T-110.1100 Johdatus tietoliikenteeseen ja multimediatekniikkaan
kevät 2014
Linkkikerros, Puhelinverkko
Jyry Suvilehto
Luennon sisältö
1. Kertausta 2. Linkkikerros 3. Televerkko 4. GSM-verkko
Osa luennosta perustuu Tuomas Auran, Timo Kiravuon ja Jouni Karvon opetusmateriaaliin
Osa kaavioiden kuvista Public Domainia openclipart.orgin käyttäjiltä ARTMAN ja
Tarina tähän asti
Sovelluskerros
Middleware: HTTP, SSL, XML...
Siirtokerros: TCP, UDP,...
IPv4, IPv6
Linkkikerros: Ethernet,
WLAN, GPRS ...
TCP/IP-protokollapino
Sovelluskerros
Middleware: HTTP, SSL, XML...
Siirtokerros: TCP, UDP, ...
Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet,
WLAN, GPRS ...
Tiedonsiirto yhden linkin yli Tiedonsiirto päästä päähän, Internetin yli (end to end)
Asiakas/palvelin- sovellukset ja monenväliset
palveluarkkitehtuurit
Nimiavaruudet
IP-osoite ja porttinumero IP-osoite
MAC-osoite
Sähköpostiosoite, URL, DNS-nimi, jne.
Sovelluskerros
Middleware: HTTP, SSL, XML...
Siirtokerros: TCP, UDP, ...
Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet,
WLAN, GPRS ...
Linkkikerros
Sovelluskerros
Middleware: HTTP, SSL, XML...
Siirtokerros: TCP, UDP,...
IPv4, IPv6
Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS ...
Laiteajurirajapinta Socket API
Viime viikolla
Runkoverkko
Autonominen Järjestelmä (AS)
AS Verkkokerros yhdistää
paikalliset lähiverkot Internetiksi
Internetiin liitetyillä koneilla on IP-osoite, jonka perusteella paketit reititetään
IP-osoitteet jaetaan
aliverkkoihin
Tällä viikolla
§ Linkkikerros tarjoaa tiedonsiirtoa yhden fyysisen tai loogisen linkin yli
§ Ei yksimielisyyttä siitä, kuuluuko fyysinen datan siirto TCP/IP-
protokollapinoon
§ Kilpailevassa OSI- mallissa erikseen looginen linkki ja fyysinen linkki
– Looginen = ”miltä se näyttää käyttäjästä”
– Fyysinen = ” miten
piuhat on vedetty”
Viestin rakenne tähän asti
§ Jokainen protokollataso kuljettaa tiimalasimallissa ylempien protokollien otsake- ja muita tietoja
§ Jokainen voitaisiin rakentaa vastaavaa palvelua tarjoavan toisen protokollan päälle
– http://tools.ietf.org/html/rfc1149
Verkkokerros Kuljetuskerros Sovelluskerros Varsinainen data
IP-otsakkeet TCP/UDP HTTP, SMTP, VoIP, tjms protokolla luotettavan tavuvirran tai
datagrammiyhteyden päällä
Esim. Html-sivu, sähköpostiviesti
Viesti tällä viikolla
§ Linkkikerros lisää monipuolisuutta monotonisen IP:n alapuolelle
– Ethernet – Wlan – DSL – ISDN – Etc.
§ Tiimalasimallin toinen leveä kohta
Linkkikerro s
Verkkokerr os
Kuljetuske rros
Sovelluskerros Varsnia inen data
Linkkik erros Ethernet-
kehys, tjms
IP-
datagrammi
TCP/UDP- paketti/
datagrammi
HTML, SMTP, jne protokollan otsakkeet
Esim.
Html- sivu, sähköpo stiviesti
Tarkistu ssumma (joskus)
Overhead
§ Jokainen tietoliikenneprotokolla aiheuttaa overheadia (suom. yleiskustannus)
§ Overheadia voi olla yllättävän paljon (mahdollinen rästitehtävä)
§ Toisaalta overhead on välttämätöntä
Linkkikerro s
Verkkokerr os
Kuljetuske rros
Sovelluskerros Varsnia inen data
Linkkik erros Ethernet-
kehys
IP-
datagrammi
TCP/UDP- paketti/
datagrammi
HTML, SMTP, jne protokollan otsakkeet
Esim.
