1645 Nopeat tiedonsiirtoverkot

1. 1645 Nopeat tiedonsiirtoverkot Luentomoniste syksy 2001

2. Sisällysluettelo Kalvonumero • Johdanto 3 • Nopeutta vaativat/rajoittavat tekijät 16 • Nopeat lähiverkkotekniikat 38 • Fast Ethernet 60 • Gigabit Ethernet 64 • 100VG-AnyLan 77 • HIPPI 83 • Optinen tiedonsiirto 92 • FC 98 • Kanavointitekniikat 106 • SDH/SONET 119 • FDDI 125 • FTTH 131 • Nopeat runkoverkot 138 • ATM 149 • Referenssimalli 170 • Lähiverkot 235 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

3. KAIKKI TIET VIEVÄT KOTIISI • Tiedon valtatien liikenne kasvaa nopeasti. • Käyttäjille rakennetaan yhä nopeampia ja laajakaistaisempia kulkureittejä. • Matkustavaisille on tarjolla koko ajan kasvava valikoima pysähdyspaikkoja, joissa voi tehdä työtä, tankata tietoa tai vaikka vaihtaa viihteelle. • Tiedon valtatien ytimen muodostavat nopeat runkoverkot. • Valtatiehen liitytään hitaammilla yhteyksillä, ja tien tarjoamista antimista nautitaan mikrotietokoneella. 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

4. TIEDON VALTATIEN RAKENNEOSAT • Siirtopalvelut eli tiedon valtaväylien moottoritieosuus • Liityntäpalvelut eli moottoritien liittymät, rampit • Päätelaitteet eli ajoneuvot • Tiedon valtatien varrelta löytyy erilaisia palveluja, jotka voivat olla yleisiä, kuten sähköposti tai eri alueille erikoistuneita tieto-, asiointi- tai viihdepalveluja 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

5. Siirtopalvelut • Nopea laajan alueen kaksisuuntainen verkko • Vaaditaan suurten käyttäjämäärien vuoksi laajakaistaisuutta • Laajakaistaiset yleiskäyttöiset verkot kuten ATM muodostavatkin valtatien keskeisen osan • Eri ominaisuuksilla varustetut siirtotiet palvelevat : • Puhelinkäyttäjiä (älyverkot, puhelinverkko) • Liikkuvia käyttäjiä (mobiiliverkot) • Tietokoneisiin liittyvää liikennettä (datasiirtoverkot) 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

6. Liityntäpalvelut • Liityntäpalvelu tarjoaa yksikölle (yritys, toimisto, koti, yksittäinen päätelaite) pääsyn palveluihin • Liityntäpalvelu voi olla siirtopalvelua oleellisesti hitaampi ja tietylle palvelulle sovitettu • Liityntätapa voi olla • Optimoitu datansiirtoon • Puhelinverkon osa • Etupäässä viihdekäyttöön tarkoitettu • Samaa tekniikkaa kuin siirtoverkossa 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

7. Päätelaitteet • Päätelaitteissa on nähtävissä sama kohtalo kuin muilla tietoliikennejärjestelmän osilla: • Päätelaitteesta tulee monimuotoviestin ja erilliset toiminnot integroituvat samaan laitteeseen • Tietokoneet saavat TV:n ja videon ominaisuuksia, televisioon tulee tietokoneen ominaisuuksia • Kännykkä ja kannettava tietokone muodostavat liikkuvan toimiston ja tavallisissakin toimistoissa puhelin on ehkä jatkossa vain mikron ohjelmisto. 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

8. Palvelut • Tiedon valtatien kautta käyttäjä saa haluamansa tiedot ja palvelut : • Sanomalehdet, musiikki, elokuvat, kirjat, oppaat, esitteet, muistiot, erilaiset tietokannat, … • Käyttäjien välinen viestintä ja kaupankäynti, kuluttajan ostokset, viranomaisten kanssa asiointi, poliittiseen keskusteluun ja päätöksentekoon osallistuminen, opiskelu sekä työnteko (etätyö) tapahtuvat yhä useammin tietoverkoissa 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

