Tietoliikenne ja Verkot Pakollinen ammattiaine: 5 op Tavoite: Opiskelija tuntee langallisten ja langattomien tietoverkkojen keskeiset ominaisuudet. Osaat suunnitella ja ylläpitää pienen yrityksen tai organisaation tietoliikenneratkaisun. Osaat toimia verkon pääkäyttäjänä. Sisältö: Teoriatunneilla opiskelet tietoliikennetekniikan perusasiat, etenkin TCP/IP-protokollan ja ethernet-verkon perusteet. Laboratioharjoituksissa rakennat erilaisia lähiverkkoja ja konfiguroit erilaisia aktiivilaitteita. Opiskeluaineisto: Powerpoint-luentomoniste Jyrki Penttinen: Tietoliikennetekniikka, 3G ja erityisverkot (WSOY 2006) Kai Granlund: Tietoliikenne Cisco-akatemian verkkomateriaali 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Välikokeita ei voi uusia. Arviointi: Opintojakson arviointi perustuu kahteen välikokeeseen. Lisäksi arviointiin sisältyy harjoitustöitä. Välikokeita ei voi uusia. Uusintatentit: Hylätty opintojakso voidaan suorittaa MAMK:n yleisinä tenttipäivinä. Edeltävät opinnot: PC-ympäristön hallinta. Opettaja: Martti Susitaival, huone MB311 sähköposti: martti.susitaival@mamk.fi 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Sisältö Johdanto tietoliikenteen kehitys ja sen keskeisiä käsitteitä Tietoliikennepalvelut ja verkot Televerkkojen rakenne Tietoliikenteen standardointi ja OSI- ja TCP/IP-malli Perustekniikat Signaali ja häiriöt Vaimennus, ja vahvistus Kohina Ylikuuluminen Siirtotekniikat Kanavointi Modulaatio Koodaus 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Toistimet ja keskittimet Sillat ja kytkimet Vlan-tekniikka 3. Lähiverkot Kaapelointi Ethernet Toistimet ja keskittimet Sillat ja kytkimet Vlan-tekniikka TCP/IP protokollat IP-osoiterakenne Reitittimet Aliverkot Lähiverkkojen varmentaminen Verkonhallinta 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Laajakaistatekniikat DHCP-palvelu Osoitteenmuunnokset 4. Laajaverkot Protokollat Laajakaistatekniikat DHCP-palvelu Osoitteenmuunnokset 5. Langattomat verkot WLAN-verkot Solukkoverkot Bluetooth- ja RFID-tekniikka Radio, televisio, kaapeli-Tv ja satelliitti-TV 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

TUTTU JUTTU (vai onko sittenkään…) Netin käyttö on tuttua ja tavallista meille kaikille Monet tietävät netin toimintaperiaatteistakin. Kokeillaanpa heti opintojakson alkajaisiksi, kuinka paljon jo tiedämme. Seuraavia kysymyksiä pohditaan ensin yksin, sitten pareittain ja sitten noin neljän hengen ryhmissä. Lopuksi joku ryhmän jäsenistä valmistautuu esittelemään lyhyesti ryhmän kannan asiasta. Selitä mahdollisimman yksinkertaisesti, miten Mamk:n Student-portaalin alkusivu latautuu työasemallesi. Mitä laitteita ja minkälaista kaapelia tarvitaan yhteyden luomiseksi Mihin IP-osoitteita tarvitaan ja miksi tarvitaan vielä laiteosoitteita. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

TUTTU JUTTU, osa 2 Kuinka suuren osan matkasta GSM-kaukopuhelu kulkee radioaaltona ja kuinka suuren osan matkasta kaapeleita pitkin? Tarkastele seuraavia esimerkkejä: Mikkelistä Helsinkiin Mikkelistä Los Angelesiin Kanarian saarilla hotellihuoneesta hiekkarannalla olevan suomalaiskaverin kännykkään Miksi kaupungeissa on GSM-tukiasemia tiheämmässä kuin maaseudulla? Miksi kaupungeissa voi puhua yhdellä akun latauksella kauemmin kuin maaseudulla? Miten voit selittää sen, että puhelu pystytään yhdistämään GSM-puhelimeen , vaikka se olisi siirtynyt eri paikkakunnalle tai jopa eri maahan? Tietäkö GSM-järjestelmä puhelimen sijainnin silloin, kun sillä ei puhuta puheluja tai siirretä dataa? Kuinka suurella tarkkuudella? Entä puhelun tai datasiirron aikana? Miten järjestelmä saa hankittua nämä sijaintitiedot? 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

TUTTU JUTTU osa 3 Selitä mahdollisimman yksinkertaisesti satelliittipaikantimen (GPS) periaate. Miten GPS-laite voi tietää sijaintipaikkansa noin 10 metrin tarkkuudella? Tietävätkö järjestelmän satelliitit, missä paikannuslaitteet ja niiden käyttäjät milloinkin ovat? Tietääkö GPS-laite, missä järjestelmän satelliitit kulloinkin ovat? Osa GSM-puhelimista on GPRS-malleja. Miten GPRS-mallien datasiirto eroaa tavallisten GSM-puhelimien datasiirrosta? Entä mitä eroa on datasiirron laskutusperiaatteissa näiden välillä? Ovatko käsitteet GPRS ja GPS jotenkin läheistä sukua toisilleen? 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

