Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93



Samankaltaiset tiedostot
Tietoliikenteen fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden Kirja sivut 43-93

Data ja informaatio. Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Ohjattu media. Tiedonsiirto. Ohjaamaton media

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros "Miten siirretään yksi bitti"

Tiedon esitys tietokoneessa. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2014

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

Linkkikerros, tiedonsiirron perusteet. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2011

Linkkikerros, tiedonsiirron perusteet. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2011

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 13 Sivu 1 (10) Virheen havaitseminen ja korjaus

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

T Verkkomedian perusteet. Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tiedonsiirron perusteita. Tiedonsiirron rakenneosat

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

S Teletekniikan perusteet

AV-muotojen migraatiotyöpaja - ääni. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

Tiedonsiirron perusteet. Jouko Kurki T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2010

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

Tiedonsiirron perusteet. Jouko Kurki T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2012

Ongelma 1: Onko datassa tai informaatiossa päällekkäisyyttä?

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

Johdanto tieto- viestintäteknologian käyttöön: Äänitystekniikka. Vfo135 ja Vfp124 Martti Vainio

T DSP: GSM codec

SISÄLMYSLUETTELO QUO VADIS?... 9

ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer) 5.1. Kaksipisteyhteydet. Kehysten kuljetus. Missä virhe hoidetaan? Virheet.

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet

Peruskerros: OFDM. Fyysinen kerros: hajaspektri. Hajaspektri: toinen tapa. FHSS taajuushyppely (frequency hopping)

Tehtävä 2: Tietoliikenneprotokolla

Reititys. Reititystaulukko. Virtuaalipiirin muunnostaulukko. Datasähkeverkko. virtuaalipiiriverkko. Eri verkkotekniikoita

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

11. kierros. 1. Lähipäivä

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

Digitaalinen audio & video I

Radioamatöörikurssi 2016

Tiedon esitys tietokoneessa. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2010

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet. OSI-kerrokset

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

1. Perusteita Äänen fysiikkaa. Ääniaalto. Aallonpituus ja amplitudi. Taajuus (frequency) Äänen nopeus

Linkkikerros, tiedonsiirron perusteet. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2010

JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

Radioamatöörikurssi 2017

Digitaalinen audio & video, osa I. Johdanto. Digitaalisen audion sovellusalueet. Johdanto. Taajuusalue. Psykoakustiikka. Johdanto Digitaalinen audio

Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology

Juha Henriksson. Digitaalinen äänentallennus Dr. Juha Henriksson Finnish Jazz & Pop Archive

CSMA/CA: Satunnaisperääntyminen (Random backoff)

Ohjelmistoradio tehtävät 4. P1: Ekvalisointi ja demodulaatio. OFDM-symbolien generoiminen

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Radioamatöörikurssi 2012

samankaltainen kuin Ethernetissä

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Sanoman siirto paketteina: ei etenemisviivettä, ei jonotuksia

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

Tiedon esitys tietokoneessa. Jyry Suvilehto T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan kevät 2013

Virheen kasautumislaki

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN) ISM. Hidden terminal -ongelma. CSMA/CA (Collision avoidance) IEEE standardi. exposed station problem:

Kanavointi (multiplexing) Samalla linkillä usean yhteyden sanomia. Siirtonopeus, siirtoaika. Lasketaan! Ratkaistaan!

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Successive approximation AD-muunnin

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

Vaatimusmäärittely Ohjelma-ajanvälitys komponentti

Tietoliikennesignaalit & spektri

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

Ongelma(t): Miten digitaalista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida? Miten monimutkaista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida?