9. Nopeat tiedonsiirtoverkot • Miten ? • Kaikki edellä luetellut osa-alueet pitää olla kunnossa, jotta koko yhteyden palveluntarjoajalta käyttäjälle voidaan katsoa olevan nopean • Yhdenkin osa-tekijän hitaus heijastuu välittömästi palvelun hidastumisena • Miksi ? • Päätelaitteet nopeutuneet • Käyttäjämäärät kasvaneet • Käyttäjien vaatimukset kasvaneet • Sovellukset vaativat lisää siirtokapasiteettiä • Reaaliaikaiset sovellukset lisääntyneet 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

10. Nopeat tiedonsiirtoverkot • Dataverkot • Kiinteät • Mobiilit • Televerkot • Kiinteät • Mobiilit 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

11. Kiinteät dataverkot • Ethernet : 10 Mbit/s • Fast Ethernet 100 Mbit/s • Gigabit Ethernet 1000Mbit/s • … • ATM : 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, …, 2.5Gbit/s • FDDI : 100 Mbit/s 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

12. Mobiilit dataverkot • IrDA : 9.5 kbit/s – 4 Mbit/s • Bluetooth : 1Mbit/s, 2Mbit/s • Symmetrinen 432,6 kbit/s datakanava • Epäsymmetrinen 721 kbit/s datakanava, jonka nopeus paluusuuntaan on 56,6 kbit/s • WLAN : 2 Mbit/s, 11 Mbit/s, 54 Mbit/s • HIPERLAN : 10-25 Mbit/s 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

13. Kiinteät televerkot • Modeemit : max 56kbit/s • ISDN : 64/128 kbit/s • xDSL-tekniikat : • ADSL : uplink < 768 kbit/s, downlink < 8 Mbit/s • HDSL : 128 kbit/s – 2 Mbit/s • VDSL : jopa 53 Mbit/s 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

14. Mobiilit televerkot MBS UMTS EDGE GPRS Multislot GSM Data 14,4 kbit/s 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

15. Mobiilit televerkot • GSM : Piirikytkentäinen 9600 bit/s • HSCSD : Piirikytkentäinen, aikavälin siirtonopeus 9,6 kbit/s -> 14,4 kbit/s (115,2 kbit/s = 14,4 kbit/s * 8 aikaväliä) • GPRS : Pakettikytkentäinen 14.4 kbit/s • EDGE : Piirikytkettynä max 64 kbit/s, Pakettikytkettynä max 473 kbit/s • UMTS : Pakettikytkentäinen 8kbit/s - 2Mbit/s • MBS : yli 2Mbit/s 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

16. 1645 Nopeat tiedonsiirtoverkot Nopeutta vaativat tekijät Nopeutta rajoittavat tekijät Tarvitaanko nopeutta lisää ?

17. Nopeutta vaativat tekijät • Tekninen kehitys tuo jatkuvasti uusia nopeampia verkkoarkkitehtuureita markkinoille • Tietyt sovellukset kuluttavat helposti kaiken tarjolla olevan kaistan ja siten hyötyvät uusista nopeista verkoista muita enemmän • Ei pyritäkään minimoimaan resurssien kulutusta 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

18. Nopeutta vaativat tekijät • Paljon käyttäjiä • Internetin laajeneminen on tuonut useille verkkopalveluille valtavat käyttäjäjoukot • Käyttäjämäärien jatkuva kasvu luo yhä suurempia nopeusvaatimuksia sille verkon osalle, jossa palvelimet sijaitsevat • Mikäli käyttäjät sijaitsevat ympäri maailmaa, liikenne hajaantuu pikkuhiljaa eri suuntiin ja eri verkkosegmenteille kauemmas mentäessä • Palvelimien verkkosegmentin täytyy pystyä limittämään ja kuljettamaan vastaus kaikkiin pyyntöihin reitittimille, joista vastaukset hajaantuvat maailmalle 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

19. Nopeutta vaativat tekijät • Paljon käyttäjiä jatkuvasti • Jos käyttäjäkunta on jakautunut hyvin laajalle ja palvelu ei sisällä mitään kovin aikasidonnaista informaatiota, eri puolilta tulevat pyynnöt jakautuvat ajallisesti jossain määrin tasaisesti • Esimerkki tällaisesta maantieteellisesti ja aikavyöhykkeellisesti laajaa käyttäjäkuntaa kiinnostavasta palvelusta, kansainvälisen uutistoimiston WWW-palvelin • Palvelimelta odotetaan löytyvän kuvamateriaalia ja tarkkoja reaaliaikaisia uutisia, joten siirrettävää dataa on paljon ja palvelu kiinnostaa lähes koko maailmaa. 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

