tietoliikenne ja verkot 1-2 [yhteensopivuustila]janneku/t080104/sau14sns/tieli/1-2.pdf1. johdanto...

Sisältö

1. Johdantotietoliikenteen kehitys ja sen keskeisiä käsitteitäTietoliikennepalvelut ja verkotTietoliikennepalvelut ja verkotTeleverkkojen rakenneTietoliikenteen standardointi ja OSI- ja TCP/IP-malli

2. PerustekniikatSignaali ja häiriöt

Vaimennus, ja vahvistusVaimennus, ja vahvistus KohinaYlikuuluminen

Sii t t k iik tSiirtotekniikatKanavointiModulaatioKoodaus

13.11.2013 Tietoliikenneverkot 1

3 Lähi k t3. LähiverkotKaapelointiEthernetEthernetToistimet ja keskittimetSillat ja kytkimetVlan-tekniikkaTCP/IP protokollatIP osoiterakenneIP-osoiterakenneReitittimetAliverkote oLähiverkkojen varmentaminenVerkonhallinta


4 L j k t4. LaajaverkotProtokollatLaajakaistatekniikatLaajakaistatekniikatDHCP-palveluOsoitteenmuunnokset


1. Johdanto

Tietoliikenteen kehityshistoriaa:

• Optinen lennätin Claude Chappe 1791Sähköl äti S l M 1845• Sähkölennätin Samuel Morse 1845

• Puhelin Alexander Graham Bell 1876• Radio Guglielmo Marconi 1896• Televisio Paul Nipkow 1894• Automaattinen puhelinkeskus Almon S Strowger 1891


• 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

M tk h li t 1980 j 1990 l ill• Matkapuhelimet 1980- ja 1990-luvuilla• Internet 1990-luvulla• Laajakaistaiset liikkuvat Internet liittymät sekä mobiili VoIP• Laajakaistaiset liikkuvat Internet-liittymät sekä mobiili-VoIP-

puhelintekniikka 2000-luvulla


Tietoliikenteen kehityksen vauhdittajia

• Mikroprosessorien ja muiden mikropiirien tehojen kasvu ja hintojen halpeneminen mahdollistavat entistä monipuolisempia j ”äl kkää iä” äät l itt it E i kik i tk h li ija ”älykkäämpiä” päätelaitteita. Esimerkiksi matkapuhelimien prosessoritehot ja muistien koko ylittävät muutaman vuoden takaiset tietokoneettakaiset tietokoneet.

• Digitaalinen signaalinkäsittely mahdollistaa siirtokanavien tehokkaamman hyödyntämisen. Internetin ADSL-tehokkaamman hyödyntämisen. Internetin ADSLlaajakaistaliittymä on paljon nopeampi kuin takavuosien modeemiliittymä, vaikka se käyttää samaa puhelinjohtoa. 3G-verkon matkapuhelimet siirtävät tietoa langattomasti paljon tehokkaammin kuin edeltäjänsä.L t k iikk j l k lit hd lli t t ittäi j• Lasertekniikka ja valokaapelit mahdollistavat erittäin nopean ja edullisen langallisen siirron.

Tietoliikenteen osa-alueet


PohdittavaksiMiten luokittelet seuraavat tietoliikennejärjestelmät tai –palvelut? Ovatko ne

- interaktiivisia (eli vuorovaikutteisia)?li ik i i ( li t t tk t i i il häi it ää ii ttä)?- reaaliaikaisia (eli tuntuvatko ne toimivan ilman häiritsevää viivettä)?

- yksisuuntaisia vai kaksisuuntaisia?• puhelinvastaajaan jätetty puheviestipuhelinvastaajaan jätetty puheviesti• teksti-TV• juna-aikataulun selaus www-sivuilta• TV-ohjelman katsominen Yleisradion nettisivuilta• videopuhelu Internet-yhteyden välityksellä

telefa• telefax• puhelu• televisio-ohjelmassa järjestetty tekstiviestiäänestystelevisio ohjelmassa järjestetty tekstiviestiäänestys• kuvaviesti matkapuhelimeen• jääkiekkopelin seuraaminen kannettavasta digi-TV-vastaanottimesta silloin


kun itse on paikalla jäähallissa

TietoliikennepalvelutT l l l id h itt l j i kk jä l l i tTelepalveluiden ryhmittely ja esimerkkejä palveluista:

1. Siirtopalvelutp• ääni• kuva

data• data2. Telepalvelut

• puhelin-matkapuhelin• telefax• WWW-palvelu

3 Lisäarvopalvelut3. Lisäarvopalvelut• tekstiviestipalvelu• toiminteet eli fasiliteetit• verkkokauppa

Palvelutuotteet sisältävät aina tekniikan veloituksen ja ylläpidon


Palvelutuotteet sisältävät aina tekniikan, veloituksen ja ylläpidon

Suomen televiestintämarkkinat


Viestintäviraston tehtävät• Edellinen kalvo kuvaa Suomen televiestintämarkkinoiden eri osapuolia.