1. Johdanto Tietoliikenteen kehityshistoriaa: Optinen lennätin Claude Chappe 1791 Sähkölennätin Samuel Morse 1845 Puhelin Alexander Graham Bell 1876 Radio Guglielmo Marconi 1896 Televisio Paul Nipkow 1894 Automaattinen puhelinkeskus Almon S Strowger 1891 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Transistori Shockley, Bardeen ja Brattain 1947 Radioputki De Forest 1906 Transistori Shockley, Bardeen ja Brattain 1947 Integroidut piirit 1950-luvulla Pakettikytkentä Paul Baran 1962 TCP/IP-tekniikka 1970-luvulla Mikroprosessori 1970-luvulla Digitaalinen puhelinverkko 1980-luvulla Matkapuhelimet 1980- ja 1990-luvuilla Internet 1990-luvulla Laajakaistaiset liikkuvat Internet-liittymät sekä mobiili-VoIP-puhelintekniikka 2000-luvulla 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenteen kehityksen vauhdittajia Mikroprosessorien ja muiden mikropiirien tehojen kasvu ja hintojen halpeneminen mahdollistavat entistä monipuolisempia ja ”älykkäämpiä” päätelaitteita. Esimerkiksi matkapuhelimien prosessoritehot ja muistien koko ylittävät muutaman vuoden takaiset tietokoneet. Digitaalinen signaalinkäsittely mahdollistaa siirtokanavien tehokkaamman hyödyntämisen. Internetin ADSL-laajakaistaliittymä on paljon nopeampi kuin takavuosien modeemiliittymä, vaikka se käyttää samaa puhelinjohtoa. 3G-verkon matkapuhelimet siirtävät tietoa langattomasti paljon tehokkaammin kuin edeltäjänsä. Lasertekniikka ja valokaapelit mahdollistavat erittäin nopean ja edullisen langallisen siirron.

Tietoliikenteen osa-alueet 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Pohdittavaksi Miten luokittelet seuraavat tietoliikennejärjestelmät tai –palvelut? Ovatko ne - interaktiivisia (eli vuorovaikutteisia)? - reaaliaikaisia (eli tuntuvatko ne toimivan ilman häiritsevää viivettä)? - yksisuuntaisia vai kaksisuuntaisia? puhelinvastaajaan jätetty puheviesti teksti-TV juna-aikataulun selaus www-sivuilta TV-ohjelman katsominen Yleisradion nettisivuilta videopuhelu Internet-yhteyden välityksellä telefax puhelu televisio-ohjelmassa järjestetty tekstiviestiäänestys kuvaviesti matkapuhelimeen jääkiekkopelin seuraaminen kannettavasta digi-TV-vastaanottimesta silloin kun itse on paikalla jäähallissa 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikennepalvelut Telepalveluiden ryhmittely ja esimerkkejä palveluista: Siirtopalvelut ääni kuva data Telepalvelut puhelin-matkapuhelin telefax WWW-palvelu Lisäarvopalvelut tekstiviestipalvelu toiminteet eli fasiliteetit verkkokauppa Palvelutuotteet sisältävät aina tekniikan, veloituksen ja ylläpidon 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Suomen televiestintämarkkinat 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Viestintäviraston tehtävät Edellinen kalvo kuvaa Suomen televiestintämarkkinoiden eri osapuolia. Kalvolla esiintyy vielä nimi Telehallintokeskus, mutta sen tilalle on perustettu Viestintävirasto. Viestintävirastolla on monia tehtäviä, joista esimerkkejä ovat Internetin .fi-verkkotunnusten myöntäminen Puhelinverkon operaattoritunnusten ja muiden suuntanumeroiden myöntäminen Radiotaajuuksien käyttölupien myöntäminen ja radioliikenteen valvonta TV-maksujen kerääminen Suomen viestintämarkkinoita on viimeisten 20 vuoden aikana vapautettu kilpailulle ja sääntelyä on vähennetty. Lupien anominen tai ilmoitusvelvollisuus on lopetettu monista asioista. Vuoden 2008 alusta esimerkiksi teleurakointiyrityksen voi perustaa ilman lupia tai ilmoituksia. Myös kalvolla vielä näkyvät telepäätelaitteiden tyyppihyväksynnät on lopetettu. Valmistaja itse ottaa vastuun siitä, että myytävät laitteet on testattu ja toimivat siten, että asiakas on tyytyväinen eikä verkkojen toiminnalle aiheudu häiriöitä. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Laitteiden yleisyys kotitalouksissa 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