20. Nopeutta vaativat tekijät • Paljon käyttäjiä tietyllä ajan hetkellä • Jos palvelu on luonteeltaan hyvin aikasidonnainen, palvelimelle saattaa tulla pyyntöjä ajallisesti hyvinkin keskittyneesti • Tällöin tietysti palvelimelta ja sen ohjelmistolta vaaditaan paljon, mutta myös verkko joutuu kuljettamaan välillä satoja limitettyjä vastauksia samanaikaisesti • Esimerkiksi Olympialaisten reaaliaikainen tulospalvelu 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

21. Nopeutta vaativat tekijät • Suuri määrä siirrettävää dataa • Edellisistä hieman eroavat sovellukset, joiden käyttäjämäärät ovat hyvin rajattuja mutta jotka vaativat verkkoa kuljettamaan valtavia määriä dataa käyttäjilleen • Etätyöskentely • Sairaalaverkot • … 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

22. Nopeutta vaativat tekijät • Suuret datapaketit • Lääketiede on esimerkki, jossa syntyy valtavan kokoisia tiedostoja, sillä lääketieteellisiä kuvia ei pakata hukkaavilla menetelmillä • Vaatimuksena on, että kuvat säilyvät palvelimen levyllä ja ovat jatkuvasti spesialistien haettavissa alkuperäisen laatuisina • Eräässä sairaalassa havaittiin, että verkolta vaadittiin n. 130 Mb/s nopeutta, jotta kyseisen kaltainen käyttö oli järkevää 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

23. Nopeutta vaativat tekijät • Suuret datavirrat • Virtamuotoinen data kuljetetaan verkossa pieninä paketteina, joiden pitää saapua kohdekoneeseen suhteellisen tasaisin väliajoin • Tällöin päästä päähän viive ei voi vaihdella kovin paljoa eli muut paketit pitää limittää virtojen lomaan melko huolellisesti • Videoneuvottelut 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

24. Nopeutta vaativat tekijät • Reaaliaikaiset sovellukset • Laajaa kaistaa tärkeämpää on pieni päästä-päähän viive • Kaksisuuntainen audio- tai videoyhteys • Yhteyden laatu kärsii huomattavasti, jos päästä päähän viive kasvaa ja käyttäjät joutuvat odottamaan repliikkiensä perillemenoa ja vastausten tuloa liian kauan 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

25. Nopeutta vaativat tekijät • Paljon käyttäjiä, paljon dataa • Kun sekä käyttäjiä on paljon, että heille siirretään suuria määriä dataa, verkko joutuu lujimmilleen • Esitykset, joita voi seurata suorana videovirtana Webin välityksellä • Tämäntyyppiset laajasti perinteisissä medioissa mainostetut sovellukset, jotka tarjoavat videovirtaa vain tietyllä hetkellä, kysyvät verkolta kapasiteettia • Samanaikaisten käyttäjien määrä voi nousta ennalta arvaamattoman suureksi ja siedettävä videovirta vie kaistaa runsaasti per käyttäjä • Kaistavaatimuksia pyritään toki pienentämään myös videokoodauksen tehokkuutta parantamalla • MPEG-4 standardin mukaisella koodauksella 160x120 pikselin kokoinen kuva 5 kehystä/s tuottaa vain noin 20 kb/s 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

26. Nopeutta vaativat tekijät 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

27. Nopeutta rajoittavat tekijät • Yksittäisissä kaapeleissa voidaan nykypäivänä siirtää dataa terabittien nopeudella • Kuinka saadaan kyseinen nopeus mahdollisimman tehokkaasti hyödynnettyä käyttäjän näkökannalta ??? 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

28. Nopeutta rajoittavat tekijät • WWW-surffailua • Kun haluamme ladata WWW-sivun, joltain palvelimelta jostain päin maailmaa data matkaa useinkin hyvin pitkän ja mutkikkaan reitin • Ensin lähetämme www-palvelimelle pyynnön • Palvelin käsittelee pyynnön ja lähettää dataa • Matkalla palvelimelta kotikoneellemme data matkaa monen verkon ja verkkolaitteen kautta kohdaten matkalla monia nopeutta rajoittavia tekijöitä 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