Kalvolla esiintyy vielä nimi Telehallintokeskus, mutta sen tilalle on perustettu Viestintävirasto.Viestintävirasto.

• Viestintävirastolla on monia tehtäviä, joista esimerkkejä ovat– Internetin .fi-verkkotunnusten myöntäminen– Puhelinverkon operaattoritunnusten ja muiden suuntanumeroiden

myöntäminenRadiotaajuuksien käyttölupien myöntäminen ja radioliikenteen valvonta– Radiotaajuuksien käyttölupien myöntäminen ja radioliikenteen valvonta

– TV-maksujen kerääminen• Suomen viestintämarkkinoita on viimeisten 20 vuoden aikana vapautettu p

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 kalvollateleurakointiyrityksen 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


asiakas on tyytyväinen eikä verkkojen toiminnalle aiheudu häiriöitä.

Laitteiden yleisyys kotitalouksissa


Matkaviestinnän suosio perustuu puhelujen ja puhelimien halpenemiseenhalpenemiseen


Lankapuhelujen hinta on kääntynyt nousuun


Tietoliikenteen muutoksen muotisanojaTietoliikenne on viime vuosina muuttunut nopeasti. Näitä muutossuuntia eli

”trendejä” käsitellään juhlapuheissa esimerkiksi seuraavia sanoja käyttäen:

• TelematiikkaTietoliikenne-, media- ja tietotekniikka ovat sulautumassa yhteen.j y

• Liberalisaatio tai deregulaatioTietoliikenteen sääntelyä vähennetään ja vapaata kilpailua edistetään.

• Palvelujen konvergenssi• Palvelujen konvergenssiKaikki telepalvelut ovat käytettävissä samoilla päätelaitteilla.

• MobiliteettiKaikki telepalvelut ovat mahdollisia langattomilla päätelaitteilla.


Erilaisia tietoliikenneverkkoja• Televerkot

– Yleinen puhelinverkko PSTN (Public Switched Telephone Network) tai POTS (Plain Old Telephone System)( p y )

– 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


– Liityntäverkot– Asiakasverkot

Siirtoetäisyyksiä ja siirtokapasiteetteja • Mikropiiritekniikka 60nm – 10 mm toimintataajuus n. 1-15 GHz

Ti t k ä lä 200 t i i t t j 100 1000 MH• Tietokoneen väylä n. 200mm toimintataajuus n. 100 – 1000 MHz

• Huoneverkko 1 – 10 m 10 – 1Gbit/sHuoneverkko 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)

Verkkojen rakenne

• Verkko– Kaapeleiden, radiotien tai optisen yhteyden avulla yhteenliitettyjä

ti t liik l itt ittietoliikennelaitteita

– Tiedonsiirron edellytyksenä on:Tiedonsiirron edellytyksenä on:1. Yhteinen media eli siirtotie2. Yhteinen liikennöintimenettely eli protokolla.

• Lähiverkko Local Area Network (LAN)– Maantieteellisesti rajatun penehkön alueen (kampuksen) verkko– Verkko koostuu:

1 Kaapeleista1. Kaapeleista2. Verkkolaitteista3. Työasemista ja palvelimistay j p


– Lähiverkkojen keskeisiä ominaisuuksia ovat:• Toimii rajoitetulla maantieteellisellä alueella• 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 siirtopalveluistaLaajaverkko muodostuu teleoperaattoreiden tarjoamista siirtopalveluista• Yhdistää yhteen lähiverkkoja kaikkialla maailmassa.• Siirtotekniikka vaihtelee eri operaattoreilla• Muodostaa verkkojen verkon eli InterNetin


Lähiverkon rakenne


WAN-verkon rakenne


WAN-verkko

13.11.2013 Tietoliikenne ja verkot 27

Tietoliikenteen standardointi• Tietoliikenteen standardointi on välttämätöntä verkkojen, päätelaitteiden ja

palveluiden sovittamiseksi toisiinsa.• Virallisten de juree standardien (suositusten) puuttuessa laativat erilaiset j ( ) p