3.4.2017 Tietoliikenneverkot

3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Matkaviestinnän suosio perustuu puhelujen ja puhelimien halpenemiseen 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Lankapuhelujen hinta on kääntynyt nousuun 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenteen muutoksen muotisanoja Tietoliikenne on viime vuosina muuttunut nopeasti. Näitä muutossuuntia eli ”trendejä” käsitellään juhlapuheissa esimerkiksi seuraavia sanoja käyttäen: Telematiikka Tietoliikenne-, media- ja tietotekniikka ovat sulautumassa yhteen. Liberalisaatio tai deregulaatio Tietoliikenteen sääntelyä vähennetään ja vapaata kilpailua edistetään. Palvelujen konvergenssi Kaikki telepalvelut ovat käytettävissä samoilla päätelaitteilla. Mobiliteetti Kaikki telepalvelut ovat mahdollisia langattomilla päätelaitteilla. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Erilaisia tietoliikenneverkkoja Televerkot Yleinen puhelinverkko PSTN (Public Switched Telephone Network) tai POTS (Plain Old Telephone System) Matkapuhelinverkot kuten GSM, 3G (eli UMTS), LTE ja 4G Erillisverkot kuten viranomaisten radioverkko VIRVE (eli TETRA) Tiedonsiirtoverkot eli dataverkot Lähiverkot LAN (Local Area Network) Kaupunkiverkot MAN (Metropolitan Area Network) Laajaverkot WAN (Wide Area Network) Tietoliikenneverkkojen hierarkkinen ryhmittely Kansainväliset verkot Kansalliset verkot Alueverkot Liityntäverkot Asiakasverkot 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Siirtoetäisyyksiä ja siirtokapasiteetteja Mikropiiritekniikka 60nm – 10 mm toimintataajuus n. 1-15 GHz Tietokoneen väylä n. 200mm toimintataajuus n. 100 – 1000 MHz Huoneverkko 1 – 10 m 10 – 1Gbit/s Paikallisverkot 10 – 2000m 10 - 10 Gbit/s (LAN) Alueverkot 2 – 50 km n*2Mbit/s – n*155Mbit/s (MAN) Runkoverkot 20 – 1000 km n*2Mbit/s – n*2,5Gbit/s (WAN) Kansainväliset verkot 100 – 10000 km n*2Mbit/s – n*2,5Gbit/s (WAN) Avaruusverkot 1000 – 10000 km n*2Mbit/s – n*2,5Gbit/s (WAN) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Lähiverkko Local Area Network (LAN) Verkkojen rakenne Verkko Kaapeleiden, radiotien tai optisen yhteyden avulla yhteenliitettyjä tietoliikennelaitteita Tiedonsiirron edellytyksenä on: Yhteinen media eli siirtotie Yhteinen liikennöintimenettely eli protokolla. Lähiverkko Local Area Network (LAN) Maantieteellisesti rajatun penehkön alueen (kampuksen) verkko Verkko koostuu: Kaapeleista Verkkolaitteista Työasemista ja palvelimista 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Alueverkko Metropolitan Area Network (MAN) Lähiverkkojen keskeisiä ominaisuuksia ovat: Toimii rajoitetulla maantieteellisellä alueella Yhden organisaation hallussa ja hallinnassa Suuri siirtonopeus 10 Mbit/s – 10 Gbit/s Käytössä on tavallisesti pakettikytkentäinen ja yhteydetön siirtomuoto Alueverkko Metropolitan Area Network (MAN) Yhdistää toisiinsa taajama-alueen lähiverkkoja Alueverkkopalveluja tarjoaa yleensä pakallinen teleoperaattori Laajaverkko Wide Area Network (WAN) Laajaverkko muodostuu teleoperaattoreiden tarjoamista siirtopalveluista Yhdistää yhteen lähiverkkoja kaikkialla maailmassa. Siirtotekniikka vaihtelee eri operaattoreilla Muodostaa verkkojen verkon eli InterNetin 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Lähiverkon rakenne 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