Html- sivu, sähköpo stiviesti
Tarkistu ssumma
Yhteys
§ Kahden laitteen välinen yhteys voi olla
– Simplex: yksisuuntainen. Kaksisuuntaiseen kommunikaatioon tarvitaan 2 simplex-linkkiä.
– Half-Duplex: kaksisuuntainen, mutta vain toinen osapuoli voi puhua kerrallaan
– Full-Duplex: samanaikainen kaksisuuntainen
§ Full-Duplex-yhteyden voi rakentaa vain kahden pisteen välille
– N noodin yhdistämiseen " ( " −1) / 2 yhteyttä
– Yleensä käytetään kytkimiä, toistimia tai muita
Verkkotopologioita
Rengas
Väylä Tähti
Yleisiä verkkotopologioita
§ Johdinverkot ovat rakenteeltaan joko renkaita, tähtiä, väyliä tai edellisten hybridejä
§ Rakenteet käytössä kaikessa tiedon siirtämisessä
– Väylä on yleinen tietokoneiden sisällä
– Ns. Network on a Chip (NOC) –tyyppiset
tietokoneet kuuma tutkimusaihe
§ Verkkotopologia voi olla erilainen fyysisesti ja loogisesti
– Esimerkiksi keskittimellä toteutettu ethernet on fyysisesti tähti, loogisesti väylä
– Fyysinen: miten johdot on kytketty
– Looginen: miltä verkko näyttää laitteiden
mielestä
Hub/Switch
§ Hub eli keskitin lähettää saamansa kehykset
kaikkiin suuntiin
§ Switch eli kytkin
lähettää saamansa
kehykset vain oikeaan suuntaan
Lähettäjä Lähettäjä
Vastaanottaja Vastaanottaja
Hub/Switch
§ Hub on tyhmä toistin
– Halpa
– Puhelias (kaikki menee kaikille) – Ruuhkautuu helposti (törmäyksiä) – Ei kauheasti enää
§ Switch on fiksumpi
– Kalliimpi, pitää muistaa missä mikäkin kone on
– Ei tarpeettoman puhelias
Router
§ Reititin on laite, joka on kiinni kahdessa eri verkossa
§ Verkot voivat olla fyysisesti erilaisia (esim. ADSL ja
Ethernet, WLAN ja Ethernet)
§ Reititin siirtää viestejä verkosta toiseen
Lähettäjä Vastaanottaja
Ethernet
§ Yleisin lähiverkoissa (Local Area Network, LAN) käytetty teknologia
§ IEEE 802.3
§ Loogisesti väylä
§ Vain yksi laite voi lähettää väylälle kerrallaan
§ Laitteet eivät tiedä koska muut haluavat lähettää
§ Erillinen protokolla määrittelee miten
toimitaan
Ethernet-kehys
§ Ethernet-kehys rikkoo kerrosmallia, koska se on kiinnostunut päälläolevasta
protokollasta
§ Toisaalta, Ethernetin päälle voidaan rakentaa muitakin kuin IP-verkkoja
– Saman fyysisen verkon kautta voidaan välittää useamman pakettikytkentäisen verkon sisältöä
Lähettäjä Kohde Kehystetty protokolla
Data CRC-
tarkastussum ma
00:26:82:16:df:04 ff:ff:ff:ff:ff:ff 0x0800 (IP) ... 1234
Media Access Control
§ MAC-osoite määrittää yksikäsitteisesti väylän varrella olevan laitteen
– Uniikki koko maailmassa
– Jokaisella verkkolaitteella (BT, Wlan, whatnot) – Esim. 00-FF-3A-D0-C9-18
– Tunnetaan myös nimellä Physical Address
§ Carrier Sense Multiple Access With
Collision Detection (CSMA/CD)-protokolla
määrittelee miten Ethernet-verkkoon saa
lähettää
CSMA/CD
Token Ring
§ Ennen Ethernetiä käytettiin yleisesti token ring –lähiverkkoprotokollaa
§ Kun kukaan ei lähetä varsinaista dataa, erityistä Token-kehystä lähetetään
vuorotellen kaikille laitteille
– Laite saa lähettää vain silloin kun se on saanut Token-kehyksen eikä ole vielä vastannut
