Antti Vähälummukka 2010

Tavoitteet Opiskelija tuntee perusteet erilaisista lähiverkkostandardeista ja protokollista sekä tietää verkoissa käytettävien laitteiden tarkoituksen. Sisältö Tietokoneverkkojen topologiat OSI-malli Lähiverkkostandardit Medianvarausmenetelmät Verkkojen kaapelointi Verkkosovittimet Verkkoprotokollat Verkkojen laitteet 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 2

Lähiverkko (LAN, Local Area Network) Pienen alueen verkko, esim. toimiston, koulun tai yrityksen sisäinen verkko. Lähiverkon ominaisuuksia: Nopea (yksittäisen käyttäjän kannalta) Verkossa jaettua palveluita, oheislaitteita yms. Jopa tuhansia laitteita, joiden välillä voi olla eri tyyppisiä verkkolaitteita (siltoja, kytkimiä, keskittimiä, reitittimiä, ) Tyypillisin verkkoratkaisu on Ethernet. Lähiverkkojen tekniikoita: Ethernet Token ring Langaton lähiverkko (WLAN, Wireless Local Area Network) 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 3

Kaupunkiverkko (MAN, Metropolitan Area Network) Yhden tai useamman kaupungin laajuinen verkko. Lähiverkon ja laajaverkon välimuoto. Nykyisin on hankala luokitella onko verkko LAN, MAN tai WAN, koska samoja tekniikoita voidaan käyttää hyvinkin monenlaisessa käyttötarkoituksessa ja -ympäristössä 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 4

Laajaverkko (WAN, Wide Area Network) Kattaa laajan maantieteellisen alueen. Kytkee yhteen lähi- tai kaupunkiverkkoja. Useimmiten osa verkosta (runkoyhteydet) palveluntarjoajien (ISP:den) ylläpitämiä. Voidaan hyödyntää televerkkojen runkolinjoja. Laajaverkkojen tyyppejä: Piirikytkentäiset verkot (Circuit Switching) Pakettikytkentäiset verkot (Packet Switching) FrameRelay Laajaverkkojen tekniikoita: ATM (Asynchronous Transfer Mode) FR (Frame Relay) ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) (käytetään lähinnä silloin kun muuta yhteyttä ei ole saatavilla) MPLS (Multiprotocol Label Switching) 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 5

WAN Laajaverkko Wide Area Network MAN Kaupunkiverkko Metropolitan Area Network LAN Lähiverkko Local Area Network 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 6

Muut reitit 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 7

Likiverkko tai henkilökohtainen pienverkko (PAN, Personal Area Network) Tiedonsiirtoverkko, jossa henkilökohtaiset elektroniset laitteet voivat kommunikoida keskenään. Esimerkiksi tietokone, matkapuhelin, tulostin, kuvanlukija ja muut mahdolliset laitteet voidaan verkottaa keskenään. Puhelimen tai tietokoneen verkkoliitäntää voidaan käyttää yhdyskäytävänä lähiverkkoon tai Internetiin. Useimmiten toteutettu jollain langattomalla siirtotiellä, jolloin voidaan puhua WPAN-verkosta (Wireless Personal Area Network). Kuluttajalaitteissa käytetyin WPAN-verkkotekniikka on Bluetooth (IEEE 802.15.1). Etäisyydet lyhyitä: Henkilön taskuista löytyvät laitteet Toimistohuoneen laitteet Kotona muutaman huoneen alueella sijaitsevat laitteet 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 8

Tiedonsiirrossa, kuten kaikkessa muussakin, standardointi on tarpeen. Tämän vuoksi ISO (International Standardization Organization) kehitti OSI-mallin (Open Systems Interconnection) 1980-luvulla, jonka puitteissa eri tietoliikennejärjestelmät tulisi suunnitella. OSI-malli muodostuu seitsemästä kerroksesta, joiden varaan tiedon välitys muodostuu. Malli toimii pyramidin tavoin: ylempi kerros käyttää hyväkseen alempia kerroksia, jotka ovat toiminnaltaan "alkeellisempia". Kukin kerroksista käyttää alemman kerroksen palveluja ja tarjoaa palveluja ylemmälle kerrokselleen. Tällä kurssilla ei syvennytä tarkemmin OSI-malliin, vaan tarkoitus on saada yleiskuvakuva kaikista niistä asioista, joita tiedonsiirtoon liittyy. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 9