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.Viralliset standardit voivat olla kansainvälisiä, maanosakohtaisia tai kansallisia.• Keskeisimmät tietoliikennealan standardoimisjärjestöt:

– ITU International Telecommunications Union (ITU-T ja ITU-R)ETSI E T l i ti St d d I tit t– ETSI European Telecommunications Standard Institute

– ISO/IEC International Electrotechnical Comission– IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineersg– TIA Telecommunications Industry Association– T1 Committee for telecommunications

ANSI American National Standard Institute– ANSI American National Standard Institute– IETF Internet Engineering Task Force– SFS Suomen Standardisoimisliitto


Kansainväliset ja alueelliset organisaatiot (1997!)


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.j

• Vuoden 2008 tunnetuin de facto –standarditaistelu nähtiin teräväpiirto-DVD-soittimissa: BLU-RAY voitti HD-DVD:n.

• Tietoliikenteen laitteiden on oltava vähintäänkin sillä tavallaTietoliikenteen 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 laiteKannettavien laitteiden yleistyessä kuluttajat odottavat, että laite toimisi toiseen maahan mukaan otettunakin.

• GSM-standardin (Global System for Mobile Communications) kehittivät 18 eurooppalaisen maan matkapuhelinasiantuntijatkehittivät 18 eurooppalaisen maan matkapuhelinasiantuntijat yhteistyössä standardointijärjestö ETSI:ssä. Standardissa oli alkuvaiheessa 6000 sivua. Standardi on otettu käyttöön jo yli sadassa maassa.


sadassa maassa.

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 niinuseita 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 kil il ii t d d ihi t t h li t j it i i kä ttää i kik ikilpaileviin 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 onyksimielisyyteen, 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 kuvatutniille yrityksille, jotka ovat kehittäneet ja patentoineet standardissa kuvatut tekniset ratkaisut. Merkittävimpiä matkapuhelintekniikan ratkaisujen patentoijia maailmassa ovat amerikkalaiset Qualcomm ja Motorola, suomalainen Nokiasekä ruotsalainen Ericsson


sekä ruotsalainen Ericsson.

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.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

i kik i h li jä j t l i ä t ä kä ttä ää 10 20 tt T k iikkesimerkiksi 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 mahdolliseksiTV 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/smahdollistaa 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.

OSI-malli• Keskeinen kysymys tietoliikenteen standardoinnissa on se , miten eri laitteet pystyvät

k ik i k k ää R k i i i i ll l i j k h ikommunikoimaan 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.13.11.2013 Tietoliikenne ja verkot 33

• Kerrokset 1 – 3 muodostavat siirto eli verkkopalvelut:– Liitäntä– Bittien siirto– Siirtovirheiden korjaus– Datan reititys verkossa– Datan reititys verkossa.

• Ylemmät kerrokset muodostavat käyttäjätoimintoja:– Verkkovirheiden korjaus– Sanomien tahdistus– Esitysmuodoty– 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


Osi-mallin kerrokset


TCP/IP-malli

• Malli on rakentunut IP- ja TCP-protokollan ympärille. Se koostuu neljästä kerroksesta:

1. Liitäntä-,2. Verkko-,3. Kuljetus- ja4. Sovelluskerroksesta.

• Liitäntäkerrosta (Network Acces) ei ole standardissa määritelty.

• Standardi painottuu erityisesti verkko- kuljetuskerroksen toimintaan.

• Sovelluskerros sisältää kolme OSI-mallin ylintä kerrosta.


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• 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• SNMP,• DHCP, • SMTP/POP jaSMTP/POP ja• Telnet


Datavirran kapselointi OSI-mallissa• Sovelluksen tuottama data joudutaan siirtoa varten pilkkomaan pienempiin

osiin eli segmentoimaan.

• Kuljetuskerroksessa datablokista muodostetaan sopivan kokoisia• 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.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• Siirtoyhteyskerros muodostaa IP-paketista useimmiten Ethernet-kehyksen, joka sisältää lähde- ja kohde-laiteosoitteet (Mac).