INFORMAATIOTEORIA & KOODAUS TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 28 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Standardit. Siirtotiet. Standardit

Langattoman verkon spektrianalyysi

Chapter 5 Link Layer and LANs

Parikaapeli. Siirtomedia. Sähkömagneettinen spektri. EIA/TIA kategoriat

K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 60

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

esimerkkejä erilaisista lohkokoodeista

Modulaatio. f C. amplitudimodulaatio (AM) taajuusmodulaatio (FM)

S Tietoliikennetekniikan perusteet

Pertti Pennanen OSI 1 (4) EDUPOLI ICTPro

2. Peruskerros. tiedonsiirron perusteet siirtotie (media) siirtoverkkoja. puhelinverkko: modeemi, isdn, langaton verkko: soluradio satelliittiverkko

Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

IARU Reg. 1 V/U/SHF-taajuusjakosuositus

Kapeakaistainen signaali

Ohjeita nauhaformaattien digitointiin D I G I W I K I - S E M I N A A R I

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

nykyään käytetään esim. kaapelitelevisioverkoissa radio- ja TVohjelmien

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

2.1 Tiedonsiirto. 2. Peruskerros. Lähetin, vastaanotin. Koodaus. Signaali. Kaistanleveys (bandwidth) Data siirretään energiana

puhelinverkko: modeemi, isdn, langaton verkko: soluradio satelliittiverkko Data siirretään energiana

Tiedonkeruu ja analysointi

Tiedonkeruu ja analysointi

Sisäilmaston mittaus hyödyntää langatonta anturiteknologiaa:

MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento 3 Siirtotiet. OSI kerrokset 1 ja 2.

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Kanavat eivät ole enää pelkästään broadcasting käytössä Uudet palvelut kuten teräväpiirtolähetykset vaativat enemmän kapasiteettia

T Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan. Tiedonsiirron perusteet Lähiverkot

3. Kuljetuskerros 3.1. Kuljetuspalvelu

Digitaalinen audio & video, osa I

Transkriptio:

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93

Data ja informaatio Data: koneiden tai ihmisten käsiteltävissä oleva tiedon esitysmuoto Informaatio: datan merkityssisältö Tieto: ihmisen ymmärrystä Näistä määritelmistä on variaatioita ja vaihtelua eri tieteenaloilla Aihe on lähellä filosofiaa ja siitä on kirjoitettu kirjoja Esimerkkejä: Pakkaamattomalla TIFF- ja pakatulla GIF-formaatin kuvalla saattaa olla sama informaatiosisältö, mutta GIF-kuvan käyttämä datamäärä on pienempi JPEG-pakkaus hävittää kuvasta silmälle näkymätöntä informaatiota TCP ja IP-protokollalle sovellustason siirrettävät tavut ovat dataa; HTTP kohtelee otsaketietoja informaationa mutta siirrettäviä HTML-tiedostoja datana; selaimelle HTML on informaatiota

Tiedonsiirto Informaatio koodataan symboleina dataan, jota siirretään tietyn kaistanleveyden ja muita ominaisuuksia omaavan median ylitse käyttäen sopivaa linjakoodausta

Ohjattu media Kuparijohto Kierretty parikaapeli Koaksiaalikaapeli Valokuitu Myös massamuistivälineet

Ohjaamaton media Sähkömagneettinen säteily Radioaallot Satelliittiyhteydet Mikroaallot Laser Infrapuna Ääni

Digitaalisen datan siirtäminen analogisessa maailmassa Bitit on koodattava jotenkin Kantataajuusmenetelmässä bitit muutetaan suoraan esim. jännitteeksi, toimii yhteyksillä, joissa on suhteellisen vähän häiriöitä Häiriöisillä yhteyksillä kantoaalto auttaa erottamaan signaalin taustakohinasta, signaali muokkaa kantoaaltoa Amplitudimodulaatio (AM) Taajuusmodulaatio (FM) Vaihemodulaatio (PM) Nykyään on myös monimutkaisempia koodauksia Esim. UMTS:n käyttämä CDMA

Synkronoitu ja synkronoimaton tiedonsiirto Vastaanottajan pitää tunnistaa data Synkronoimattomassa tiedonsiirrossa vastaanottaja tunnistaa viestin (yksi tavu dataa) alun ja ottaa näytteitä riittävän usein saadakseen viestin Esim. start-bitti, 8 databittiä, pariteetti ja stop-bitti Synkronoidussa tiedonsiirrossa lähettäjällä ja vastaanottajalla on kellot samassa ajassa, vastaanottaja tietää milloin bitin pitäisi tulla Tehokkaampaa

Synkronoitu kantataajuuskoodaus RZ NRZ Bipolar AMI 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 + 0 + 0 - + 0 -