OSI-kerrokset Protokolla / laite 7. Sovelluskerros HTTP, FTP, SSH Johtaja - Sanelee kirjeen ja kertoo kenelle se lähetetään. 6. Esitystapakerros 5. Istuntokerros 4. Kuljetuskerros PNG, JPG, MPEG Winsock, Appletalk TCP, UDP, SPX Assistentti - Kääntää kirjeen sovitulle välityskielelle. Sihteeri - Korjaa havaitsemansa virheet. Lähettää uudelleen hävinneet kirjeet. Numeroi kirjeet, jotta vastaanottaja havaitsee väärän saapumisjärjestyksen. Postitushenkilö - Huolehtii kirjeen perille parhaaksi katsomallaan tavalla. 3. Verkkokerros 2. Siirtokerros 1. Fyysinen kerros IP, ICMP, IPX Reititin ATM, Ethernet Silta, kytkin Ethernet, Token Ring Keskitin, toistin Postilaitos - Katsoo osoitteen ja toimittaa oikeaan suuntaan kohti lopullista määränpäätä. Kirje kulkee postisäkissä yhden siirtovälin yli eli postitoimistosta toiseen. Sisältö kaadetaan pöydälle, tarkistetaan osoitetiedot, kerätään uuteen säkkiin ja välitetään oikeaan suuntaan. Kuljetusväline - Postiauton koko, väri, aikataulu ja ajonopeus. Erilaisille tietyypeille on erilaiset autot. Fyysisen siirtotie on maantie. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 10

1. Fyysinen kerros (Physical layer), joka määrittelee tiedonsiirron fyysisen median, kuten sähkökaapelin, valokuidun tai radioaaltojen yli, "siirtää yhden bitin". 2. Siirtoyhteyskerros (Data Link layer), joka kehystää ylempien kerrosten tietoliikennepaketin fyysisen kerroksen siirtoa varten. 3. Verkkokerros (Network layer), joka välittää ylempien kerrosten tietoliikennepaketteja tietokoneiden välillä, tarjoten päästä päähän yhteyden erilaisten verkkoratkaisujen ylitse. 4. Kuljetuskerros (Transport layer), joka huolehtii siitä, että paketit tulevat perille ja että ne järjestetään oikeaan järjestykseen. Myös vuonhallinta on kuljetuskerroksen tehtävä. 5. Istuntokerros (Session layer), joka huolehtii useiden yhdessä yhteydessä kulkevien istuntojen multipleksoinnista. 6. Esitystapakerros (Presentation layer), joka vastaa muun muassa eri merkistökoodauksien yhteensovittamisesta. 7. Sovelluskerros (Application layer), jota (käyttäjälle näkyvät) sovellukset käyttävät viestintään. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 11

26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 12

Käytettäessä jaettua siirtotietä tulee tietokoneiden yhtäaikainen tiedonsiirto estää tai siitä tulee toipua. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) on tietoliikenteen siirtotien varausmenetelmä, jolla useat lähettävät tietokoneet jakavat samaa siirtotietä. Se ei perustu ennalta sovittuun tapaan välttää törmäyksiä vaan törmäyksien jälkikäteiseen havaitsemiseen. Jos törmäys havaitaan, lähettäjät lähettävät saman tiedon satunnaisen ajan kuluttua uudelleen, jolloin uuden törmäyksen todennä-köisyys on pieni. CSMA/CD on perinteinen Ethernet-verkkojen tapa jakaa verkko käyttäjien kesken. CSMA/CD -menetelmässä suoritetaan kanavanvaraus kuuntelemalla kaapelisegmentin liikennetilannetta, joka tapahtuu käytännössä mittaamalla kaapelin jännitetasoja, ja mikäli segmentti vaikuttaa vapaalta, voidaan lähettää. Mikäli tapahtuu törmäys samaan Ethernetsegmenttiin kytkettyjen asemien alkaessa lähettää samanaikaisesti, se voidaan huomata johdon jännitetasojen epänormaaliudesta. Tällöin ensimmäinen törmäyksen havainnut asema lähettää jamsignaalin, joka viestittää segmentin kaikille laitteille tapahtuneesta törmäyksestä. Jam-signaalin vastaanotettuaan kaikki segmentin aseman vaikenevat ja odottavat satunnaisen ajan. Se asema, jonka satunnainen odotusaika on lyhin, aloittaa lähettämisen uudelleen ensimmäisenä. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 14

CSMA/CA (lyhenne sanoista Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) on tietoliikenteen siirtotien varausmenetelmä, jolla useat lähettävät tietokoneet jakavat samaa siirtotietä. CSMA/CA on perinteinen IEEE 802.11 - verkkojen (WLAN) tapa jakaa verkko käyttäjien kesken. CSMA/CA eroaa Ethernet-verkkojen CSMA/CD-tekniikasta siten, että se perustuu törmäyksien estämiseen. Tämä tapahtuu lähettämällä siirtotien varaava signaali ennen varsinaista tiedonsiirtoa. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 15

