 or more 15 16

9 Taajuus, spektri ja kaistanleveys Taajuusavaruus 1.0 Amplitude (volts) Amplitude aika-avaruus <> taajuusavaruus jatkuva <> erillinen lim st ( ) = sa ( ) a t a jaksollinen <> jaksoton st ( + T) = st ( ) < t< + 0 Time Time A (a) Continuous period = T = 1/f 1 (a) Sine wave A Signal Strength A Signaali useiden taajuksien summa perustaajuus kerrannaiset Fourier-muunnos Spektri absoluuttinen kaistanleveys tehollinen kaistanleveys tasavirtakomponentti (a) sin (2pf 1t) (b) 1/3 sin (2p(3f 1)t) T 2.0T 0 Time A (b) Discrete (c) Markus Peuhkuri (b) Square wave 33 Signal Strength period = T = 1/f 1 Time T (c) sin (2pf 1t) + 1/3 sin (2p(3f1)t) (c) Markus Peuhkuri 35 Sini-aalto Kaistanleveys vs. datanopeus Jaksollisten signaalien perusaalto voimakkus (A) taajuus (f)» toistoväli (T = 1/f)» aallonpituus λ = vt vaihekulma (φ) st () = Asin( 2π ft+ φ) sec (a) A = 1, f = 1, f = 0 (b) A = 0.5, f = 1, f = sec (c) A = 1, f = 2, f = 0 (d) A = 1, f = 1, f = p/4 1.5sec 1.5sec Digitaalisella signaalilla ääretön kaistanleveys vastaanottajan eroittelukyky siirtomedia rajoittaa tosiallista kaistanleveyttä hyvä vastaanotto: 2W Hz = W bps» häiriöistä riippuen pienemmälläkin Keskitaajuus määrää suurimman mahdollisen kaistanleveyden Bits: Pulses before transmission: Bit rate: 2000 bits per second Pulses after transmission: Bandwidth 500 Hz Bandwidth 900 Hz Bandwidth 1300 Hz Bandwidth 1700 Hz Bandwidth 2500 Hz Bandwidth 4000 Hz (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri

10 Analoginen data Signaalit ja data Jatkuva-arvoista luonnollinen puhe, video Screen Scan line Horizontal retrace Vertical retrace Analog data (voice sound waves) Digital data (binary voltage pulses) Telephone Modem Analog signal Analog signal (modulated on carrier frequency) 25 (a) Composition of a TV field (a) Analog signals: represent data with continuously varying electromagnetic wave Speech energy, db Basic speech energy Intelligibility Lines 5 through 238 of first field and lines 267 through 500 of second field not shown here Analog signal CODEC Digital signal Frequency (Hz) Lines 242 through 262 and lines 505 through 525 are not part of raster; they occur while beam is shut off during vertical retrace. (b) Video interlacing technique (c) Markus Peuhkuri Digital data Digital signal Digital transmitter (b) Digital signals: represent data with sequence of voltage pulses (c) Markus Peuhkuri 39 Digitaalinen data Erilliset (diskreetit) arvot teksti (kirjaimet) kokonaisluvut Merkistöt ASCII: 7 bittiä (A-Z) ISO 8859-X» -1 Latin 1 (länsieurooppalainen)» -15 Euro ISO / Unicode Analoginen ja digitaalinen siirto Analoginen data Digitalinen data Analoginen signaali Digitaalinen signaali Analoginen signaali Digitaalinen signaali 1) sama spektri kuin datalla koodattu kodekilla 2) koodattu eri spektrin osalle digitaaseksi bittijonoksi koodattu modulattorilla analogiseksi signaaliksi Analoginen siirto vahvistimien välityksellä ei käytössä 1) kaksitasoinen signaali 2) koodattu halutunkaltaiseksi digitaaliseksi signaaliksi Digitaalinen siirto analogisena siirretty digitaalinen data: toistimet rekonstruoivat datan ja tuottavat uuden analogisen signaalin toistimien välityksellä (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri

11 Miksi digitaalinen siirto? Digitaaliteknologian kehittyminen esim. VLSI, algoritmit Datan eheys Kapasiteetin hyödyntäminen yhteyden jako digitaalisena joustavaa Turvallisuus ja yksityisyys salaus ja autentikointitekniikat toimivat parhaiten digitaalisessa ympäristössä Integraatio eri viestien siirto samoilla laitteilla ja verkoilla Vaimentuma Kasvaa etäisyyden kasvaessa ohjatussa siirrossa yleensä logaritminen: db/km ohjaamattomassa monimutkainen Kasvaa taajuuden kasvaessa analogisia signaaleja tasoitetaan Signaalin kulkunopeus kaapelissa riippuu taajuudesta eri taajuudet perille eri aikoina (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri Siirron häiriötekijät Vaimentumat ja vaimentumahäiriöt Viiveen hajonta Kohina Attenuation (decibels) relative to attenuation at 1000 Hz Frequency (hertz) (a) Attenuation 4000 Kohina Lämpökohina (N = ktw) valkoinen kohinta: taajuusriippumaton Keskeismodulaatiokohina signaalit f 1 ja f 2 aiheuttavat häiriöitä Data transmitted: Signal: Noise: Relative envelope delay (microseconds) taajuuksille ±nf 1 ±mf 2 Ylikuuluminen läheiset parit, anteenit Impulssikohina salamat, kytkennät: lyhyitä ja voimakkaita ei vakava analogiselle, tuhoisa digitaaliselle Signal plus noise: Sampling times: Data received: Original data: Bits in error (c) Markus Peuhkuri Frequency (hertz) (c) Markus Peuhkuri 44 (b) Delay distortion 21 22