WAN-verkon rakenne 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenne ja verkot WAN-verkko 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Tietoliikenteen standardointi Tietoliikenteen standardointi on välttämätöntä verkkojen, päätelaitteiden ja palveluiden sovittamiseksi toisiinsa. Virallisten de juree standardien (suositusten) puuttuessa laativat erilaiset foorumit avoimia de facto standardeja. De facto –standardi voi syntyä myös, kun jokin tekniikka saavuttaa ylivoimaisen markkina-aseman. (esim. CD-levy) Viralliset standardit voivat olla kansainvälisiä, maanosakohtaisia tai kansallisia. Keskeisimmät tietoliikennealan standardoimisjärjestöt: ITU International Telecommunications Union (ITU-T ja ITU-R) ETSI European Telecommunications Standard Institute ISO/IEC International Electrotechnical Comission IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers TIA Telecommunications Industry Association T1 Committee for telecommunications ANSI American National Standard Institute IETF Internet Engineering Task Force SFS Suomen Standardisoimisliitto 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kansainväliset ja alueelliset organisaatiot (1997!) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Esimerkkejä standardoinnista Sähköverkon pistokkeet tai lampunkannat on yleensä standardoitu siten, että ainakin omassa maassa on helppo ostaa sopivia laitteita. Eri maissa on kuitenkin erilaisia standardeja. Maailman tunnetuin videokasetti VHS oli alun perin eräiden japanilaisten yritysten oma standardi, mutta se yleistyi maailmanlaajuiseksi de facto –standardiksi. Vuoden 2008 tunnetuin de facto –standarditaistelu nähtiin teräväpiirto-DVD-soittimissa: BLU-RAY voitti HD-DVD:n. Tietoliikenteen laitteiden on oltava vähintäänkin sillä tavalla standardoituja, että eri valmistajienkin tekemät laitteet toimivat yhdessä ja että tietoliikenne eri maiden välillä on mahdollista. Kannettavien laitteiden yleistyessä kuluttajat odottavat, että laite toimisi toiseen maahan mukaan otettunakin. GSM-standardin (Global System for Mobile Communications) kehittivät 18 eurooppalaisen maan matkapuhelinasiantuntijat yhteistyössä standardointijärjestö ETSI:ssä. Standardissa oli alkuvaiheessa 6000 sivua. Standardi on otettu käyttöön jo yli sadassa maassa. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Standardointi ei ole täydellistä GSM-standardi on mahdollistanut 1990- ja 2000-luvuilla saman matkapuhelimen toiminnan useimmissa maailman maissa. Tosin käytössä on useita eri taajuusalueita (GSM-900, GSM-1800, GSM-1900), mutta niin kutsuttu monitaajuuspuhelin voi toimia kaikilla näillä taajuusalueilla. Etenkin Amerikassa ja Japanissa yleistyivät 1990-luvuilla GSM:n kanssa kilpaileviin standardeihin perustuvat puhelimet, joita ei voi käyttää esimerkiksi Euroopassa. Onneksi Amerikkaan ja Japaniin on rakennettu myös GSM-verkkoja, joten eurooppalaiset puhelimet toimivat sielläkin. 2000-luvun uudesta kolmannen sukupolven 3G-standardista UMTS (Universal Mobile Telecommunications) eurooppalaiset ja japanilaiset ovat päässeet yksimielisyyteen, mutta USA:lla on erilainen standardi. Myös Kiina on päätynyt tekemään oman standardinsa. Tärkeä syy näihin standardieroihin on kiista siitä, kuinka paljon puhelinvalmistajien pitäisi maksaa lisenssimaksuja niille yrityksille, jotka ovat kehittäneet ja patentoineet standardissa kuvatut tekniset ratkaisut. Merkittävimpiä matkapuhelintekniikan ratkaisujen patentoijia maailmassa ovat amerikkalaiset Qualcomm ja Motorola, suomalainen Nokia sekä ruotsalainen Ericsson. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Standardoinnin etuja ja haittoja Standardoinnin etuna on laitteiden yhteensopivuus, jolloin eri valmistajien valmistamat laitteet toimivat yhdessä ja valmistajat voivat myydä samaa tuotetta useissa maissa, jolloin hinta tulee halvemmaksi. Standardoinnin haittana on hitaus. Uuden tietoliikennejärjestelmän ja sen standardien kehittäminen voi viedä 5-10 vuotta. Samaa tekniikkaa pitäisi esimerkiksi puhelinjärjestelmissä pystyä käyttämään 10-20 vuotta. Tekniikka kehittyy nykyisin kuitenkin niin nopeasti, että on mahdotonta tietää, mitkä ratkaisut ovat 10-30 vuoden päästä teknisesti ja taloudellisesti järkeviä. Esimerkkejä tästä ovat 1990-luvun alussa EU käytti paljon tutkimusrahaa analogisen teräväpiirto-TV-järjestelmän kehittämiseen. Digi-TV-tekniikan tultua mahdolliseksi tämä analoginen teräväpiirto-TV-tekniikka joutui roskakoriin. 1980-luvulla kehitetty ISDN-tekniikka (Integrated Services Digital Network) mahdollistaa sekä langalliset puhelut että datayhteydet 144 kbit/s nopeudella. Tämä nopeus ei nykypäivän käyttäjille enää riitä. Lankapuhelujen taloudellinen merkitys on romahtanut matkapuhelimien takia. Näistä syistä ISDN-tekniikka ei yleistynytkään toivotulla tavalla. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenne ja verkot OSI-malli Keskeinen kysymys tietoliikenteen standardoinnissa on se , miten eri laitteet pystyvät kommunikoimaan keskenään. Ratkaisuna ovat perinteisesti olleet valmistajakohtaiset laitteet. Käyttäjät ovat 1970 luvun lopulta vaatineet valmistajariippumattomuutta ja tietoliikenteen avoimuutta. Tämän seurauksena 1978 ISO ja CCITT (ITU) käynnistivät työn avointen tietoliikennestandardien kehittämiseksi. ISO:n OSI-malli valmistui 1982 OSI-malli eli Open Systems Interconnection sovittaa yhteen laajoja eri valmistajien tiedonsiirtoverkoja. OSI-malli muodostuu 7 kerroksesta (layer) ja kukin kerros tarjoaa palvelujaan yläpuolella olevalle kerrokselle. Standardi ei koske kerrosten sisäisiin toimintohin. 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Tietoliikenne ja verkot Kerrokset 1 – 3 muodostavat siirto eli verkkopalvelut: Liitäntä Bittien siirto Siirtovirheiden korjaus Datan reititys verkossa. Ylemmät kerrokset muodostavat käyttäjätoimintoja: Verkkovirheiden korjaus Sanomien tahdistus Esitysmuodot Salaus ja pakkaus Verkkosovellukset. Tämän mallin perusteella tehtiin myös itse OSI-protokollat. Ne eivät kuitenkaan menestyneet ja jäivät TCP/IP mallin jalkoihin Vaikka OSI-mallin protkollat hävisivät, ajatus valmistajariippumattomuudesta jäi elämään. Nykyisissä tietoliikennejärjestelmissä toiminnot ryhmitellään edelleen OSI-mallin mukaisesti 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Tietoliikenne ja verkot Osi-mallin kerrokset 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Tietoliikenne ja verkot TCP/IP-malli Malli on rakentunut IP- ja TCP-protokollan ympärille. Se koostuu neljästä kerroksesta: Liitäntä-, Verkko-, Kuljetus- ja Sovelluskerroksesta. Liitäntäkerrosta (Network Acces) ei ole standardissa määritelty. Standardi painottuu erityisesti verkko- kuljetuskerroksen toimintaan. Sovelluskerros sisältää kolme OSI-mallin ylintä kerrosta. 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Tietoliikenne ja verkot 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

TCP/IP-mallin standardeja Koska liityntäkerroksella ei ole omia standardeita, käytetään yleisesti IEEE:n määrittelemiä 802.x- sarjan LAN/MAN standardeja. Verkkokerroksen tärkein protokolla on IP. Lisäksi kerrokseen kuuluu suuri joukko reititysprotokollia kuten RIP, EIGRP,BGP, ISIS ja OSPF. Kuljetuskerroksen tärkein protokolla on TCP. Lisäksi käytetään yleisesti epäluotettavaa UDP-protokollaa. Sovelluskerros sisältää lukuisan joukon erilaisa sovellusprotokollia, joista yleisimmät ovat: HTTP, DNS, SNMP, DHCP, SMTP/POP ja Telnet 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

Datavirran kapselointi OSI-mallissa Sovelluksen tuottama data joudutaan siirtoa varten pilkkomaan pienempiin osiin eli segmentoimaan. Kuljetuskerroksessa datablokista muodostetaan sopivan kokoisia segmenttejä. Tavallisin segmentin koko on korkeintaan 1500 tavua, joka on ethernet-kehyksen maksimi koko. Kuljetuskerros lisää segmenttiin otsikkokentän, joka sisältää erilaisia ohjaustietoja kuten porttiosoitteet ja lähetys- ja vastaanottolaskurit. Verkkokerros muodostaa segmentistä IP-paketin lisäämällä ohjauskentän, joka sisältää lähde- ja kohde- IP-osoitteet. Siirtoyhteyskerros muodostaa IP-paketista useimmiten Ethernet-kehyksen, joka sisältää lähde- ja kohde-laiteosoitteet (Mac). Fyysinen kerros siirtää kehyksen bitit kohteeseen. 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