– Laite ilmaisee olevansa valmis lähettämällä
Token-kehyksen
WLAN
§ IEEE 802.11 –perheen protokollat
määrittelevät langattoman lähiverkon
§ Radioaallot eroavat olennaisesti johtimesta
§ Monotonisuuden rikkova tuotemainos
– http://www.thinkgeek.com/tshirts-apparel/
interactive/bd12/
§ ns. Hidden node –ongelma
§ Infrastructure mode kun on tukiasema (Access Point)
§ Ad Hoc mode kun halutaan yhdistää ilman
AP:tä (harvoin käytössä)
CSMA/CA
§ Hidden node –ongelman takia
langattoman verkon noodit eivät voi toimia kuten Ethernetissä
§ Ratkaisuna jokainen pyytää vuorollaan
access pointilta lupaa lähettää
WPA/WEP
§ Wlan on ohjaamaton media
– Kuka tahansa voi kuunnella
§ Salausta tarvitaan
§ WEP (Wired-Equivalent Privacy) vanha, viallinen ratkaisu
§ WPA (Wi-Fi Protected Access) parempi, ei vieläkään täydellinen
§ Yksityiskäyttäjille jaettu salaisuus
§ Monimutkaisemmissa konteksteissa erillinen autentikaatio
– eduroam
DHCP
§ Dynamic Host Control Protocol
mahdollistaa verkkoon liitetyn koneen osoitteen automaattisen määrittämisen
– Pitää olla osoitteita tarjoava palvelin
§ Liitetty kone huutaa linkkikerroksen broadcast-osoitteeseen ja kysyy,
haluaisiko joku antaa IP-osoitteen
§ Osoitteen mukana usein tulee mm. verkon koko (netmask), oletusreititin, DNS-
nimipalvelimien osoitteita
DHCP - ongelmia
§ Verkossa voi olla monta DHCP-palvelinta, keneen luottaa?
– Tietoturvaongelma esim. lentokentillä – Ärsyttävää Teekkarikylän verkossa
§ DHCP:n jakamat osoitteet (usein) vaikeasti ennustettavissa
– DHCP:llä IP:n saaneen koneen on vaikea olla asiakas-palvelin mallin palvelin
– Jaetut osoitteet usein yksityisissä IP-avaruuksissa (NAT), porttien edelleenohjaus ja reiät
palomuuriin iso ongelma
• Vaikeahkoa olla peer p2p-protokollissa
– Osittain ratkennut UPnP:llä, suurimmalta osalta ei
ARP
§ Address Resolution Protocol (ARP) auttaa verkossa olevaa laitetta löytämään IP-
osoitetta vastaavan MAC-osoitteen
§ Mikäli kohde ei ole samassa verkossa
(kone tietää netmaskin), lähettäjä lähettää IP-datagrammin oletusreitittimelle, joka
huolehtii sen eteenpäin
Tyypillinen kotiverkko
Kuluttajalaitteissa usein yhdistetään useamman osan toiminnot. Kaikki toiminnallisuudet voi saada yhdessä laitteessa
TELEVERKKO
Intro
§ Televerkko oli aikaisemmin maailman suurin tekninen rakenne
– Ehkä vieläkin, miten koko mitataan?
– Miten laite määritellään?
§ Puhelinverkko on yli 100 vuotta vanha rakennelma
– Tarkkaan kansainvälisesti standardoitu (ITU, International Telecommunications Union)
§ Suunnittelu eri lähtökohdista kuin Internet
– Laskutus
– Jatkuva yhteys
§ PSTN = Public Switched Telephone Network
Toimintaperiaate
§ Puhelinverkko on piirikytkentäinen
– Puhelun päiden välille
muodostetaan jatkuvasti auki pidettävä yhteys
– Aikaisemminen piiri oli fyysinen
• Kaksi simplex-yhteyttä mikrofonista kaiuttimeen
– Nykyään looginen piiri
§ Puhe pakataan 64kbps bittivirraksi
§ Verkko ylläpitää piiriä koko
Sentraalisantra kytkee piirin
MIKÄ ON MAAILMAN SUURIN
LAITE?