• Fyysinen kerros siirtää kehyksen bitit kohteeseen.13.11.2013 Tietoliikenne ja verkot 39

OSI-malli


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– 802.3 CDMA/CD eli Ethernet– 802.11 Langattomat eli WLAN lähiverkot


IEEE 802.x LAN/MAN standardit


2. Perustekniikat• Signaali: Sähkömagneettinen värähtely, joka kuljettaa tietoa

kahden pisteen välillä• Taajuus: Signaalin värähdysten lukumäärä aikayksikössä, yksikkö hertsi j g y y , y

(Hz)

• Signaalin nopeus: kilometriä/s• 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/sOptisessa kuidussa n. 0.685 c 205.000 km/s

• Kohina: Häiritsevä signaali, joka on luonteeltaan satunnaista. Esimerkiksi terminen eli lämpökohina syntyy elektronienEsimerkiksi terminen eli lämpökohina syntyy elektronien satunnaisesta lämpöliikkeestä.

• Häiriö: Häiritsevä signaali, joka voi tulla myös jostakin toisesta laitteesta. T i l itt h öd lli i li i ii ll t i ll l itt ll


Toisen laitteen hyödyllinen signaali voi siis olla toiselle laitteelle häiriö.

Tietoliikenneyhteyden osat

Lähi/paikallis-

verkko

Lähi/paikallis-

verkko

Lähtöl it Mik f i id k t ö j• 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.

Televerkkojen rakenneosatTeletekniikan laitelajijako:

1. Siirtotie (eli media) ja siirtolaitteet2. Välityslaitteet eli puhelinkeskukset, kytkimet ja reitittimet3. Päätelaitteet eli puhelimet, työasemat ja palvelimet4. Muut laitejärjestelmät

– voimalaitteet– ilmastointi– laskentajärjestelmät– verkonhallintalaitteet


Tele- ja tietoverkkojen rakenne

Asiakkkaat C

usstomers


Tyypillinen televerkon rakenne


GSM-verkon rakenne (yksityiskohtiin palataan myöhemmin)• lähde: Wikipediap


Tietoliikenteen perustekniikat• Tietoliikennejärjestelmät siirtävät ja käsittelevät informaatiota (bittejä-tietoa) eri

tekniikoilla, joista keskeisimmät ovat:

1. Akustisen signaalin (äänen) muuttaminen sähköiseen muotoon ja päinvastoin

2. Kuvien ja erilaisten merkkien muuttaminen sähköiseen muotoon ja päinvastoin

3. Lisäksi tarvitaan:– signaalin vahvistustag– modulointia– muunnoksia digitaalisen ja analogisen signaalin välillä

kanavointia eli multipleksointia– kanavointia eli multipleksointia– signaalin siirtoa– digitaalisen informaation koodausta, pakkausta ja salausta


– kytkentä- ja reititystoimintoja

Tiedonsiirtoyhteyden keskeisiä käsitteitä• Analoginen informaatio• Digitaalinen informaatio

A l i /Di it li j Di it li/A l i• Analogia/Digitaali-muunnos ja Digitaali/Analogia-muunnos• Aikajakoinen kanavointi• Taajuusjakoinen kanavointiTaajuusjakoinen kanavointi• Aallonpituusjakoinen kanavointi• Johtokoodaus (ja myös muut mahdolliset koodaukset, kuten lähdekoodaus

eli tiedon tiivistäminen, siirtovirheitä paljastava tai korjaava koodaus sekä salauskoodaus)

• ModulaatioModulaatio• Radioyhteys• Kuparikaapeli• Valokuitukaapeli


Tiedonsiirtoyhteyden keskeisiä käsitteitä


2.2 Signaali ja häiriöt• Signaalin laatua heikentää siirtotiellä:

1 Sii t ti i1. Siirtotien vaimennus2. Kaistanleveys3. Viive, viiveen vaihtelu ja monitie-eteneminen3. Viive, viiveen vaihtelu ja monitie eteneminen4. Häiriöt

• kohina• ylikuuluminen• kaiku

ä ö• särö• huojunta • värinävärinä• heijastuminen• sähköverkon häiriöt


• Siirtotien aiheuttama vaimennus kumotaan välivahvistimissa tai toistimissa vahvistamalla signaali takaisin 0-tasolle.vahvistamalla signaali takaisin 0 tasolle.

• Analogisissa järjestelmissä siirtotien häiriöitä ( kohinaa) ei välivahvistimissa id i j ähi ll häi iöid h h ö i lii kvoida 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.