Topologia tarkoittaa verkon rakennetta, eli tapaa jolla verkon laitteet on kytketty toisiinsa. Käytetyin kytkentätapa nykyisin on tähtikytkentä. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 16

IEEE-standardointijärjestön työryhmä 802 standardoi lähi- ja kaupunkiverkkoja (LAN ja MAN). Tunnetuimmat standardit ovat Ethernet, Token Ring ja WLAN. Tärkeimmät työryhmät ovat: IEEE 802.1 yleiset LAN-standardit, turvallisuus IEEE 802.3 Ethernet IEEE 802.5 Token Ring IEEE 802.10 turvallisuus (siirretty 802.1:een) IEEE 802.11 WLAN IEEE 802.13 Cat.6-10Gb LAN IEEE 802.15 langaton PAN IEEE 802.16 langaton laajakaista 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 17

Ethernet on pakettipohjainen lähiverkkoratkaisu (LAN), joka on yleisin ja ensimmäisenä laajasti hyväksytty lähiverkkotekniikka. Nimi Ethernet on lähtöisin maailmaneetteristä: jaetusta kommunikaatioon käytetystä väylästä, yhteisestä viestiavaruudesta. Nykyään nimitys "Ethernet" viittaa joukkoon lähiverkkojen toteutustapoja, jotka käyttävät CSMA/CDkilpavaraustekniikkaa jakaessaan siirtotien työasemien kesken. Ethernet toteuttaa OSI-mallin kerrokset 1 ja 2 (fyysinen- ja siirtoyhteyskerros). IEEE on standardoinut Ethernet-tekniikoita 802.3-työryhmässä. Ensimmäistä Ethernet verkkoa jota nimitettiin Alto ALOHANetiksi alettiin kehittää Xeroxin Palo Alton tutkimuskeskuksessa vuonna 1972. Alun perin verkon siirtonopeutena käytettiin 2,94 Mb/s. Laajemmin Ethernet-verkkoa alettiin käyttää 1980-luvulla. Aluksi käytettiin halkaisijaltaan yli 10 mm vahvuiseen koaksiaalikaapeliin perustuvaa Ethernet-versiota ("paksu" Ethernet), 1985 hyväksyttiin ohuempaa ja halvempaa kaapelia käyttävä versio ("ohut" Ethernet). Seuraavaksi tuli 10baseT, halpaa Cat3-parikaapelointia käyttävä versio. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 18

Vuonna 1995 saavutettiin 100 Mbit/s siirtonopeus, FastEthernet eri versioineen, joista 100baseTX on jäänyt käyttöön. Siirtonopeuden kasvu perustui paitsi parempiin verkkolaitteisiin ja laadukkaampiin kaapeleihin (Cat5) niin ennen kaikkea verkon rakenteen muuttumiseen: Ethernetissä alun perin käytetty väylärakenne oli muuttunut tähtimäiseksi. Vuonna 1998 kehitettiin seuraava versio GigabitEthernet, jossa 1 Gb/s nopeus saavutettiin ottamalla käyttöön pidemmät kehykset, pienentämällä CSMA/CD-algoritmille sallitun alueen kokoa, tehostamalla siirrossa käytettävää koodausta eli symbolin esitystapaa, siirtymällä half-duplexiin ja lisäämällä PAMmodulaatioon kaksi uutta jännitetasoa. Nykyisin käytössä on jo 10 Gb/s Ethernet, joka tuki aluksi vain valokuituyhteyksiä, mutta nyt käytössä on jo useampi standardi myös kuparikaapeleille. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 19