29. Nopeutta rajoittavat tekijät • Palvelin • Palvelimen teho • Liityntä palvelimen omaan lähiverkkoon 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

30. Nopeutta rajoittavat tekijät • Palvelimen lähiverkko • Palomuurit turvallisuussyistä • Reititin • Kytkee lähiverkon Internetiin • ISP • Todennäköinen yhteyden nopeutta hidastava kohta 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

31. Nopeutta rajoittavat tekijät • ISP -> runkoverkko • Data ISP:n verkosta pitää ohjata runkoverkkoon • ISP:n oma runkoverkko • Muiden runkoverkot • Rajoitetut kapasiteetit • Reititys runkoverkkojen kautta 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

32. Nopeutta rajoittavat tekijät • Runkoverkosta käyttäjän ISP:lle • Käyttäjän ISP:ltä käyttäjän koneelle • Pääteyhteys • kiinteä / mobiili • Koneen tehokkuus 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

33. Nopeutta rajoittavat tekijät • Laitteistot / Siirtotiet • Rahalla saa uutta nopeaa tekniikkaa • Matkalla saattaa kuitenkin aina joskus jossain välissä olla joku pätkä vanhempaa hitaampaa teknologiaa • ”Suurin nopeutta rajoittava tekijä = RAHA” 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

34. Tarvitaanko nopeutta lisää ?? • Teho irti nykyisistä yhteyksistä • Nykyisillä tietoliikennekaistoilla informaatio siirtyy niin nopeasti, että voidaankin kysyä onko mahdollinen lisänopeus lainkaan tarpeen ? • Mikäli halutaan nopeuttaa tietoliikennettä, on se mahdollista tehdä myös parantamalla nykyisten käytössä olevien kanavien hyötysuhdetta jalostamalla verkossa välitettävää materiaalia ja sen käsittelyä ja tallennusta vastaanottavassa koneessa 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

35. Tarvitaanko nopeutta lisää ?? • Nykyinen verkon käyttö on usein hyvinkin epäjärjestäytynyttä ja tehoa kuluttavaa • Kuvia, taustoja ja muuta käytännössä turhaa informaatiota siirretään läjäpäin varsinaisen uuden tiedon jäädessä usein muutamaan riviin tekstiä • Paljon dataa siirretään myös yhä uudestaan ja uudestaan sen järjestäytymättömyyden vuoksi • Mikäli ilmaisumuotoja kehitettäisiin pystyttäisiin palveluja tehostamaan todella tuntuvasti • Cachet / Proxyt tulisi hyödyntää tehokkaammin 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

36. Tarvitaanko nopeutta lisää ?? • Internetin hitauteen kyllästyneet oppilaitokset ja tutkijat ovat USA:ssa toteuttamassa Internet2 verkkoa • Tämä uusi verkko tarjoaa jopa satakertaista nopeutta normaaleihin internet yhteyksiin verrattuna • Tämä mahdollistaa yliopistojen välisen videokonferenssit, kokeiluja etäläsnäolosta ja virtuaalitodellisuudesta • Verkko on suljettu ulkopuolisilta ja tarkoitettu vain hyötykäyttöön • Ainakin tutkijat ovat siis sitä mieltä, että tietoverkkoihin tarvitaan lisää nopeutta, ja ratkaisut tähän ovat uusi tehokkaampi teknologia ja rajoitettu käyttö 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

37. Tarvitaanko nopeutta lisää ?? • Hitaus kuitenkin useinkin muualla kuin verkossa • Tehottomat päätelaitteet • Tehottomat ohjelmistot • Tehottomat käyttäjät • … 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

38. 1645 Nopeat tiedonsiirtoverkot Nopeat lähiverkkotekniikat

39. Nopeat lähiverkot • Fast Ethernet • Gigabit Ethernet • 10 Gigabit Ethernet • 100VG-AnyLAN • HIPPI / Sarja HIPPI • ATM LANE (Käsitellään myöhemmillä luennoilla ATM:n yhteydessä) 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