Piiri vs. pakettikytkentäisyys
§ Puhelinverkko on päätelaitteille piirikytkentäinen verkko
– Yhteys mikrofonista kaiuttimeen ja toisin päin
§ Internet on pakettikytkentäinen verkko
– TCP luo yhteyden illuusion IP-pakettien reitityksen päälle
§ Onko looginen piiri enemmän yksi koje kuin keskenään paketteja välittävät
laitteet?
Verkon rakenne
§ Pisteiden välille rakennetaan linkkejä kaapelilla tai kuidulla
§ Kuljetuskerros tarjoaa kiinteän kapasiteetin virtuaalisia piirikytkentöjä pisteiden välillä
§ Piirit luodaan kytkemällä linkkejä yhteen
– Huom. Ei reitittämällä!
§ Piirin yli voidaan siirtää puhedataa tai muuta dataa (verkko on digitaalinen asiakkaan
päätettä lukuunottamatta)
§ Piirien kytkemistä ohjataan erillisellä
viestiverkolla (SS7)
Päätelaite
§ (Lanka)puhelinverkon päätelaite on analoginen puhelin, joka on hyvin yksinkertainen laite
– Mikrofoni, kuuloke, valitsin, soittokello, luurin kytkin
§ On yhteydessä puhelinkeskukseen tai keskittimeen yhdellä parikaapelilla
– Parikaapelin kaksisuuntainen käyttö aiheuttaa kaikua, jonka poistamista varten keskuksen päässä on kaiunpoistopiiri
§ Numerovalinta pulsseina tai kaksitaajuisena
äänisignaalina
Analoginen tilaajaverkko
§ Asiakkaalta tuleva/menevä signaali on analogista
§ Asiakkaan ja puhelinkeskuksen välillä on usein keskitin (concentrator) tai sama
toiminnallisuus on puhelinkeskuksessa
– Keskittimessä on A/D ja D/A -muunnin kullekin tilaajajohdolle
• A/D ja D/A myöhemmin kurssilla
– Keskittimelle saakka tilaajalta tulee kuparipari
• Kuparipareista muodostuu suuria satojen parien
kaapelikimppuja, joiden käsittely on vaikeata, jotka ovat kalliita ja joissa tapahtuu ylikuulumista (crosstalk)
• Keskittimessä voidaan kanavoida (multipleksata,
multiplexing) useita asiakaspuheluita yhteen optiseen
kuituun, kuparipariin tai koaksaalikaapeliin
Puheen PCM-koodaus
§ Analoginen äänisignaali muunnetaan digitaaliseksi ottamalla siitä 8000 näytettä sekunnissa ja
koodaamalla ne 8-bittiseksi dataksi PCM- koodauksella (Pulse Code Modulation)
– Puhe suodatetaan ensin 4 kHz kaistalle
– Yksi puhelu on siis siis 64 kb/s tietovirta kumpaankin suuntaan
– Koodaus tehdään puhelinkeskuksessa tai keskittimessä
– Kvantisointi ei ole lineaarinen vaan pyrkii seuraamaan puhesignaalille tyypillisiä ominaisuuksia
– Tästä tarkemmin seuraavalla luennolla
§ Tästä eteenpäin puhelinverkko on nykyään
digitaalinen
Kanavointi
Kanavointi
§ Kanavointia (multiplexing) käytetään mm.