Perinteinen Ethernet on topologialtaan väylä: kaikki verkossa olevat koneet ovat kiinni samassa kaapelissa ja jokainen niistä näkee toistensa liikenteen. Kaapelointina oli aluksi 10Base5, Orange Hose Ethernet eli "paksueetteri", eli 10 milliä paksu RG-8-koaksiaalikaapeli, johon laitteet liitettiin erillisten lähetinvastaanotinyksiköiden eli transceiverien avulla. Yhden kaapelin eli segmentin enimmäispituus oli 500 m. Seuraavaksi kehitettiin 10Base2, "ohuteetteri", thinnet tai cheapernet. Paksu "letku" korvattiin suhteellisen ohuella ja notkealla RG-58-koaksiaalikaapelilla. Laitteet kytketään peräkkäin ketjuun, laitteiden ja kaapelin osien liittämiseen käytetään BNC-liittimiä. Ethernet-kaapeli voitiin nyt viedä suoraan verkkokortille, erillistä liitinyksikköä ei tarvittu. Ohuemman koaksiaalikaapelin sähköiset ominaisuudet eivät olleet yhtä hyvät kuin paksun, ja segmentin pituus piti laskea 185 metriin. Aluksi kaikki verkon koneet oli kytketty yhteiseen kaapeliin. Pian kuitenkin kehitettiin toistin, digitaalinen vahvistin, joka toistaa yhden kaapelin liikenteen toisessa. Alkuperäisen spesifikaation mukaan toistimia sai kytkeä kaksi peräkkäin, 1985 sallittiin neljä peräkkäistä toistinta ja viisi segmenttiä. Vuodesta 1990 alkaen käyttöön tuli edelleen halvempi ja helpompi parikaapeliin perustuva tähtimäinen Ethernet. Jokaisella verkkoon kytketyllä laitteella oli oma kaapelinsa, joka oli kytketty tähden keskellä olevaan toistimeen, keskittimeen. Ethernet ja puhelinverkko voivat nyt käyttää rakennusten sisällä yhtenäiskaapelointia: samat parikaapelit ja RJ-45-liittimet käyvät sekä puhelimille että Ethernet-verkoille. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 20

Ethernetin kaistanvarausmenetelmä on CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection). Se on kilpavarausmenetelmä: jos mikään muu laite ei lähetä (Carrier Sense), kaikilla laitteilla on oikeus aloittaa lähetys (Multiple Access). Jos kaksi tai useampi laite alkaa lähettää samanaikaisesti, ne havaitsevat törmäyksen (Collision Detection) ja keskeyttävät lähetyksen. Törmäykseen osallistuneet laitteet odottavat satunnaisen ajan, jonka jälkeen ne yrittävät uudelleen lähettämistä. Eri verkkolaitteet tunnistetaan MAC-tason (Media Access Control) osoitteilla, joka on 48-bittinen yksilöllinen osoite jokaiselle verkkolaitteelle. Ethernet versio 2 kehys on pituudeltaan 64 1518 tavua, ja pystyy kantamaan 1500 tavua kuormaa. Alla IEEE 802.3 kehysrakenne. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 22

Eri verkkolaitteet tunnistetaan MAC-tason (Media Access Control) osoitteilla, joka on 48-bittinen yksilöllinen osoite (MAC-osoite, ethernetosoite) jokaiselle verkkolaitteelle. Ethernet versio 2 kehys on pituudeltaan 64 1518 tavua, ja pystyy kantamaan 1500 tavua hyötykuormaa. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 23

Fast Ethernet on yleisnimitys kaikille 100 Mbit/s siirtäville Ethernettekniikoille. Näitä ovat: 100BASE-TX (Cat5 parikaapelin yli) 100BASE-T4 (neliparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut) 100BASE-T2 (kaksiparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut) FastEthernetiin siirtymisessä vaaditaan usein uusi kaapelointi, sillä FastEthernet vaatii tähtimäiseen verkkoon kytkimen ja Cat5- luokan parikaapelin. Uuden kaapeloinnin käyttö on tehnyt mahdolliseksi myös kaksisuuntaisen (full-duplex) tiedonsiirron perinteisen vuorosuuntaisen (half-duplex) lisäksi. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 24

Gigabit Ethernet on yleisnimitys kaikille 1 Gbit/s siirtonopeuteen pystyville Ethernet-verkkotekniikoille. Tekniikka on standardoitu 1000BASE-T:ssa Cat5e kuparikaapeloinnille ja 1000BASE-SX:ssa lyhyille kuituyhteyksille. 1000BASE-TX vaatii toimiakseen Cat6- luokan kaapeloinnin. Gigabit Ethernetissä on kaikki toimivaksi todettu, "vanha" Ethernet ja FastEthernet tekniikka pyritty säilyttämään ja samalla on saavutettu yhteensopivuus vanhoihin 10 Mbit/s ja 100 Mbit/s verkkoihin. Lähetys tapahtuu edelleen kilpavaraustekniikalla, mutta lyhyiden kehysten pituus on kasvatettu täytetavuilla vähintään 512 tavuun, jotta lähetysaika kasvaa ja törmäys voidaan havaita koko segmentin pituudella. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 25

10 gigabitin Ethernet määriteltiin ensimmäisen kerran IEEE 802.3 standardin liitteessä IEEE 802.3ae. Määriteltyjä mediatyyppejä oli seitsemän, kaikki erilaisia kuituja. Myöhemmin ovat tulleet muun muassa standardit 802.3ak ja 802.3an erilaisille kuparikaapeleille. 26.8.2010 Tietoliikennetekniikka 26