40. Nopeat lähiverkot 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

41. Nopeat lähiverkot • Lyhenteitä / Termistöä : • RFC = Request For Comments • PNNI = Private Network-Network Interface • LANE = LAN Emulation • MPOA = Multiprotocol Over ATM • SVC = Switched Virtual Circuit • RSVP = Resource reservation protocol • IETF = Internet Engineerin Task Force • 802.1p = Priorisointi (3 bittiä, 8 tasoinen) • 802.1Q = Virtuaali-LAN:it • 802.1h = Translation bridging (mahdollistaa siirron eri verkkojen välillä, tarpeelliset kehysmuutostekniikat) 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

42. Ethernet • Ethernet on kaupallinen nimi, jota käytetään viitattaessa joukkoon lähiverkkojen toteutustapoja, jotka toteuttavat (likimain) ISO:n OSI-viitemallin kerrokset 1 ja 2 (Physical ja Data Link) • Vaikka Ethernetit eroavat merkittävästi toisistaan, niin niillä on yhteinen tausta ja paljon yhteisiä mekanismeja • Kaikki Ethernetit välittävät verkkoon liitettyjen koneiden välillä tietoa käyttäen kehyksiä 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

43. Ethernet (historiaa) • Ethernetin kehitystyö käynnistyi vuonna 1972 Xerox's Palo Alto Research Centerissä • Verkkoa alunperin kutsuttiin Alto Aloha netiksi ja sen nopeus oli 2.94 Mbit/s • Nimi Ethernet tuli käyttöön toukokuussa 1973 ja verkon nopeus kasvoi lopulta arvoon 10Mbit/s • Lukuisten kokeilujen jälkeen työryhmän jäsenet julkaisivat kehitystyön tulokset vuonna 1976 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

44. Ethernet (historiaa) • Samaan aikaan oli kehitteillä useita muitakin lähiverkkoja • Ethernetin tärkeimpiä kilpailijoita oli IBM:n kehittämä TokenRing • Saadakseen sekavaan tilanteeseen järjestystä IEEE muodosti helmikuussa 1980 ryhmän 802 lähiverkkojen standardointia varten • Kaupallisten paineiden puristuksessa IEEE:n ryhmän työ oli hyvin hidasta ja johti tulokseen vasta vuonna 1985, jolloin syntyi standardi IEEE 802.3. 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

45. Ethernet (historiaa) • 1980 DIX-konsortio (Digital, Intel ja itse Xerox) julkaisi oman standardinsa, jota kutsutaan usein nimellä Version I • Vuonna 1982 sama ryhmä julkaisi Version II, jota useimmat ihmiset tarkoittavat puhuessaan Ethernetistä 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

46. Ethernet (historiaa) • 1990-luvun alussa nähtiin, että nopeasti yleistyvät ja suunnitteilla olevat nopeat verkot muodostavat kaupallisen uhan Ethernetille • Marraskuussa 1992 IEEE 802 otti käsittelyyn nopeampien Ethernetien kehittelyn • Monien vaiheiden ja erilaisten kehitysehdotusten jälkeen 100BaseT-Ethernetistä päästiin sopuun marraskuussa 1994 • Kaupallinen valmistus seurasi päätöstä lähes räjähdysmäisesti: maaliskuun 1995 loppuun mennessä markkinoille oli julkaistu yli 80 100BaseT-tuotetta 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

47. Ethernet (historiaa) • Gigabitin Ethernetin standardi (IEEE 802.3z) hyväksyttiin kesäkuussa 1998 • Standardointia koordinoi 11 yrityksen toukokuussa 1996 perustama Gigabit Ethernet Alliance ja standardointityö valmistui varsin nopeasti • Yritysten mielenkiintoa osoittaa se, että standardointityössä on ollut mukana allianssin jäsenenä yli 100 yritystä 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

48. Ethernet (historiaa) 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

49. Ethernet (historiaa) • Lyhenteitä : • HSSG = Higher Speed Study Group • PAR = Project Authorization Request • LMSC = LAN/MAN Standards Comittee • Ballot = Äänestys (Hyväksyntä vaatii ¾ enemmistön) 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH

50. Ethernet (historiaa) 10 Gigabitin Ethernet 2001 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu / PH