puhelintekniikassa usean tietovirran siirtämiseksi yhtä fyysistä siirtokanavaa pitkin
§ Yleisimmät tekniikat ovat:
– Aikajakokanavointi TDM (Time Division Multiplexing)
• Signaalit lähetetään peräkkäin (vähän kuin paketit yksi kerrallaan)
– Taajuusjakokanavointi FDM (Frequency Division Multiplexing)
• Kantoaaltoa moduloidaan usealla eri taajuudella
– Aallonpituuskanavointi WDM (Wavelength Division Multiplexing)
• FDM valosignaalille
– Koodikanavointi CDM (Code Division Multiplexing)
• Lähetetään eri aikaan eri taajuuksilla, vastaanottaja tietää hyppyjen koodin
Yhdistäminen ja SS7
§ Miten yhdistetään puhelinkeskuksia
– Puhe kulkee multipleksattuna isoissa linjoissa – Lisäksi tarvitaan tieto siitä, minne tuleva yhteys
yhdistetään
§ Ensi alkuun kaukopuhelut olivat käsivälitteisiä
§ Sitten käytettiin in-band merkinantoa keskuksien välillä
– Tieto puhelinnumerosta johon puhelu on yhdistettävä siirrettiin äänitaajuuskoodeina samaa linjaa pitkin kuin puhelu
– Johti huomattaviin väärinkäytöksiin (phreaking)
§ Nykyään puhelinverkon yhteydessä on eriytetty merkinanto (out-of-band signaling) ja puheensiirto
– Käyttäjätaso ja ohjaustaso erillään
Signaling System 7
§ Signaling System 7 (SS7) on reitityspohjainen pakettiverkko joka toimii puhelinverkossa
§ Ei kuljeta puhetta (eli ei voi soittamalla päästä käsiksi)
§ Erikoistunut puhelun yhdistämiseen tarkoitettujen viestien lähettämiseen
§ SS7 määrittelee oman protokollapinonsa TCP/IP:n tapaan
– Huomattavasti monimutkaisempi
– Enemmän taattuja asioita eri osapuolille
§ Puhelun tila voi olla joko valmisteltu, soi, puhuu,
yhteys katkaistu
Call Detail Record
§ Jokaisesta puhelusta tallentuu tietue laskutusta varten
§ Tämä nk. Call Detail Record (CDR) sisältää tietoja, kuten:
– Soitettu / otettu vastaan / siirretty
– Peruspalvelu: puhe / data / fax / SMS – Lisäpalvelut
– Älyverkon liipaisin
– Tapahtuman aika ja kesto – A-tilaajan laskutustunniste – B-tilaajan tunniste, C-tilaaja
§ Tiedot ovat usein laitevalmistajan omassa formaatissa
§ Laskua muodostaessa eri paikoissa olevat tiedot
1. Yhtenäistetään samaan muotoon 2. Hinnoitellaan
3. Yhdistellään laskuksi
4. Lähetetään asiakkaalle
MATKAPUHELINVERKOT
Historia
ARP NMT
GSM (2G) 1993
GPRS (2.5G) 2001
3G 1999
LTE 2009
Analoginen Digitaalinen
Suurempi tiedonsiirtonopeus
Paikallisista globaaleihin standardeihin
Jo muinaiset suomalaiset
§ Ensimmäisen sukupolven analogisten matkapuhelimien menestys osoitti tarpeen mobiilille viestinnälle
– ARP (AutoRadioPuhelin) Suomessa
– NMT (Nordic Mobile Telephone) Pohjoismaissa
§ Tältä pohjalta kehitettiin digitaalinen toinen sukupolvi (2G)
– Erillinen kehitys Euroopassa ja USA:ssa 1980-luvulla
§ Eurooppalaisen kehityksen tulos oli GSM
– Global System for Mobile Communications – Otettiin käyttöön 1990-luvulla
– Tärkeimmät palvelut:
• Ääni, 3,1 kHz
• Data, 9,6 kb/s
• SMS-tekstiviestit
Mobiiliverkon periaate
§ Maantieteellisesti laajalle alueelle halutaan kattava langaton viestintäpalvelu
– Viestimen on pystyttävä liikkumaan ja viestimään samanaikaisesti
§ Alue jaetaan soluihin, joihin asennetaan solun kattava lähetin-vastaanotin
§ Käytössä oleva taajuusalue jaetaan solujen kesken siten, että samaa taajuutta ei käytetä vierekkäisissä soluissa
§ Viestimen siirtyessä solun alueelta toiselle,
verkko havaitsee tämän ja ohjaa viestimen
vaihtamaan käyttämäänsä taajuutta
radiopuhe- linkeskus (MSC)
Julkinen
puhelinverkko
&
Internet
radiopuhe- linkeskus (MSC)
Soluverkon arkkitehtuuri
q kytkee solut tietoliikenneverkkoon
q hallinnoi puhelun muodostusta
q hallinnoi tilaajan liikkumista
MSC
q kattaa
maantieteellisen alueen
q tukiasema useita lähetin-vastaanottimia
q mobiilikäyttäjä radioyhteydessä tukiasemaan
q ilmarajapinta:
fyysisen ja
linkkikerroksen protokolla
Solu
Todellinen kattavuusalue (riippuu mm.
