S Tietoliikennetekniikan perusteet

Esitys aiheesta: "S Tietoliikennetekniikan perusteet"— Esityksen transkriptio:

1 S-38.1105 Tietoliikennetekniikan perusteet
Luento 2 Siirtotiet. OSI-kerrokset 1 ja 2. Jyri Hämäläinen (Alkuperäiset kalvot: Timo Smura)

2 Luennon aiheet Kertausta Fyysinen kerros (OSI-mallin 1. kerros)
Verkkojen kerrosmalli: OSI Fyysinen kerros (OSI-mallin 1. kerros) Siirtotiet: Avojohto, kaapeli, valokuitu, radiolinkit Siirtoyhteyskerros (OSI-mallin 2. kerros) vuonohjaus virheenkorjaus vuoronvarausmenettelyt (access control)

3 Kertausta: OSI-malli OSI-malli: TCP/IP-malli:
7: Sovelluskerros (Application layer) Sovelluskerros 6: Esitystapakerros (Presentation layer) 5: Istuntokerros (Session layer) Kuljetuskerros 4: Kuljetuskerros (Transport layer) 3: Verkkokerros (Network layer) Internet-kerros OSI-malli eli avoin järjestelmämalli on tietoliikenteen standardoinnin perusta. Se kuvaa tietoliikennejärjestelmän rakennetta ja protokollia sähköiseltä tasolta käyttäjän tasolle asti. OSI-malli jakaantuu seitsemään osaan, joita kutsutaan kerroksiksi. Kerrosten tehtävät ja niiden väliset rajapinnat on tarkkaan määritelty. Internetissä käytössä oleva TCP/IP-malli on pääpiirteittäin samanlainen, mutta hieman yksinkertaisempi. Siinä kuljetuskerroksen yläpuolella ja verkkokerroksen alapuolella olevia kerroksia ei jaeta pienempiin osasiin, puhutaan vain ”ylemmistä kerroksista” eli sovelluksista ja ”alemmista kerroksista”. Tämän päivän luennolla keskitytään OSI-mallin kahden alimman kerroksen, eli fyysisen kerroksen ja siirtoyhteyskerroksen käsittelyyn. Verkkoyhteyskerros Tämä luento! 2: Siirtoyhteyskerros (Data link layer) 1: Fyysinen kerros (Physical layer)

4 OSI-malli, esimerkki Kaikkien verkon laitteiden ei tarvitse ymmärtää kaikkia OSI-mallin kerrosten protokollia. Tässä esimerkissä on esitetty tyypillinen tilanne, jossa työasema ja palvelin on yhdistetty kytkinten ja reitittimien kautta toisiinsa. Työaseman ja reitittimen tulee ymmärtää toisiaan koko OSI-mallin laajuudelta, kun taas kytkimille ja reitittimille ylempien kerrosten protokollilla ei ole merkitystä. Kytkimet keskustelevat työasemien, palvelinten ja reitittimien kanssa käyttäen OSI-mallin kerroksia yksi ja kaksi. Reitittimet keskustelevat lisäksi työasemien ja palvelinten, sekä toisten reitittimien kanssa käyttäen OSI-mallin kolmannen kerroksen protokollia.

5 Fyysinen kerros ja siirtotiet

6 Fyysinen kerros - yleistä
(Physical layer) Määrittelee konkreettisia, mitattavia asioita Liittimet, johdot, sähköiset tasot Muut kerrokset sisältävät ohjelmistomäärittelyitä Ratkaistavia asioita: Siirtotiet Bittien sähköinen esitystapa Siirtonopeus, synkronointi Siirtotie = signaalin sähköinen tai optinen kulkutie Kuparikaapeli, optinen kuitu tai radiolinkki

7 Avojohto Eli eristämätön johdin Yksilankaiset avojohdot
Aluksi pelkkää terästä, myöhemmin kuparipäällysteistä terästä Yksilankaiset avojohdot Käytettiin ensimmäisissä puhelinverkoissa Paluujohtimena toimi maa >> epäsymmetrinen, herkkä häiriöille Avojohdinparit (kaksoisjohto) Käyttöön 1900-luvun alussa lisättiin toinen johto paluujohtimeksi yhteyksien laatu parani, mutta edelleen ongelmia resistanssi: signaalin teho muuttuu lämmöksi kapasitanssi: signaali oikaisee eikä saavuta vastapäätä johtimen magneettikenttä indusoi virran viereisessä johtimessa >> ylikuuluminen >> ongelma väheni johtimien vuorottelulla Langalle kertyvä huurre muuttaa johdon sähköisiä ominaisuuksia Poistuneet käytöstä lähestulkoon kokonaan

