T Verkkomedian perusteet. Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

Transkriptio

1 T Verkkomedian perusteet Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

2 Luennon aiheet Tietoliikennekäsitteitä Kerrosmallit Digitaalinen tiedonsiirto Siirtomediat Virheet ja virheenkorjaus Modulaatio (ei käsitelty luennolla) 2

3 Kirjan luku 1 Viestintäverkkojen kehitys Keskeisiä käsitteitä 3

4 Lennätinverkko (1837-) Sähkösanomien välitys Palvelu (service) Morse-koodi digitaalinen tiedonsiirto Välitys lennätinasemalta toiselle Osoite (address), reititys (routing) 4

5 Lennätinverkko Muita piirteitä Tiedonsiirtonopeus (tranmission rate) Kehystys (framing) Kanavointi (multiplexing) 5

6 Puhelinverkko (1876-) Puheen välitys Palvelu suoraan käyttäjälle Erilaiset arkkitehtuurivaatimukset Piirikytkentä (circuit switching), yhteydellisyys (connection-oriented), osoitteet Yhteydenmuodostus / puhelu Signalointi (signaling), signalintiverkko 6

7 Tietokoneverkot Keskuskone ja terminaali Median saanti (medium access control, MAC) Modeemi, puhelinverkon käyttö datasiirtoon Kanavointi kehys (frame), otsikko (header), osoite (address) Virheiden hallinta tarkistussummat (checksum) 7

8 Tietokoneverkot koneelta-koneelle-verkko (n 60-luku) pakettikytkentä (packet switching) vuonhallinta (flow control) ruuhkanhallinta (congestion control) Lähiverkko (80-luku) median saanti, yleislähetys (broadcasting) 8

9 Tietokoneverkot Internet Monesta verkosta yhdistetty verkko yhteydetön tiedonsiirto (connectionless), osoiteavaruus yhdyskäytävä (gateway) internet vai Internet? 9

10 Internet (L-G 1.14) 10

11 Verkkoarkkitehtuuri - yhteenveto Digitaalinen siirtotie Kehysten välitys Median saanti Osoitteet Pakettien välitys, reititys Muuttuvan tilanteen hallinta reititys, ruuhkat Rajapinnat (internetworking) Sovelluksia ja palveluita 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 Kirjan luku 2 Yhteyskäytännöt Palvelut Kerrosmallit 13

14 Yhteyskäytäntö Protokolla Joukko sääntöjä jotka määrittelevät miten kaksi tai useampi osapuoli kommunikoivat keskenään Viestinvaihdot Viestien sisältö 14

15 Palvelu Kehyksen välitys Yhteyden muodostus Pakettien välitys... Verkkopankki Yhteyskäytännöllä on jokin funktio se tuottaa palvelun jota muut voivat hyödyntää 15

16 Kerrosmalli Kerrosmallit alunperin 70-luvulta tarve avoimelle arkkitehtuurille ISO kehitti OSI-viitemallin ja myöhemmin siihen liittyviä standardeja Etuja rajapinnat, yhteensopivuus modulaarisuus 16

17 OSI-malli Sovellus Application Esitystapa Presentation Yhteys Session Siirto Transport Verkko Verkko Network Network Linkki Linkki Data link Data link Fyysinen Fyysinen Physical Physical 17

18 TCP/IP arkkitehtuuri 18

19 Kapselointi!" # $$ 19

20 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? 20

21 Kirjan luku 3 Digitaalinen tiedonsiirto Virheet ja virheenkorjaus Modulaatio 21

22 Tiedonsiirto asia, viesti sovittu merkistö median ja signaalin mukaan siirtomedia ja signaali signaali kulkee mediassa ja tulee (melko) muuttumattomana perille 22

23 Viestistä bitiksi Diskreetti Teksti, numeerinen data,... Merkkien binääriesitys Tiedoston koko: esitystapa + pakkaus Jatkuva Puhe, musiikki, valokuva,... A/D-muunnos Koko: näytteenottotaajuus + esitystapa (+ pakkaus) 23

24 Äänestä biteiksi Äänisignaali Näytteenotto Kvantisointi Pakkaus Lähettäminen Mikrofoni A/D Lähdekoodaus Linjakoodaus %%% #$& Siirtokanava Ääni Suodatus Pakkauksen purku Vastaanotto Kaiutin / kuuloke D/A Purku näytteiksi Linja- (de)koodaus 24

25 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 25

26 Näytteenotto ja kvantisointi 26

27 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 27

28 Tiedon pakkaus Häviötön pakkaus jokainen bitti palautuu purettaessa ohjelmat, teksti,... Häviöllinen pakkaus purettu materiaali eroaa alkuperäisestä vastaanottaja ei huomaa eroa puhe, video,... 28

29 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 29

30 Linjakoodaus Muutamia esimerkkejä NRZ AMI HD3B Manchester

31 Missä mennään Käsitelty Miten informaatio muutetaan siirrettäviksi biteiksi Seuraavaksi Miten bitti siirretään 31

32 Siirtomediat Sähkömagneettinen säteily etenee eri medioissa johtimissa (metalli, johdot) valokuitu ilmassa Siirtotien ominaisuudet vaikuttavat signaaliin kastanleveys vaimeneminen kohina ja muut häiriöt 32

33 Sähkömagneettinen spektri Radio transmission Microwaves Infrared Ultraviolet FM radio and TV Visible x-ray & gamma 33

34 Siirtomedian vaikutukset Vaimeneminen (attenuation) Vääristyminen (distortion) vaihesiirto (phase shift) Kohina (noise) Kaistanleveys (bandwidth) 34

35 Virheet siirrossa alkuperäinen vaimentunut rajallinen kaista kohinaa ja häiriöitä 35

36 Digitaalinen siirto Lähetettävänä on bittejä Miten nopeasti ne voidaan luotettavasti lähettää? Siirtonopeuteen vaikuttaa lähetysteho, signaalin teho matka kohina käytettävissä oleva kaista 36

37 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 37

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

39 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? 39

40 Missä mennään Käsitelty Informaatiosta biteiksi Bittien siirto siirtotietä pitkin kaistanleveys, siirtonopeus mikä rajoittaa nopeutta Seuraavaksi Virheiden käsittely Modulaatio 40

41 Virheiden käsittely Tiedonsiirrossa tapahtuu aina virheitä virheiden havaitseminen havaitun virheen korjaaminen Kaksi lähestymistapaa uudelleenlähetys (Automatic Retransmission request, ARQ) virheenkorjaus (Forward Error Correction, FEC) 41

42 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 42

43 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 43

44 Modulaatio Modulaatiolla muutetaan digitaalinen signaali sopivaksi analogiselle siirtotielle muunnetaan signaali siirtotien kannalta sopivalle taajuudelle Modulaatiossa muutetaan kantoaallon ominaisuuksia amplitudi, taajuus, vaihe Esimerkiksi AM ja FM radio 44

45 Modulaatio (digitaalinen) $ '$' ()*+ $ '",(-*.$' (/)*+.",(/-* "$' ()*+ "",(-*+ "0 '$' ". ASK FSK PSK 45

46 Luentokerran aiheet Tietoliikenteen käsitteistöä Kerrataan vielä monilla luennoilla Kerrosmallit Tarkemmin kotitehtävässä Digitaalinen esitystapa Aiheesta lisää kurssin multimediaosuudessa Siirtomedian ominaisuudet Siirtonopeus ja siihen vaikuttavat tekijät Virheenkorjaus ja modulaatio lyhyesti 46