OSI-malli 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Lähiverkkojen standardit Lähiverkkojen standardoinnissa keskeinen taho on amerikkalainen IEEE-organisaatio. IEEE:n 802.x-standardit muodostavat lähiverkkotekniikan perustan. Tällä hetkellä tärkeimpiä 802.x- standardeja ovat: 802.1 arkkitehtuuri, osoitteisto ja turvallisuus 802.2 LLC eli siirtoyhteyskerroksen ohjaus 802.3 CDMA/CD eli Ethernet 802.11 Langattomat eli WLAN lähiverkot 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

IEEE 802.x LAN/MAN standardit 3.4.2017 Tietoliikenne ja verkot

2. Perustekniikat Signaali: Sähkömagneettinen värähtely, joka kuljettaa tietoa kahden pisteen välillä Taajuus: Signaalin värähdysten lukumäärä aikayksikössä, yksikkö hertsi (Hz) Signaalin nopeus: kilometriä/s Valon nopeus c = 300000 km/s Lähiverkon CAT-6 UTP-parikaapelissa n. 0.62 c = 186.000 km/s Muovieristeisessä koaksiaalikaapelissa n. 0.67 c = 201.000 km/s Optisessa kuidussa n. 0.685 c = 205.000 km/s Kohina: Häiritsevä signaali, joka on luonteeltaan satunnaista. Esimerkiksi terminen eli lämpökohina syntyy elektronien satunnaisesta lämpöliikkeestä. Häiriö: Häiritsevä signaali, joka voi tulla myös jostakin toisesta laitteesta. Toisen laitteen hyödyllinen signaali voi siis olla toiselle laitteelle häiriö. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenneyhteyden osat Lähi/paikallis- verkko Lähi/paikallis- verkko Lähtölaite: Mikrofoni, videokamera, työasema jne. Lähetin: Matkapuhelin, modeemi ja verkkopääte Siirtokanava: Kupari/kuitukaapeli, radiotie Vastaanotin: Puhelin, modeemi ja verkkopääte Tulolaite: Kuuloke, kaiutin, TV-näyttö, työasema jne. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Televerkkojen rakenneosat Teletekniikan laitelajijako: Siirtotie (eli media) ja siirtolaitteet Välityslaitteet eli puhelinkeskukset, kytkimet ja reitittimet Päätelaitteet eli puhelimet, työasemat ja palvelimet Muut laitejärjestelmät voimalaitteet ilmastointi laskentajärjestelmät verkonhallintalaitteet 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tele- ja tietoverkkojen rakenne Käyttö ja Ylläpito O&M Asiakkaat Customers Palvelut Services Liitäntä Access Kytkentä Switching Siirto Transport 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tyypillinen televerkon rakenne 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

GSM-verkon rakenne (yksityiskohtiin palataan myöhemmin) lähde: Wikipedia 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tietoliikenteen perustekniikat Tietoliikennejärjestelmät siirtävät ja käsittelevät informaatiota (bittejä-tietoa) eri tekniikoilla, joista keskeisimmät ovat: Akustisen signaalin (äänen) muuttaminen sähköiseen muotoon ja päinvastoin Kuvien ja erilaisten merkkien muuttaminen sähköiseen muotoon ja päinvastoin Lisäksi tarvitaan: signaalin vahvistusta modulointia muunnoksia digitaalisen ja analogisen signaalin välillä kanavointia eli multipleksointia signaalin siirtoa digitaalisen informaation koodausta, pakkausta ja salausta kytkentä- ja reititystoimintoja 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tiedonsiirtoyhteyden keskeisiä käsitteitä Analoginen informaatio Digitaalinen informaatio Analogia/Digitaali-muunnos ja Digitaali/Analogia-muunnos Aikajakoinen kanavointi Taajuusjakoinen kanavointi Aallonpituusjakoinen kanavointi Johtokoodaus (ja myös muut mahdolliset koodaukset, kuten lähdekoodaus eli tiedon tiivistäminen, siirtovirheitä paljastava tai korjaava koodaus sekä salauskoodaus) Modulaatio Radioyhteys Kuparikaapeli Valokuitukaapeli 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Tiedonsiirtoyhteyden keskeisiä käsitteitä 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