8 Kaapeli Useita eristettyjä johtimia käärittynä saman vaipan sisälle
Voidaan sijoittaa vapaammin kuin avojohto, esim. maan alle Mahdollisuus lisätä vaippaan häiriösuojaus Kierretty parikaapeli (Twisted pair) kaksi toistensa ympäri kierrettyä eristettyä johdinta, ympärillä muovivaippa kiertäminen vähentää ulkoisten häiriöiden vaikutusta UTP - Unshielded Twisted Pair: suojaamaton FTP - Folio shielded Twisted Pair: kaikilla pareilla yhteinen suojaus STP - Single-pair-shielded Twisted Pair (STP): jokainen pari erikseen suojattu puhelinjohdot, kaiutinkaapelit, lähiverkot Koaksiaalikaapeli Kaksi eristettyä johdinta sisäkkäin Antennikaapeli, lähiverkkokaapeli (alkup. Ethernet)

9 Valokuitu Materiaali kvartsilasia tai muovia
Idea keksittiin 1966, ensimmäiset kuidut valmistettiin 1970 Siirrettävä signaali valoa Sähköinen signaali muutetaan valoksi LED- tai laserlähettimillä Valo pysyy kuidun sisällä kokonaisheijastuksen avulla, kuoren ja ytimen välillä oltava riittävän suuri taitekerroinero Kuidun taitekerroinprofiilin ja siitä seuraavan valon etenemistavan mukaan kuidut jaetaan eri tyyppeihin Käyttökelpoinen sekä lähiverkoissa että pitkissä runkoyhteyksissä

10 Valokuidun rajoitukset
Kaistanleveyttä rajoittaa lähinnä dispersio eri taajuiset valonsäteet kulkevat kuidussa eri nopeudella saapuvat vastaanottimeen eri aikoina >> valopulssi leviää Siirtoetäisyyttä rajoittaa vaimennus Vaimennus riippuu aallonpituudesta ja yleisesti ottaen pienenee aallonpituuden kasvaessa (eli taajuuden alentuessa) Kuidun aiheuttama vaimennus Absorptio (esim. hydroksidi-ionien aiheuttama vesipiikki) Sironta (muutokset lasin tiheydessä, lasiseoksen epätasaisuudet, kuidun taivuttamisesta johtuvat jännitykset ja kuplat) Taivutushäviöt (valonsäde karkaa kuidun sisältä) Liitosten aiheuttama vaimennus

11 Kuitutyypit Monimuotokuidut Yksimuotokuitu
= Kuidut, joiden päästä tulevat valonsäteet ovat kulkeneet eripituiset matkat ja ovat eri vaiheissa Askeltaitekertoiminen kuitu Yksinkertaisin ja vanhin kuitutyyppi Taitekerroin muuttuu ytimen ja kuoren välillä hyppäyksenomaisesti Ytimen halkaisija suuri verrattuna valon aallonpituuteen -> valosta etenee monta eri muotoa -> muotodispersio Asteittaistaitekertoiminen kuitu Ytimen taitekerroin muuttuu asteittaisesti kuorta kohti -> valonsäteet kaartuvat jyrkän heijastumisen sijasta Valo etenee useissa eri muodoissa, mutta reunoilla valon nopeus on suurempi kuin keskiosassa -> muotodispersio melko vähäistä Yksimuotokuitu Ytimen ja kuoren välinen taitekerroin ja ytimen pieni halkaisija sallivat vain yhden muodon (eli yhdellä tapaa taittuvan valonsäteen) etenemisen Ei dispersiota, pienin vaimennus Kuidun ja komponenttien valmistus kalliimpaa

12 Kuitutyypit (2) Kuva: Willa & Uusitupa, 2001: Tietoliikenneaapinen

13 Valokuidun edut ja haitat
Edut kuparikaapeleihin nähden: Immuuni sähkömagneettisille häiriöille, ei säteile ulospäin (ei ylikuulumista, salakuuntelua) Siirtohäviöt pienet >> toistinväli jopa satoja kilometrejä Leveä kaista, korkeat kantoaaltotaajuudet >> suuri siirtokapasiteetti Haitat: Kuidun, lähettimien ja ilmaisimien teko vaativaa >> kalliimpi hinta Asennus ja ylläpito haastavaa Herkästi rikkoontuvaa kuparijohtoihin verrattuna

14 Radiolinkit Vapaa tila, ilmatie, langaton siirtotie… Edut:
"halpa" - ei johdonvetokustannuksia liikkuvat päätelaitteet, yhteys mahdollinen lähes missä vain Rajoitukset: viestin salakuuntelu ja häirintä helppoa >> turvallisuus ratkaistava käyttökelpoisia radiotaajuuksia rajatusti, käytöstä sovittava kansainvälisesti siirto-olosuhteet vaihtelevat (sääilmiöt, magneettiset myrskyt)