12 Kanavan kapasiteetti Siirtonopeus [bps] Kaistanleveys [Hz] Kohina [W, S/N] Virhesuhde [P(virhe)] todennäköisyys, että vastaanotettu symboli tulkitaan väärin Tehtäviä 2.1, 2.3, 2.4 ja (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 47 Kanavan rajoitukset Kohinattomassa kanavassa rajoitteena kaistanleveys maksimi signaalinopeus = 2 * kaistanleveys Nyquist: symbolien keskinäishäiriö Shannon kohina rajoittaa kapasiteettia datanopuden lisääminen kasvattaa myös virhenopeutta 35 S C = Blog 2 1+ N bps/hz Siirtomedia Ohjattu siirto; kaapelisiirto parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu siirtomerdian ominaisuudet tärkeitä Ohjaamaton siirto; langaton siirto ilma tai tyhjiö: radio, infrapuna, valo lähetin/vastaanottimen (anteenin) ominaisuudet tärkeitä Siirtomedia valinta kaistanleveys, siirron rajoitukset, häirintä, vastaanottajien ja lähettäjien määrä (c) Markus Peuhkuri S/N [db] (c) Markus Peuhkuri

13 Sähkömagneettinen spektri Frequency (hertz) ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Power and telephone Radio Microwave Infrared Visible Rotating generators Radios and televisions Radar Lasers light Musical instruments Electronic tubes Microwave antennas Guided missiles Voice microphones Integrated circuits Magnetrons Rangefinders Twisted Pair Optical Fiber Coaxial Cable AM Radio FM Radio Terrestrial and TV and Satellite Transmission Wavelength in space (meters) EIA/TIA kategoriat EIA-568 (1990) ja EIA-568-A (1995) suoritusarvot: vaimentuma, lähipäänylikuuluma cat3: < 16 MHz 1 kierros / 10 cm 13,1/23 db/100 16MHz cat5: < 100 Mhz 1-2 kierrosta / 1 cm 8,2/44 sb/ MHz cat6, 7 < 300 MHz datanopeudet 1Gbps (c) Markus Peuhkuri (c) Markus Peuhkuri 51 Parikaapeli Yleinen, edullinen puhelinverkossa ( bps: 5 km) lähiverkoissa (100 Mbps (100 m), 1 Gbps (25 m)) Kaksi johdinta (0,1-0,6 mm 2 ) keirretty toistensa ympärille vähentää häiriöitä kierteen nousu ja säännöllisyys samassa kaapelissa parit eri nousuilla Suojaus (STP) vai suojaamaton (UTP) suojaus foliolla vähentää häiriöitä kallimpi, vaikeampi työskennellä (c) Markus Peuhkuri 50 Koaksiaalikaapeli Suojattu rakenne vähentää häiriöitä laaja taajuusalue Monikäyttöinen TV-jakelu (kaapelitv) puhelivekoissa (etäyhteydet, puhekanavaa) oheislaitteiden liittäminen lähiverkot Hankalampi käsitellä kuin parikaapeli (c) Markus Peuhkuri

14 Kuituratkaisut Valokuitulla erinomaisia ominaisuuksia: kaistanleveys: > Tbps (10 12 ) pieni vaimeneminen (pitkä toistinetäisyys) RFI/EMI immuuni eikä aiheuta niitä kemiallinen kestävyys pieni koko ja paino Haitat asennus jonkinverran vaikeampi energian kuljetus ei onnistu Käytössä runkoyhteyksillä Markus Peuhkuri / AEL C5015T 53 Kuitujen ominaisuudet Monimuotokuidun heijastukset vaimennus pulssin leviäminen Yksimuotokuitu dispressio kuidun epäpuhtauksista Standardikuitu Dispressiosiirretty 9/125 µm (SM) 9/125 µm (DS) Vaimennus 1300 nm < 0,45 db/km < 0,50 db/km 1500 nm < 0,30 db/km < 0,30 db/km Dispressio 1300 nm < 3,5 ps/(nm*km) < 18 ps/(nm*km) 1500 nm < 18 ps/(nm*km) < 3,5 ps/(nm*km) Raja-aallonpituus 1270 nm 1270 nm 62,5/125 µm (GK) 50/125 µm (GI) 100/140 µm (GN) Vaimennus 850 nm < 3,5 db/km < 2,7 db/km < 4,5 db/km 1300 nm < 1,0 db/km < 0,8 db/km < 2,0 db/km Kaistanleveys 850 nm > 200 MHz*km > 400 MHz*km > 100 MHz*km 1300 nm > 500 MHz*km > 600 MHz*km > 100 MHz*km Markus Peuhkuri / AEL C5015T 55 Kuitutyypit Kuitukaapelit Monimuotokuidut askeltaiteisetkuidut astettaistaitteiset kuidut valo kulkee useita reittejä Yksimuotokuidut valo ei mahdu taittumaan => kulkee suoraan Lähettiminä laserdiodit tai ledit Yksittäiset kuidut arkoja: kaapelissa putkissa urissa yleensä rasvatäytteisiä veden torjumiseksi Kuitunauhojen käyttö yleistyvää käsittely nopeampaa (nauhahitsaimet) tiiviimpi pakkaus Markus Peuhkuri / AEL C5015T Markus Peuhkuri / AEL C5015T

15 Kuitukaapelit Rasvatäytteinen kanavavalokaapeli neutraaliakselieli suoraputkirakenteinen Markus Peuhkuri / AEL C5015T 57 Kuitukaapelit V-urasydämminen kanavavalokaapeli ilmavalokaapeli Markus Peuhkuri / AEL C5015T 58 29