S-38.105 Tietoliikennetekniikan perusteet 5. luento 12.2.2004

Kertausta (ISO:n OSI-malli).
OSI:n 1 kerros: siirtomediat.
OSI:n 2. kerros: Lähiverkkoprotokollat.

Ensi kerralla:
OSI:n 3. ja 4. kerros: Internetin IP- ja TCP-protokollat.


---------------------------------------------------------------

Kiitos OH2TI:n iskuryhmälle radioamatööritoiminnan esittelemisestä
luennolla!

----------------------------------------------------------------


Kertausta
* OSI-malli
 - 7-kerroksinen referenssimalli
 - helpottaa keskenään yhteensopivien ohjelmistojen ja laitteiden 
   kehittämistä
* 1. kerros eli fyysinen kerros
 - siirtojohdot
 - bittien sähköinen esitystapa
 - siirtonopeus, synkronointi
* 2. kerros eli siirtoyhteyskerros
 - yhteyden muodostus kahden solmun välillä, fyysinen osoitteistus
 - vuonohjaus
 - virheenkorjaus
 - vuoronvarausmenettelyt (access control)

Avojohto
* eli eristämätön johdin
 - langalle kertyvä huurre muuttaa johdon sähköisiä ominaisuuksia
 - aluksi pelkkää terästä, myöhemmin kuparipäällysteistä terästä
* yksilankaiset avojohdot
 - paluujohtimena toimi maa -> epäsymmetrinen, herkkä häiriöille
 - ensimmäisissä puhelinverkoissa
* avojohdinparit (kaksoisjohto)
 - lisättiin toinen johto paluujohtimeksi
 - yhteyksien laatu parani, mutta edelleen ongelmia
	- resistanssi: signaalin teho muuttui lämmöksi
	- kapasitanssi: signaali oikaisee eikä saavuta vastapäätä
	- johtimen magneettikenttä indusoi virran viereisessä johtimessa
	  -> ylikuuluminen -> ongelma vähini johtimien vuorottelulla

Kaapeli
* useita eristettyjä johtimia kääritään saman vaipan sisälle
 - voidaan sijoittaa vapaammin kuin avojohto, esim. maan alle
 - mahdollisuus lisätä vaippaan häiriösuojaus
* kierretty parikaapeli
 - kaksi toistensa ympäri kierrettyä eristettyä johdinta, ympärillä muovivaippa
 - kiertäminen vähentää ulkoisten häiriöiden vaikutusta
 - puhelinjohdot, kaiutinkaapelit, lähiverkot
* koaksiaalikaapeli
 - kaksi eristettyä johdinta sisäkkäin
 - antennikaapeli, lähiverkkokaapeli (Ethernet)

Valokuitu
* materiaali kvartsilasia (SiO2) tai muovia
 - idea keksittiin 1966, ensimmäiset kuidut valmistettiin 1970
 - esiintyy luonnossa Euplectella-syvänmerensienen runko-rakenteissa
   (löydetty v. 2003) -> erinomainen laatu
* siirrettävä signaali valoa
 - sähköinen signaali muutetaan valoksi LED- tai laserlähettimillä
 - valo pysyy kuidun sisällä kokonaisheijastuksen avulla kuoren ja 
   ytimen välillä oltava riittävän suuri taitekerroinero
 - numeerinen aukko: valonsäteen suurin tulokulma, jolla valonsäde 
   lähtee etenemään kuidun ytimessä
 - valo "hajaantuu" kuidussa (dispersio)
 - kuidun taitekerroinprofiilin ja siitä seuraavan valon etenemis-
   tavan mukaan kuidut jaetaan eri tyyppeihin


Valokuidun rajoitukset
* kaistanleveyttä rajoittaa lähinnä dispersio
* siirtoetäisyyttä rajoittaa vaimennus
 - vaimennus riippuu aallonpituudesta ja yleisesti ottaen pienenee 
   aallonpituuden kasvaessa (huom. 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

Kuitutyypit
* yksimuotokuitu
 - ytimen ja kuoren välinen taitekerroin ja ytimen pieni halkaisija 
   sallivat vain yhden muodon etenemisen
 - ei dispersiota, pienin vaimennus
* monimuotokuidut
 - askeltaitekertoiminen kuitu
 - 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


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 -> kallis hinta
 - asennus ja ylläpito haastavaa 
 - herkästi rikkoontuvaa kuparijohtoihin verrattuna


Vapaan tilan edut ja rajoitukset 
* 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)

Sarja- ja rinnakkaissiirto
* sarjamuotoinen siirto
 - bitit siirretään yhtä johtoa pitkin ajallisesti peräkkäin
 - yksi johto riittää: taloudellinen pitkillä siirtoetäisyyksillä
* rinnakkaismuotoinen siirto
 - siirretään yhden tavun kaikki bitit samanaikaisesti, kukin omalla johdollaan
 - nopea, mutta pitemmillä matkoilla kallis ratkaisu
 - suuri tiedonsiirtotarve, lyhyt etäisyys -> esim. printterikaapelit, 
   tietokoneen sisäiset väylät
 - tahdistus


OSI:n 2. kerros: siirtoyhteyskerros
* ratkaistava OSI:n 2. kerroksella
 - yhteyden muodostus kahden solmun välillä
 - fyysinen osoitteistus
 - vuonohjaus
 - virheiden käsittely
 - vuoronvarausmenettelyt (access control)
* todellisuudessa verkkototeutukset eivät noudata OSI-jakoa 
  kirjaimellisesti
* samoja tehtäviä (kuten virheenkorjausta ja vuonohjausta) tehdään 
  myös muilla kerroksilla (tästä lisää ensi kerralla)

Vuonohjaus (engl. 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)


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


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
	- pariteettitarkistus
	- tarkistussumma
* virheenkorjaus (engl. error correction)
 - pyritään sisällyttämään viesteihin niin paljon toistoa, että 
   virheelliset bitit voidaan paitsi havaita myös korjata


Vuoronvarausmenettelyt
* 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

Kilpavarausperiaate
* CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) -algoritmi
 - sopii verkkoon, jossa asemat joutuvat kilpailemaan yhteisestä 
   siirtotiestä (esim. radiotie, väyläverkko)
 - kilpavarausperiaate tasa-arvoinen: kaikilla asemilla yhtä hyvä tai 
   huono todennäköisyys saada lähetysvuoro
 - liikenteen määrän kasvaessa kasvaa todennäköisyys, että kaksi 
   asemaa yrittää lähettää yhtä aikaa -> verkon välityskyky pienenee 
   (Ethernet-verkossa noin 0,4*verkon siirtonopeus)
 - käytetään mm. Ethernetissä (perusmuodossa väylätopologia) (IEEE 802.3)

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