maastonmuodoista, antennien suuntauksesta, lähetystehosta)
Ideaalisesti kuusikulmioita
cell
GSM: soluverkko
– Alue jaetaan soluihin. Kullakin solulla oma taajuus
– Perustekniikka on käyttää eri taajuuksia vierekkäisissä soluissa ja uudelleenkäyttää taajuudet kauempana
– Solukoot vaihtelevat: 50 m - 35 km
• Pikosoluja rakennuksien sisällä, mikrosoluja esim. yhtä katua varten, makrosoluja harvaan asutuilla alueilla
– Koska radioverkon rakentaminen maksaa, kyseessä on optimointiongelma
• Rajallinen määrä taajuuksia käytettävissä
• Kattava verkkopeitto kaikkialle
• Riittävä kapasiteetti
Esimerkki tukiasemien peittoalueista
GSM
matkaviestin (mobile station, MS),
Subscriber Identity
Module-kortti
tukiasema (BTS)
Base
transceiver system
tukiase- maohjain (BSC) Base Station Controller
radiopuhe- linkeskus (MSC)
Mobile Switching Center,
vierailijare- kisteri (VLR)
kotirekisteri (HLR)
Home Location kauttakulku- MSC
PSTN tukiasemajärjestelmä (BSS)
Base Station Subsystem keskusjärjestelmä (NSS)
Network and Switching Subsystem
Matkaviestin (MS)
§ Mobile Station (MS)
§ MS koostuu kahdesta osasta
§ Matkaviestinlaite, Mobile Equipment (ME)
– Radiolähetin-vastaanotin – Käyttöliittymä
– Muistia ja tietojenkäsittelykapasiteettia
merkinantoon, salaukseen tekstiviesteihin jne.
§ Liittymätunnistekortti, Subscriber Identity Module (SIM)
– Toimikortti, eli oma keskusyksikkö ja muisti
– Sisältää tunnistetiedot AuC:lle tunnistautumista
varten
Tukiasemajärjestelmä (BSS)
§ Base Station Subsystem (BSS)
§ Tukiasemajärjestelmä sisältää mobiiliverkon radiorajapintaan ja liikkuvuuteen liittyvät toiminnot
§ Tukiasemaohjain, Base Station Controller (BSC) ohjaa alaistensa lähettimien toimintaa halliten verkkoa
– Allokoi radioverkon aikavälit – Hallitsee tukiasemanvaihtoja
– Ilmoittaa MSC/VLR:lle aluellaan olevista matkaviestimistä – Ei tiedä viestimen tarkkaa sijaintia ennen kuin sitä tarvitaan
§ Tukiasema, Base Transceiver Station (BTS)
– Ohjaa lähetin-vastaanottimia, joita voi olla useita
– Kukin lähetin-vastaanotin käyttää yhtä taajuutta ja kahdeksaa aikaväliä
– Tukiasemassa voi olla enintään kuusi taajuutta, joten solun maksimikapasiteetti on 45 puhelua (3 aikaväliä varataan merkinantoon)
§ Transcoding Rate and Adaptation Unit (TRAU) koodaa puhelinverkon 64 kb/
s PCM-koodatun puhevirran 13 kb/s virraksi
Keskusjärjestelmä (NSS)
§ Network and Switching Subsystem (NSS)
§ Rakentuu perinteisen puhelintekniikan varaan
– SS7-merkinanto, älyverkon palvelut ja ISDN-digitaalitekniikka
§ Radiopuhelinkeskus, Mobile Switching Center (MSC)
– Verkossa on yksi tai useampia MSC:tä
– ISDN-puhelinkeskus laajennettuna matkaviestintään – Vierailijarekisteri, Visitor Location Register (VLR)
• MSC:n yhteyteen liitetty tietokanta, jossa ylläpidetään tietoa MSC:n alueella olevien viestimien sijainnista BSC:n tarkkuudella
§ Kauttakulku-MSC, Gateway Mobile Switching Center (GMSC)
– Liittää järjestelmän muuhun puhelinverkkoon