• Siirtonopeus eli bit/s riippuu suoraan käytetystä kaistaleveydestä B. Mitä i ii t k i t kä t ttä i ä itä i i f tisuurempi 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.g y

• Heijastukset voivat aiheuttaa monitie-etenemistä, jolloin signaali saapuu perille useana eriaikaisena kaikuna jotka häiritsevät toisiaan Tämä onperille useana eriaikaisena kaikuna, jotka häiritsevät toisiaan. Tämä on erityisen paha ongelma digitaalisissa radiojärjestelmissä.


Vaimennus• Signaalin vaimennus johtuu siirtotien aiheuttamasta tehohäviöstä

(esimerkiksi kaapeleissa) tai signaalin leviämisestä yhä laajemmalle alueelle (radiosignaalien tapauksessa).alueelle (radiosignaalien tapauksessa).

• Vaimennus ilmoitetaan logaritmisena teho- tai jännitesuhteena, jonka yksikkönä on desibeli (dB).

• Myös signaalin vahvistus ilmoitetaan desibeleissä.• Logaritmisen desibeli-asteikon etuja ovat:

1. Ihminen aistii äänenvoimakkuuden logaritmisesti.2. Vaimennuslaskut ovat helpoimpia desibeleinä, koska signaalin p p g

heikkeneminen kaapeleissa voidaan ilmoittaa yksiköllä dB/km.3. Vaimennuksia ja vahvistuksia voidaan laskea yhteen ja vähentää

tosistaan desibeleissä mikä todellisuudessa vastaa kerto- jatosistaan desibeleissä, mikä todellisuudessa vastaa kerto- ja jakolaskua.

4. Hyvin suurten ja pienten signaalitasojen käsittely yksinkertaistuu.


• Vaimennus kanavalla tai siirtotiellä on todellisuudessa eksponentiaalista ja äkkäi t k l id i k t itäi i k t k k ääperäkkäisten kaapeleiden vaimennukset pitäisi kertoa keskenään.

• Desibelejä käytettäessä vaimennus näyttääkin lineaariselta (siis kuvaaja on j y y ( jsuora) ja peräkkäisten kaapeleiden vaimennukset voi laskea yhteen.


Kohina• Kohinaa ( noise) aiheutuu tietoliikennejärjestelmissä sisäisesti tai sitä muodostuuKohinaa ( noise) aiheutuu tietoliikennejärjestelmissä sisäisesti tai sitä muodostuu

ulkopuolisista lähteistä.

M kittä i k hi ih tt il iö j ht i id l kt i j t i• 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:

P = kTB = E 2/(4R) jossa: P = kohinatehoPn = kTB = En2/(4R) jossa: Pn = kohinateho -23

k = Boltzmannin vakio1,35*10 J/KT = absoluuttinen lämpötilaB = kaistaleveys HzR = piirin resistanssiE = kohinajännite


En kohinajännite

Kohina ja signaali


• Kohinaetäisyyden pieneneminen analogisissa ja digitaalisissa järjestelmissä.


Ylikuuluminen• 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)

ImpedanssisovitusToisiinsa kytkettävien virtapiirien impedanssien tulee olla samansuuruisia eli• 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 sotkeelähiverkkokaapelin päähän laitettava päätevastus. Sen puuttuminen sotkee koko verkon toiminnan.


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. Tämänesimerkiksi siten, että eri viestit (signaalit) sijaitsevat eri taajuuksilla. Tämän asian ymmärtämiseksi meidän on nyt perehdyttävä seuraaviin käsitteisiin:

– Sinimuotoinen signaali– Taajuus

Ei sinimuotoiset signaalit– Ei-sinimuotoiset signaalit– Ei-sinimuotoisten signaalien esittäminen siniaaltojen summana– Kaistanleveysy– Siirtokapasiteetti eli bittinopeus


• Sinisignaalin amplitudi, taajuus ja jakso

f = 1/T f = taajuus (Hz),T = jakson aika (s)


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


Kun siniaaltoon lisätään kolminkertainen taajuus ä ää ä äsopivasti vaimennettuna, alkaa summa näyttää vähän

kanttiaallolta

• y = sin(t) + sin(3*t)/3


Kaistanleveys ja siirtokapasiteetti• Signaalin kaistanleveys tarkoittaa signaalin spektrin eli signaalin tarvitseman

taajuuskaistan leveyttä. (Kyseessä voi olla joko analoginen tai digitaalinen signaali.)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.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 leveämmänymmärrettävää, 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