2.2 Signaali ja häiriöt Signaalin laatua heikentää siirtotiellä: Siirtotien vaimennus Kaistanleveys Viive, viiveen vaihtelu ja monitie-eteneminen Häiriöt kohina ylikuuluminen kaiku särö huojunta värinä heijastuminen sähköverkon häiriöt 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Siirtotien aiheuttama vaimennus kumotaan välivahvistimissa tai toistimissa vahvistamalla signaali takaisin 0-tasolle. Analogisissa järjestelmissä siirtotien häiriöitä ( kohinaa) ei välivahvistimissa voida poistaa, ja vähitellen häiriöiden osuus suhteessa hyötysignaaliin kasvaa liian suureksi. Digitaalisissa järjestelmissä voidaan signaali palauttaa toistimissa alkuperäiseen muotoon, jos nollat ja ykköset on vielä mahdollista tunnistaa. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Siirtonopeus eli bit/s riippuu suoraan käytetystä kaistaleveydestä B Siirtonopeus eli bit/s riippuu suoraan käytetystä kaistaleveydestä B. Mitä suurempi siirtokaista on käytettävissä sitä suurempi on informaation siirtonopeus. Suurta siirtonopeutta ei saada ilmaiseksi. Suuri kaistaleveys on vastaavasti paljon alttiimpi vaimennukselle, häiriöille ja kohinalle. Digitaalisen informaation tosiaikainen siirto kärsii siirtoviiveestä ja erityisesti videosignaali myös viiveen vaihtelusta. Heijastukset voivat aiheuttaa monitie-etenemistä, jolloin signaali saapuu perille useana eriaikaisena kaikuna, jotka häiritsevät toisiaan. Tämä on erityisen paha ongelma digitaalisissa radiojärjestelmissä. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Vaimennus Signaalin vaimennus johtuu siirtotien aiheuttamasta tehohäviöstä (esimerkiksi kaapeleissa) tai signaalin leviämisestä yhä laajemmalle alueelle (radiosignaalien tapauksessa). Vaimennus ilmoitetaan logaritmisena teho- tai jännitesuhteena, jonka yksikkönä on desibeli (dB). Myös signaalin vahvistus ilmoitetaan desibeleissä. Logaritmisen desibeli-asteikon etuja ovat: Ihminen aistii äänenvoimakkuuden logaritmisesti. Vaimennuslaskut ovat helpoimpia desibeleinä, koska signaalin heikkeneminen kaapeleissa voidaan ilmoittaa yksiköllä dB/km. Vaimennuksia ja vahvistuksia voidaan laskea yhteen ja vähentää tosistaan desibeleissä, mikä todellisuudessa vastaa kerto- ja jakolaskua. Hyvin suurten ja pienten signaalitasojen käsittely yksinkertaistuu. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Vaimennus kanavalla tai siirtotiellä on todellisuudessa eksponentiaalista ja peräkkäisten kaapeleiden vaimennukset pitäisi kertoa keskenään. Desibelejä käytettäessä vaimennus näyttääkin lineaariselta (siis kuvaaja on suora) ja peräkkäisten kaapeleiden vaimennukset voi laskea yhteen. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kohina Kohinaa ( noise) aiheutuu tietoliikennejärjestelmissä sisäisesti tai sitä muodostuu ulkopuolisista lähteistä. Merkittävin kohinaa aiheuttava ilmiö on johteissa vapaiden elektronien ja atomien lämpöliike. Lämpökohina on voimakkuudeltaan satunnaista ja se sisältää kaikkia mahdollisia taajuuksia 1Hz – 1000 THz. Tällaista peruskohinaa nimitetään valkoiseksi kohinaksi Lämpökohinan teho virtapiirissä saadaan kaavasta: Pn = kTB = En2/(4R) jossa: Pn = kohinateho -23 k = Boltzmannin vakio1,35*10 J/K T = absoluuttinen lämpötila B = kaistaleveys Hz R = piirin resistanssi En = kohinajännite 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kohina ja signaali 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kohinaetäisyyden pieneneminen analogisissa ja digitaalisissa järjestelmissä. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Ylikuuluminen Lähipään ylikuulumisvaimennus NEXT = 20 lg(U1/U3) Ei-toivottua hyötysignaalin siirtymistä siirtotieltä toiselle kutsutaan ylikuulumiseksi. Perinteisillä digitaalisilla televerkon kuparikaapeleilla on ylikuuluminen vähäistä. Parikaapelilähiverkoissa (LAN) esiintyy helposti ylikuulumista, kun siirtonopeus on 100 – 1000 Mbit/s. Ylikuulumista esiintyy siirtotien lähi- tai kaukopäässä. U1 Lähipään ylikuulumisvaimennus NEXT = 20 lg(U1/U3) Kaukopään ylikuulumisvaimennus FEXT = 20 lg(U1/U4) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Impedanssisovitus Toisiinsa kytkettävien virtapiirien impedanssien tulee olla samansuuruisia eli yhteen sovitettuja, jotta suurin osa signaalin tehosta siirtyisi virtapiiristä toiseen. Mikäli sovitus on huono, syntyy heijastuksia, jotka heikentävät siirron laatua. Käytännön esimerkki impedanssisovituksesta on koaksiaalisen lähiverkkokaapelin päähän laitettava päätevastus. Sen puuttuminen sotkee koko verkon toiminnan. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Signaaliteorian perusteita Useita sähköisiä viestejä voi lähettää samassa siirtokanavassa samanaikaisestikin ilman että ne häiritsevät toisiaan. Tämä voi tapahtua esimerkiksi siten, että eri viestit (signaalit) sijaitsevat eri taajuuksilla. Tämän asian ymmärtämiseksi meidän on nyt perehdyttävä seuraaviin käsitteisiin: Sinimuotoinen signaali Taajuus Ei-sinimuotoiset signaalit Ei-sinimuotoisten signaalien esittäminen siniaaltojen summana Kaistanleveys Siirtokapasiteetti eli bittinopeus 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Sinisignaalin amplitudi, taajuus ja jakso f = 1/T f = taajuus (Hz), T = jakson aika (s) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Informaatiota kuljettavat signaalit eivät ole ainakaan täysin sinimuotoisia. Ne sisältävät useita eri taajuuksia, ja ne on aina mahdollista esittää useiden siniaaltojen summana. Jaksollisesti toistuvissa signaaleissa nämä siniaaltokomponentit ovat taajuuksilla, jotka saadaan perustaajuudesta kertomalla se jollakin kokonaisluvulla. Tällaisia taajuuksia sanotaan harmonisiksi taajuuskomponenteiksi. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kun siniaaltoon lisätään kolminkertainen taajuus sopivasti vaimennettuna, alkaa summa näyttää vähän kanttiaallolta y = sin(t) + sin(3*t)/3 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kaistanleveys ja siirtokapasiteetti Signaalin kaistanleveys tarkoittaa signaalin spektrin eli signaalin tarvitseman taajuuskaistan leveyttä. (Kyseessä voi olla joko analoginen tai digitaalinen signaali.) Kaistanleveys voidaan siis laskea korkeimman tarvittavan sinikomponentin ja matalimman tarvittavan sinikomponentin erotuksena. Puhelinyhteyden taajuuskaista on 300-3400 Hz. Kaistanleveys on 3100 Hz. HiFi-äänentoistolaitteiden taajuuskaista on 20 - 20 000 Hz. Kaistanleveys on 19980 Hz mikä pyöristetään käytännössä arvoon 20 000 Hz. TV-laatuisen videosignaalin taajuuskaista on 5 MHz Siirtokapasiteettia eli bittinopeutta mitataan bitteinä sekunnissa eli bit/s tai bps. (Kyseessä on aina digitaalinen signaali, koska se on määritelty bitteinä.) Käsitteet siirtokapasiteetti ja kaistanleveys sotketaan usein. Tämä on sikäli ymmärrettävää, että korkea siirtokapasiteetti vaatii yleensä myös leveämmän taajuuskaistan. Esimerkiksi Tavallinen puhelinverkon modeemi: 3,1 kHz ja 56 kbit/s ADSL-laajakaistamodeemi: 2 MHz ja 20 Mbit/s 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Esimerkkejä signaaleista ja siirtokapasiteeteista Digitaalisia signaaleja hidas datasiirto 300 – 64 kbit/s nopea datasiirto n* 64 kbit/s (tarkoittaa kokonaisluku * 64) n* 2Mbit/s n* 155 Mbit/ Ethernet 10, 100, 1000 ja 10000 Mbit/s MP3-pakattu stereomusiikki 128 kbit/s CD-laatuinen stereomusiikki 1,4 Mbit/s Digi-TV 8 Mbit/s Digitaalisten siirtolaitteiden nopeudet PDH-tekniikka n* 2Mbit/s ja 2, 8, 34, 140 ja 565 Mbit/s SDH-tekniikka n*155 Mbit/s eli 155, 622, 2488 ja 9953 Mbit/s yhden puhekanavan siirtonopeus 64 kbit/s (lankapuhelinverkossa) tai 13 kbit/s (GSM-verkossa) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Kantataajuussiirto ja moduloitu siirto Langallisissa yhteyksissä on mahdollista varata koko siirtoyhteys yhdelle signaalille. Silloin on mahdollista siirtää signaali alkuperäisillä taajuuksillaan. Tätä kutsutaan kantataajuussiirroksi. Kotikäyttäjän analogisella lankapuhelinlinjalla tieto siirtyy yleensä puhetaajuuksilla (300-3400 Hz). Linjalla voidaan silloin siirtää vain yhtä puhelua (tai modeemiyhteyttä 56 kbit/s) kerrallaan. Kantataajuussiirtoa käytettäessä ei voi siirtää useita eri signaaleja samassa siirtokanavassa (paitsi jos niiden spektrit alunperinkin ovat eri taajuuksilla). Moduloitu siirto mahdollistaa siirrettävän informaation liittämisen siniaaltoon esimerkiksi amplitudi- tai taajuusmuutoksina. Moduloitu signaali ei enää ole puhdas siniaalto, mutta se voi silti olla hyvin kapeakaistainen. Silloin voidaan useita eri lähetyksiä toteuttaa samassa kaapelissa eri taajuuksilla. (Tämän menetelmän nimi on FDM eli Frequency Division Multiplexing.) Radiosiirto on aina moduloitua. Muuten eri radiolähetyksiä ei voisi erottaa toisistaan, koska ne kulkevat yhteisellä siirtotiellä. Jos radiotiellä yritettäisiin käyttää kantataajuussiirtoa, syntyisi toinenkin ongelma. Taajuudet olisivat hyvin matalia ja aallonpituudet hyvin pitkiä (esim. 1 km…1000 km). Tehokkaat antennit olisivat silloin epäkäytännöllisen suuria. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Analogisista järjestelmistä digitaalisiin Tietoliikenteen siirtotekniikoissa ja mediatekniikan tallennustekniikoissa on nykyisin käynnissä voimakas siirtyminen digitaalisiin järjestelmiin. Esimerkiksi analogiset TV-lähetykset lopetettiin Suomessa vuonna 2007. Digitaalitekniikan etuja ovat Häiriöitä ja kohinaa voidaan torjua paremmin. Esimerkiksi kaukopuhelu Kiinaan voi olla laadultaan yhtä hyvä kuin paikallispuhelu Mikkelissä. CD-levyn kopiosta tehty kopio voi olla äänenlaadultaan aivan yhtä hyvä kuin alkuperäinen CD. Voidaan käyttää mikroprosessoreiden avulla toteutettavia kompressointi- eli tiivistysmenetelmiä. Ne mahdollistavat esimerkiksi sen, että digi-TV-ohjelmia mahtuu käytettävissä olevalle taajuuskaistalle enemmän kuin analogisesti lähetettyjä ohjelmia. Digitaalisia toimintoja pystytään yleensä toteuttamaan mikropiireillä halvemmalla ja pienemmässä koossa kuin analogisia toimintoja. Sana ”digitaalinen” tulee englannin kielen sanasta ”digit” eli sormi. Sormethan ovat ikivanha matematiikan apuneuvo ja kymmenjärjestelmän perusta. Mutta digitaalitekniikassa kymmenjärjestelmää tärkeämpi on binäärinen eli kaksijärjestelmä. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Analogisella esitysmuodolla kuvataan siirtotiellä tai elektroniikassa suoraan jotain haluttua suuretta, esim. äänenpainetta tai lämpötilaa. Sähköinen signaali ja alkuperäinen äänenpainetta tai lämpötilaa kuvaava käyrä ovat samankaltaisia eli analogisia. Mahdollisia signaaliarvoja on rajoittamaton määrä. Digitaalisessa esitysmuodossa ilmiöstä otetaan diskreettejä näytteitä, jotka koodataan binäärimuotoon nolliksi ja ykkösiksi. Siirrettävällä signaalilla on yleensä vain kaksi tasoa, jotka kuvaavat lukuja 0 ja 1. (On kuitenkin mahdollista, että siirto tapahtuu esimerkiksi neljällä eri signaalitasolla, jotka kuvaavat lukuja 00,01,10 ja 11. Silloin bittien siirto tapahtuu nopeammin, mutta signaalitasojen tunnistamisessa voi helpommin tapahtua virheitä.) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Digitaalitekniikka mahdollistaa kohinan poiston Signaalin siirrossa tapahtuu vaimenemista. Sen takia pitkän matkan siirrossa tarvitaan useita välivahvistimia (tai toistimia). Elektronisissa järjestelmissä on aina kohinaa ja häiriöitä. Analoginen vahvistin vahvistaa myös kohinan, joten kohinan määrä kasvaa pitkillä matkoilla suureksi ja lopulta signaali peittyy kohinaan. Digitaalitekniikassa on vain rajallinen määrä sallittuja signaalitasoja. Silloin voidaan käyttää toistimia, jotka poistavat kohinan täysin, jos on vielä mahdollista luotettavasti tunnistaa, mille tasolle signaali kuuluu. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Pulssikoodimodulaatio (PCM) Pulssikoodimodulaatio on eräs menetelmä, jolla analoginen signaali voidaan muuntaa digitaalimuotoon. Tyypillisimpiä esimerkkejä PCM-tekniikan sovelluksista ovat Digitaalinen lankapuhelinverkko PSTN (Public Switched Telephone Network) Digitaalinen monipalveluverkko ISDN (Integrated Services Digital Network) CD-levyt DAT-äänitallentimet Tietokoneen .wav –äänitiedostot PCM-tekniikkaa sovelletaan näiden lisäksi monissa muissa digitaalisissa järjestelmissä, mutta usein sitä täydennetään muilla digitaalisilla menetelmillä, joilla signaalia voidaan tiivistää tai salata, siirtovirheitä korjata tai tietosisältöä muokata. Videokuvan siirrossa PCM-tekniikkaa ei käytetä sellaisenaan ilman tiivistysmenetelmiä, koska siirrettäviä bittejä olisi niin paljon. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