15 Radioaaltojen eteneminen
Suora näköyhteys Korkeatkin taajuudet Muita tapoja luotettavampi, pääasiallinen etenemistapa teletekniikassa Sironta 300 MHz – 10 GHz Jopa 2000 km Heijastuminen ionosfääristä < 30 MHz Jopa maapallon ympäri, mikäli aalto heijastuu uudelleen maanpinnasta Maanpinta-aalto < 10 MHz Optimiolosuhteissa tuhansia kilometrejä

16 Siirtoyhteyskerros

17 Siirtoyhteyskerros - yleistä
(Data link layer) Ratkaistavia asioita: Yhteyden muodostus kahden solmun välillä Fyysinen osoitteistus Vuonohjaus Virheiden käsittely Vuoronvarausmenettelyt Todellisuudessa verkkototeutukset eivät noudata OSI-jakoa kirjaimellisesti Samoja tehtäviä (kuten virheenkorjausta ja vuonohjausta) tehdään myös muilla kerroksilla

18 Vuonohjaus (flow control)
Kuinka paljon tietoa kerralla voi lähettää? Tapahtuu yhteyden aikana Pyrkii estämään tiedon katoamisen siirron aikana puskurien täyttymisen takia: vastaanottaja estää lähettäjää lähettämästä liikaa tietoa kerralla Menetelmiä: Lähetetään yksi viesti kerrallaan ja odotetaan vastaanottajalta kuittausta ennen seuraavan viestin lähetystä (stop-and-wait) Lähetetään useita viestejä kerrallaan; kuittausta odottavien viestien lukumäärän määrää ns. liukuva ikkuna (sliding window)

19 Virheet Esiintyvät joko yksittäin (single-bit error) tai purskeina (burst error) Voivat johtua esim. tahdistusvirheistä tai kohinasta ja häiriöistä Kohinan määritelmä: mikä tahansa ei-toivottu satunnainen signaali, joka summautuu mitattavaan signaaliin tai häiritsee haluttua signaalia Aiheutuu laitteen tai materiaalin fysiikasta (esim. lämpökohina) Häiriöt joko luonnollisia (esim. revontulet) tai ihmisen aikaansaamaa (esim. 50 Hz:n sähköverkkojen aiheuttama häiriö, radiolähetteet) >> Joka tapauksessa virheitä tulee aina

20 Virheiden käsittely (error control)
Virheiden havainti (engl. error detection) Tavoitteena havaita virheet ja tämän jälkeen joko lähettää virheelliset merkit tai viestit uudelleen (retransmission) hylätä viallinen viesti korjata viallinen viesti Virheenhavaintimenetelmiä: kaiutus – vastaanottaja lähettää kaiken saamansa datan takaisin lähettäjälle pariteettitarkistus – lähettäjä lisää jokaiseen merkkiin yhden pariteettibitin, joka täydentää merkin ykkösbittien lukumäärän joko parilliseksi tai parittomaksi tarkistussumma – lähettäjä laskee tarkistussumman suuremmasta bittijoukosta eli lohkosta ja lisää sen lohkon loppuun Virheenkorjaus (engl. error correction) pyritään sisällyttämään viesteihin niin paljon toistoa, että virheelliset bitit voidaan paitsi havaita myös korjata

21 Vuoronvarausmenettelyt (access control)
Kenen vuoro lähettää? Kahdenvälisellä linkillä: varmistetaan, että vastaanottaja on toimintakunnossa ja valmis vastaanottoon Monta tasa-arvoista laitetta jakaa saman siirtotien >> tarvitaan hienostuneempia menetelmiä siirtoyhteyden jakamiseksi Sopivin menetelmä riippuu verkon rakenteesta Kilpavarausperiaate: lähetyshaluiset asemat kilpailevat lähetysvuorosta Valtuudenvälitysperiaate: verkossa kiertää valtuus (token), jonka nappaamalla asema saa lähetysvuoron itselleen Muita tapoja: FDMA, TDMA, CDMA (lähetysvuoroista sovitaan jo etukäteen)

22 Kilpavarausperiaate CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) –algoritmi Sopii verkkoon, jossa asemat joutuvat kilpailemaan yhteisestä siirtotiestä (esim. radiotie, väyläverkko) Tasa-arvoinen: kaikilla asemilla yhtä hyvä tai huono todennäköisyys saada lähetysvuoro Käytetään mm. Ethernetissä (perusmuodossa väylätopologia) ja WLAN:eissa (hieman muunneltuna >> CSMA/CA) Toimintaperiaate yksinkertaistettuna: Kuunnellaan väylää Jos väylä hiljainen, lähetetään kehys Jos havaitaan törmäys lähetetään sotkua, jotta muutkin huomaavat törmäyksen satunnaisen pituinen viive ennen uutta yritystä

