1 / 31

S-38.1105 Tietoliikennetekniikan perusteet

S-38.1105 Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento 2 Siirtotiet. OSI-kerrokset 1 ja 2. Jyri Hämäläinen (Alkuperäiset kalvot: Timo Smura). Luennon aiheet. Kertausta Verkkojen kerrosmalli: OSI Fyysinen kerros (OSI-mallin 1. kerros) Siirtotiet: Avojohto, kaapeli, valokuitu, radiolinkit

hagop
Download Presentation

S-38.1105 Tietoliikennetekniikan perusteet

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  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

More Related