Kellosignaali kantataajuuskoodauksen mukana 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 Manchester Differential Manchester

Kantoaallon modulointi 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AM FM PM

Siirtotien laatua kuvaavia tekijöitä Kaistanleveys (bandwidth) Käytettävissä oleva taajuusalue Kohina (noise) Taustalla olevat häiriösignaalit, joista viesti on erotettava Siirtokapasiteetti (capacity) Montako bittiä sekunnissa saadaan siirrettyä (lasketaan edellisistä) Virhetaajuus (error rate) Montako databittiä sekunnissa muuttuu Viive (latency) Kauanko bitiltä kestää matkata päästä päähän Huojunta (jitter) Perättäisten viestien aikavaihtelut Vaimennus (attenuation) Kuinka usein signaalia on vahvistettava (riippuu mediasta)

Signaali luonnossa 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 Siirtovirhe Lähtevä signaali Vaimennus Kaistanleveyden pyöristämä Viive Ulkopuolinen kohina Saapuva signaali Näytteenotto Vastaanotettu data

Analogisen datan koodaus digitaaliseksi Ihmisen puhe on analogista dataa Liki rajaton määrä äänensävyjä Nykyään ääni digitoidaan Puhelinverkot, musiikki CD-levylle Äänestä otetaan näytteitä (sampling) Näytteet koodataan datavirraksi Näytteenottoteorian mukaan näytteidenottotaajuuden on oltava vähintään kaksi kertaa signaalin taajuus Digitaalinen puhelinverkko on rakennettu näytteenottotaajuuden 8000 näytettä/s perusteella, jotta n. 4000 Hz puheäänestä toistuisi Ihmisen kuuloalue on noin 20-20 000 Hz Kvantisointi kuvaa näytteet diskreetiksi informaatioksi esim. 8- bittiseksi luvuksi (puhelinverkko)

Näytteenotto x(t) x s (nt) t T n

Kvantisointi x s (nt) T n T n

Kohinasuhde Analogisissa siirtoteissä on aina erilaisia häiriöitä Signaalinvoimakkuuden suhde kohinan voimakkuuteen on hyvin tärkeä mitta siirtotien laadulle SNR, Signal to Noise Ratio Ilmaistaan yleensä desibeleissä Esim. jossain analogisessa puhelinverkossa voidaan mitata signaalin olevan 10 000 kertaa taustakohinaa voimakkaampi Tällöin SNR on 10 log 10 10000 = 40 db

Kaistanleveys ja kapasiteetti Kaistanleveys tarkoittaa tietyn kanavan läpäisevää taajuusaluetta Tyypillisesti siirtotien sähköiset ja optiset ominaisuudet määrittävät lähetettävälle pulssille tietyn minimipituuden, jotta se voitaisi havaita luotettavasti vastaanottopäässä Pulssin minimipituudesta saadaan vastaava korkein taajuus, joka voidaan siirtää Ilmaistaan Hertzeinä, Hz Kapasiteetti on tietyn kanavan läpi siirrettävän datan määrä Ilmaistaan bitteinä sekunnissa, b/s Nyquistin kaava tiedonsiirrolle on r max = 2 W log 2 L r max on suurin saavutettava bittien siirtokapasiteetti W on ideaalikanavan kaistanleveys L on signaalitasojen määrä

Realistinen kaistanleveys ja kapasiteetti Käytännön kanavilla on kohinaa, joka rajoittaa signaalitasojen määrää Shannonin kaava kanavakapasiteetille on C = W log 2 (1 + SNR) b/s C on kanavan siirtokapasiteetti b/s W on kaistanleveys SNR on kanavan signaali/kohinasuhde jos ilmaistu desibeleinä: 10 (SNR/10) Signaalitasojen määrä ei vaikuta, kaava määrittelee suurimman mahdollisen bitinsiirtokapasiteetin

Diskreetin informaation koodaus Kirjoitettu kieli muodostuu aakkosista eli symboleista, jotka voidaan numeroida ASCII kirjaimille a-z, numeroille ja välimerkeille ISO-8859 -perhe länsimaisille kielille Unicode (ja UTF) kaikille kielille Kuvat voidaan digitoida kuten ääni ja muu analoginen data Myös liikkuva kuva

