S-38.1105 Tietoliikennetekniikan perusteet

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

2. Luennon aiheet • Kertausta • 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 Verkkoyhteyskerros Tämä luento! 2: Siirtoyhteyskerros (Data link layer) 1: Fyysinen kerros (Physical layer)

4. OSI-malli, esimerkki

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 • 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 = 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: http://www.datacottage.com/nch/eoperation.htm

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: http://www.datacottage.com/nch/troperation.htm

26. Ylimääräistä materiaaliaJyri 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 1985 1995 2000 2005 2010 2015 Aika LTE-A/ IMT-A Suuri LTE 3.5G 3G 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 314 - 0.2 neliökilometrin alueelta (solun säde 10km - 250m). 3600x 2.8x 8.9-14000x Alusta tähän päivään linkkiin varatun taajuusresurssin hyödyntäminen on tehostunut 140000000 kertaisesti