PCM-tekniikassa suoritetaan aluksi näytteenotto ja kvantisointi (eli pyöristys lähimpään kokonaislukuarvoon) 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Käytännön PCM-järjestelmiä Lankapuhelinverkon PCM-yhteydet Koodeissa on 8 bittiä, jolloin eri signaalitasoja on 28 eli 256 kappaletta. Signaalista otetaan 8000 näytettä sekunnissa, jolloin korkein siirrettävän signaalin taajuus on noin 3,5 kHz (eli alle puolet näytteenottotaajuudesta). Siirrettävä bittimäärä on 8 * 8000 bittiä sekunnissa eli 64 kbit/s. CD-levyillä käytettävä PCM-koodaus Koodeissa on 16 bittiä, jolloin eri signaalitasoja on 216 eli 65536 kappaletta. Signaalista otetaan 44100 näytettä sekunnissa, jolloin korkein siirrettävän signaalin taajuus on noin 20 kHz (eli alle puolet näytteenottotaajuudesta). Tallennettava bittimäärä on 16 * 44100 bittiä sekunnissa eli 705 kbit/s. Kaksikanavainen stereoääni vaatii siis noin 1,4 Mbit/s PCM-tekniikka on alun perin kehitetty 1970-luvulla kaukopuhelujen siirtojärjestelmiin. Se on yksinkertainen tekniikka, jossa ei tarvita tehokkaita mikroprosessoreita. Nykyisillä prosessoreilla voidaan toteuttaa kompressoivia (tiivistäviä) koodausmenetelmiä. GSM-puhelimessa äänen siirtoon tarvitaan vain 13 kbit/s. Stereoäänen MP3-tallennus vaatii tyypillisesti 128 kbit/s. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot

Puhelinverkon kehitys digitaaliseksi Puhelinverkot perustuivat aluksi kaikilta osiltaan analogiseen siirtotekniikkaan. 1970-luvulla otettiin käyttöön digitaalisia PCM-siirtolaitteita, jolloin kaukopuhelujen laatu parani ratkaisevasti. 1980-luvulla digitalisoitiin keskuksetkin. Keskus oli nyt bittejä eri suuntiin välittävä tietokone. Aikaisemmin oli jo sellaisia tietokoneohjattuja keskuksia, joissa yhteyksien muodostaminen tehtiin analogisia signaaleja kytkemällä. 1990-2000-luvuilla oli suunniteltu siirryttäväksi ISDN-tekniikkaan, jolloin tilaajajohdonkin liikenne on digitaalista. ISDN mahdollistaa kotikäyttäjälle 64+64+16 = 144 kbit/s bittinopeuden. Tämä ei kuitenkaan enää vastaa nykypäivän laajakaistavaatimuksia. Lisäksi monet käyttäjät luopuvat nykyisin kokonaan lankapuhelinliittymistään. Nopeammat laajakaistayhteydet tulivat mahdollisiksi uuden ADSL-tekniikan avulla. Digitaalinen ADSL-tekniikka voidaan ottaa käyttöön tilaajan puhelinjohdolla, vaikka hänen lankapuhelimensa käyttäisikin analogisia signaaleja. Siirtyminen ISDN-tekniikkaan ei silloin olekaan tarpeen. ADSL-yhteys voidaan pitää yllä myös sellaisella puhelinjohdolla, jolta lankapuhelinliittymän käyttö on jo lopetettu. 3.4.2017 Tietoliikenneverkot