Pakkaus Idea perustuu Shannonin Informaatioteorialle N erilaisen vaihtoehdon esittämiseen tarvitaan log 2 N bittiä Mikäli datassa on toistuvia informaatiosymboleja, niiden esittämiseen voidaan käyttää sovittuja bittikuvioita Pakkaamiseen ja purkamiseen tarvitaan algoritmi, jonka ohjelmistototeutus on asennettuna valmiiksi Algoritmeja ja pakkausformaatteja on paljon ja ne soveltuvat eri datatyypeille Lempel-Ziv, Huffman, JPEG, MPEG-2, MPEG-1 layer 3

Siirtohäiriöt Kohinaa Vaikeuttaa signaalin havaitsemista Signaalin tulovoimakkuus ei ole niin tärkeä kuin signaalin tulovoimakkuus suhteessa kohinaan, josta se erottuu Lämpöenergia komponenteissa Radiolinkeillä muut radiolähetykset ja universumin taustakohina Häiriöpurskeita Esim. matkapuhelimet Signaalien ylikuuluminen viereisistä johtimista Katkoksia

Virheenkorjaus Virheet voidaan korjata Etukäteen lisäämällä ylimääristä dataa, redundanssia Esim. Hamming-koodaus, vaikkapa 4 bitin viestiin lisätään 3 bittiä dataa, joilla voidaan korjata kaikki yhden bitin siirtovirheet Vrt. tietokoneiden RAID-levyt Jälkikäteen tunnistamalla virheet ja lähettämällä viesti uudestaan Jättää korjaamatta Esim. puhe ja video sisältävät usein itsessään niin paljon redundanssia, etä pinet vhreet evät estä ymrtmstä vstiä

Virheiden tunnistaminen Cyclic Redundancy Check -tarkistussummat Perustuvat polynomeihin Esim. CRC-CCITT tunnistaa 16 bitin tai lyhyemmät purskevirheet Pariteettibitti Yleinen pääteyhteyksien ja tietokoneiden muistin suojaaja Esim. data-elementissä on aina pariton määrä 1-bittejä: 1110 0010 -> 1110 0010 1 Kryptografiset tarkistussummat (hashit eli tiivisteet) suojaavat tahallisia muutosyrityksiä vastaan Käytettävä virheentunnistus valitaan yleensä odotetun virheen mukaisesti

Termejä: simplex ja duplex Simplex: yksisuuntainen tiedonsiirto Esim. yleisradio Half-duplex: vuorotteleva kaksisuuntainen tiedonsiirto Esim. radiopuhelin Duplex (full duplex): samanaikainen molemmansuuntainen tiedonsiirto Esim. puhelin Internet ja muut tietoverkot rakennetaan usein yhdistelemällä simplex-yhteyksiä, mm. koska liikenne on epäsymmetristä (kuten WWW-liikenne) Käyttäjälle näkyvä palvelu on kuitenkin duplex

Termejä: montako vastaanottajaa Täsmälähetys, unicast: lähetetään yhdelle vastaanottajalle Normaali Internet-liikenne Yleislähetys, broadcast: lähetetään kaikille vastaanottajille Yleisradioliikenne Tiettyjen palveluiden löytäminen lähiverkossa Ryhmälähetys, multicast: kohdistetaan ryhmälle (palvelun tilanneita) vastaanottajia Käytetään Internetissä esim. videokuvan jakamiseen, vastaanottaja tilaa liikenteen liittymällä multicast-ryhmään Jokulähetys, anycast: lähetetään viesti yhdelle vastaanottajalle joukosta, vastaanottaja valitaan ad-hoc

Yhteenveto Fyysinen kerros edustaa sovellettuja luonnontieteitä, lähinnä fysiikkaa ja fysiikan ilmiöitä Tälle kerrokselle on määritelty suuri määrä erilaisia tekniikkoja, joiden avulla tietoa yritetään siirtää Mikään tekniikka ei ole ylivoimainen, vaan valinnat tehdään tilanteen mukaan Tarpeet ja resurssit vaikuttavat