Esimerkkejä signaaleista ja siirtokapasiteeteistasiirtokapasiteeteista

• Digitaalisia signaaleja– hidas datasiirto 300 – 64 kbit/s– nopea datasiirto n* 64 kbit/s (tarkoittaa kokonaisluku * 64)

n* 2Mbit/sn* 155 Mbit/

– Ethernet 10, 100, 1000 ja 10000 Mbit/sMP3 pakattu stereomusiikki 128 kbit/s– MP3-pakattu stereomusiikki 128 kbit/s

– CD-laatuinen stereomusiikki 1,4 Mbit/s– Digi-TV 8 Mbit/sg

• 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


– yhden puhekanavan siirtonopeus 64 kbit/s (lankapuhelinverkossa) tai 13 kbit/s (GSM-verkossa)

Kantataajuussiirto ja moduloitu siirto

• Langallisissa yhteyksissä on mahdollista varata koko siirtoyhteys yhdelle signaalille. Silloin on mahdollista siirtää signaali alkuperäisillä taajuuksillaan. Tätä kutsutaan kantataajuussiirroksiTätä 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.( y y )

• 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• 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 (Tämänuseita 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.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.


) y

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-Kiinaan voi olla laadultaan yhtä hyvä kuin paikallispuhelu Mikkelissä. CDlevyn kopiosta tehty kopio voi olla äänenlaadultaan aivan yhtä hyvä kuin alkuperäinen CD.

– Voidaan käyttää mikroprosessoreiden avulla toteutettavia kompressointi-Voidaan käyttää mikroprosessoreiden avulla toteutettavia kompressointieli tiivistysmenetelmiä. Ne mahdollistavat esimerkiksi sen, että digi-TV-ohjelmia mahtuu käytettävissä olevalle taajuuskaistalle enemmän kuin analogisesti lähetettyjä ohjelmia.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• 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


kaksijärjestelmä.

• Analogisella esitysmuodolla kuvataan siirtotiellä tai elektroniikassa suoraan jotain haluttua suuretta, esim. äänenpainetta tai lämpötilaa. Sähköinen signaali ja alkuperäinen ää i tt t i lä ötil k kä ä t k lt i i li l i iäänenpainetta 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 kaksibinäärimuotoon 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 p p g j ptapahtua virheitä.)


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• 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.mahdollista luotettavasti tunnistaa, mille tasolle signaali kuuluu.


Pulssikoodimodulaatio (PCM)• Pulssikoodimodulaatio on eräs menetelmä, jolla analoginen signaali voidaan

muuntaa digitaalimuotoon.• Tyypillisimpiä esimerkkejä PCM tekniikan sovelluksista ovat• Tyypillisimpiä esimerkkejä PCM-tekniikan sovelluksista ovat

– Digitaalinen lankapuhelinverkko PSTN (Public Switched Telephone Network)

– Digitaalinen monipalveluverkko ISDN (Integrated Services Digital Network)– CD-levyt

DAT ää it ll ti t– DAT-äänitallentimet– Tietokoneen .wav –äänitiedostot

• PCM-tekniikkaa sovelletaan näiden lisäksi monissa muissa digitaalisissaPCM 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 muokatamuokata.

• Videokuvan siirrossa PCM-tekniikkaa ei käytetä sellaisenaan ilman tiivistysmenetelmiä, koska siirrettäviä bittejä olisi niin paljon.


PCM-tekniikassa suoritetaan aluksi näytteenotto ja kvantisointi (eli pyöristys lähimpään kokonaislukuarvoon)( py y p )


Käytännön PCM-järjestelmiä• Lankapuhelinverkon PCM-yhteydet

– Koodeissa on 8 bittiä, jolloin eri signaalitasoja on 28 eli 256 kappaletta.Si li t t t 8000 ä t ttä k i j ll i k k i ii ttä ä– 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.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 tehokkaitasiirtojärjestelmiin. 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.

Puhelinverkon kehitys digitaaliseksi• Puhelinverkot perustuivat aluksi kaikilta osiltaan analogiseen siirtotekniikkaan.• 1970-luvulla otettiin käyttöön digitaalisia PCM-siirtolaitteita, jolloin

kaukopuhelujen laatu parani ratkaisevastikaukopuhelujen 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 kotikäyttäjälletilaajajohdonkin 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 lankapuhelinliittymistäänkokonaan 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.

tietoliikenne ja verkot 1-2 [yhteensopivuustila]janneku/t080104/sau14sns/tieli/1-2.pdf1. johdanto...

Documents