T-110.250 Verkkomedian perusteet Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet
Luennon aiheet Tietoliikennekäsitteitä Kerrosmallit Digitaalinen tiedonsiirto Siirtomediat Virheet ja virheenkorjaus Modulaatio (ei käsitelty luennolla) 2
Kirjan luku 1 Viestintäverkkojen kehitys Keskeisiä käsitteitä 3
Lennätinverkko (1837-) Sähkösanomien välitys Palvelu (service) Morse-koodi digitaalinen tiedonsiirto Välitys lennätinasemalta toiselle Osoite (address), reititys (routing) 4
Lennätinverkko Muita piirteitä Tiedonsiirtonopeus (tranmission rate) Kehystys (framing) Kanavointi (multiplexing) 5
Puhelinverkko (1876-) Puheen välitys Palvelu suoraan käyttäjälle Erilaiset arkkitehtuurivaatimukset Piirikytkentä (circuit switching), yhteydellisyys (connection-oriented), osoitteet Yhteydenmuodostus / puhelu Signalointi (signaling), signalintiverkko 6
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
Tietokoneverkot koneelta-koneelle-verkko (n 60-luku) pakettikytkentä (packet switching) vuonhallinta (flow control) ruuhkanhallinta (congestion control) Lähiverkko (80-luku) median saanti, yleislähetys (broadcasting) 8
Tietokoneverkot Internet Monesta verkosta yhdistetty verkko yhteydetön tiedonsiirto (connectionless), osoiteavaruus yhdyskäytävä (gateway) internet vai Internet? 9
Internet (L-G 1.14) 10
Verkkoarkkitehtuuri - yhteenveto Digitaalinen siirtotie Kehysten välitys Median saanti Osoitteet Pakettien välitys, reititys Muuttuvan tilanteen hallinta reititys, ruuhkat Rajapinnat (internetworking) Sovelluksia ja palveluita 11
Standardit International Telecommunication Union (ITU) Internet Engineering Taskforce (IETF) Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) de jure ja de facto standardit 12
Kirjan luku 2 Yhteyskäytännöt Palvelut Kerrosmallit 13
Yhteyskäytäntö Protokolla Joukko sääntöjä jotka määrittelevät miten kaksi tai useampi osapuoli kommunikoivat keskenään Viestinvaihdot Viestien sisältö 14
Palvelu Kehyksen välitys Yhteyden muodostus Pakettien välitys... Verkkopankki Yhteyskäytännöllä on jokin funktio se tuottaa palvelun jota muut voivat hyödyntää 15
Kerrosmalli Kerrosmallit alunperin 70-luvulta tarve avoimelle arkkitehtuurille ISO kehitti OSI-viitemallin ja myöhemmin siihen liittyviä standardeja Etuja rajapinnat, yhteensopivuus modulaarisuus 16
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
TCP/IP arkkitehtuuri 18
Kapselointi!" # $$ 19
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
Kirjan luku 3 Digitaalinen tiedonsiirto Virheet ja virheenkorjaus Modulaatio 21
Tiedonsiirto asia, viesti sovittu merkistö median ja signaalin mukaan siirtomedia ja signaali signaali kulkee mediassa ja tulee (melko) muuttumattomana perille 22
Viestistä bitiksi Diskreetti Teksti, numeerinen data,... Merkkien binääriesitys Tiedoston koko: esitystapa + pakkaus Jatkuva Puhe, musiikki, valokuva,... A/D-muunnos Koko: näytteenottotaajuus + esitystapa (+ pakkaus) 23
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
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
Näytteenotto ja kvantisointi 26
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
Tiedon pakkaus Häviötön pakkaus jokainen bitti palautuu purettaessa ohjelmat, teksti,... Häviöllinen pakkaus purettu materiaali eroaa alkuperäisestä vastaanottaja ei huomaa eroa puhe, video,... 28
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
Linjakoodaus Muutamia esimerkkejä NRZ AMI HD3B Manchester 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 30
Missä mennään Käsitelty Miten informaatio muutetaan siirrettäviksi biteiksi Seuraavaksi Miten bitti siirretään 31
Siirtomediat Sähkömagneettinen säteily etenee eri medioissa johtimissa (metalli, johdot) valokuitu ilmassa Siirtotien ominaisuudet vaikuttavat signaaliin kastanleveys vaimeneminen kohina ja muut häiriöt 32
Sähkömagneettinen spektri 10 3 10 6 10 9 10 12 10 15 10 18 Radio transmission Microwaves Infrared Ultraviolet FM radio and TV Visible x-ray & gamma 33
Siirtomedian vaikutukset Vaimeneminen (attenuation) Vääristyminen (distortion) vaihesiirto (phase shift) Kohina (noise) Kaistanleveys (bandwidth) 34
Virheet siirrossa alkuperäinen vaimentunut rajallinen kaista kohinaa ja häiriöitä 35
Digitaalinen siirto Lähetettävänä on bittejä Miten nopeasti ne voidaan luotettavasti lähettää? Siirtonopeuteen vaikuttaa lähetysteho, signaalin teho matka kohina käytettävissä oleva kaista 36
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
Signaalielementti Yksi bitti / pulssi -> 2W bittiä/sekunti 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 Monitasoinen siirto (2 m tasoa) siirtonopeus R = 2Wm bittiä/sekunti 001100101100101010101101 38
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
Missä mennään Käsitelty Informaatiosta biteiksi Bittien siirto siirtotietä pitkin kaistanleveys, siirtonopeus mikä rajoittaa nopeutta Seuraavaksi Virheiden käsittely Modulaatio 40
Virheiden käsittely Tiedonsiirrossa tapahtuu aina virheitä virheiden havaitseminen havaitun virheen korjaaminen Kaksi lähestymistapaa uudelleenlähetys (Automatic Retransmission request, ARQ) virheenkorjaus (Forward Error Correction, FEC) 41
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
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
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
Modulaatio (digitaalinen) $ '$' ()*+ $ '",(-*.$' (/)*+.",(/-* "$' ()*+ "",(-*+ "0 '$' ". ASK FSK PSK 45
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