23 Kilpavarausperiaate: esimerkki
Kone 2 lähettää koneelle 4 Kone 5 lähettää koneelle 1 Kuva-animaatio:

24 Valtuudenvälitysperiaate
Verkossa kiertää valtuus (engl. token), jonka haltijalla on lähetysvuoro Käytetään sekä rengas- että väylätopologiassa Token Ring (IEEE 802.4) fyysisesti rengasverkko >> ei törmäyksiä, ennakoitava viive lähetysvuoron saamisessa Token Bus (IEEE 802.5) yhdistelmä Ethernet- ja Token Ring- verkkoja (fyysisesti väylätopologia, jossa kiertää valtuus loogisen renkaan mukaisesti) >> ei törmäyksiä, ennakoitavat viiveet >> käytetään teollisuusautomaatiosovelluksissa

25 Valtuudenvälitysperiaate: esimerkki
Kone 1 lähettää viestin koneelle 4 Kone 4 lähettää kuittauksen koneelle 1 Kuva-animaatio:

26 Ylimääräistä materiaalia Jyri Hämäläinen 7.11.2012

27 Radiotietoliikenne Radiotietoliikenteen järjestelmä sisältää ainakin seuraavat elementit: Lähetin joka muuttaa lähetettävän informaation radiosignaaliksi Väliaineen jossa radiosignaali etenee (esim sähkömagneettisina aaltoina ilmassa) Vastaanottimen missä radiosignaalin välittämä informaatio ilmaistaa vastaanottajalle Radiotietoliikenteen järjestelmiä ovat esimerkiksi Mobiilit tietoverkot kuten GSM, 3G ja sen evoluutio (WCDMA, HSDPA, LTE) Langattomat lähiverkot (WLAN) Digitaalinen televisio ja radio

28 Radiotietoliikenne Radiotietoliikenteen tutkimuksessa keskitytään sekä käytännön järjestelmiin että langattoman tietoliikenteen teoreettisiin perusteisiin. Radiotietoliikenteessa ollaan tekemisissä sekä langattoman siirtotien fysiikan että teknisten järjestelmien kanssa. OSI 1-2 kerrokset ovat hyvin tärkeitä radiotietoliikenteelle. Tiedonsiirtonopeutta rajoittavat sekä luonnonlait, että toisaalta teknisen toteutuksen ja kustannusten asettamat rajoitteet.

29 Esimerkki: Mobiilijärjestelmien linkin tiedonsiirtonopeuden kehitys
Käyttäjien sallittu liikenopeus Aika Suuri LTE-A/ IMT-A LTE 3G 3.5G 2G 1G 802.16 Pieni 802.11 Tiedonsiirtonopeus <10 kbps <200 kbps <2 Mbps <10 Mbps <50 Mbps <1 Gbps

30 Linkin suorituskyky ei ole koko kuva kehityksestä
Huippunopeudet tiedonsiirrossa kasvavat mutta Tiedonsiirron nopeus solujen reunoilla on kasvanut vain hitaasti. Kuitenkin merkittävä osa yhteyksistä on solujen reuna-alueilla. Suuret tiedonsiirtonopeudet ovat yksittäisten käyttäjien saatavilla vain kun liikennettä on solussa vähän. Liikkuvan tietoliikenteen verkot pyritään lähtökohtaisesti rakentamaan harvoiksi Useissa tapauksissa tukiasemaverkko on alunperin suunniteltu puhepalveluita silmällä pitäen. Verkkojen rakentamista hallitsee lankapuhelinverkoista periytyvä ajattelutapa: suuri on kaunista. Meillä on vielä paljon tekemistä!

31 Verkkotasollakin on ehtinyt tapahtua aika paljon
Brittiläisen imperiumin laivojen välinen ‘radiotietoliikenneverkko’ 1920 luvulla Maksimissaan lähetys varaa taajuusresurssin 28 miljoonan neliökilometrin alueelta. 0G eli ‘(Improved) Mobile Telephone Service’, 1969 Maksimissaan yhteys varaa taajuusresurssin 7800 neliökilometrin alueelta. 1G eli vaikkapa Nordic Mobile Telefone, NMT 1981 Maksimissaan lähetys varaa taajuusresurssin 2800 neliökilometrin alueelta. 2G, GSM; 3G, WCDMA; 3.5G, HSPA Yhteys varaa taajuusresurssin neliökilometrin alueelta (solun säde 10km - 250m). 3600x 2.8x x Alusta tähän päivään linkkiin varatun taajuusresurssin hyödyntäminen on tehostunut kertaisesti