§ Kotirekisteri, Home Location Register (HLR)
– Tilaajakohtaiset tiedot palveluiden toteuttamiseen, kuten
• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
• MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number)
– Sekä Location Area Code, joka kertoo minkä MSC:n alaisuudessa viestin on
§ Tunnistuskeskus Authentication Center (AuC) HLR:n yhteydessä sisältää asiakkaan todentamiseen tarvittavan tiedon
§ Laitteiden tunnistusrekisteri, Equipment Identity Register (EIR)
– Esim. International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) -koodeja varastettujen laitteiden sulkulistaa varten
GSM:n arkkitehtuuri
tukiasema
(BTS) tukiase- maohjain (BSC)
radiopuhe- linkeskus (MSC), vierailijare- kisteri (VLR)
kotirekisteri kauttakulku- MSC
PSTN
lähetin
GSM-verkon rakenne
§ Verkko koostuu useista osista, joilla on oma tehtävänsä
– Osien tehtävät on määritelty tarkasti, jotta eri valmistajien komponentteja voidaan yhdistellä – Osien välillä on määritellyt rajapinnat, eli sovitut
protokollat
§ Rakenne on huomattavasti monimutkaisempi kuin esim. Internetin arkkitehtuuri
– Piirikytkentäisyys
– Käytön maksullisuus
– Luotettavuus ja varmuus
§ Verkko on suunniteltu kymmenien vuosien
investointisyklejä varten ja siihen voidaan
lisätä uusia ominiasuuksia
Sijainnin päivitys
§ Mobiiliverkon olennainen osa on liikkuvuuden hallinta
§ Solut ovat limittäin ja tyypillisesti viestin voi havaita useita tukiasemia (BTS)
– Tukiasemat lähettävät niitä ohjaavan tukiasemaohjaimen (BSC) tunnistetta
§ Kun matkaviestin ei ole käytössä, mutta on päällä, se seuraa tunnisteita
§ Kun viestin havaitsee BSC:n tunnisteen muuttuvan, se pyytää uudelta BSC:ltä sijainnin päivitystä
§ BSC välittää MSC:lle tiedon viestimen siirtymisestä sen alueelle
§ MSC tallettaa vierailijarekisteriin (VLR) tiedon viestimen sijainnista ja lähettää myös tiedon vanhalle BSC:lle
§ Näin verkko on tietoinen viestimen summittaisesta sijainnista
– Kompromissiratkaisu
Tukiasemanvaihto (handover)
§ Puhelun ollessa käynnissä sijainnin päivittäminen on vaativampaa
§ Yhden tukiasemaohjaimen (BSC) alueella BSC hallitsee radiorajapinnan ja seuraa viestimen liikkumista
§ Kun tukiaseman vaihtaminen tulee aiheelliseksi, BSC varaa uudelta tukiasemalta kanavan (taajuus ja aikaväli) ja lähettää viestimelle käskyn siirtyä
uudelle kanavalle
§ Tätä kutsutaan kovaksi vaihdoksi (hard handover)
– Pehmeässä vaihdossa viestinlaite olisi yhteydessä useampaan tukiasemaan samanaikaisesti (vaatii monimutkaisemman radion viestimessä)
§ MSC hoitaa vaihdon BSC:n alueelta toiselle
Roaming
§ Viestin voi käyttää myös muiden
operaattorien verkkoja, mikäli operaattorit ovat sopineet tästä
§ Tunnistus välitetään SIM-kortilta korttia
vastaavan operaattorin AuC:lle
Liikkuvuuden hallinta
§ kotiverkko: oman mobiilioperaattori verkko (esim. Elisa, Sonera)
– Kotirekisteri (home location register (HLR)):
oman operaattorin tietokanta, joka sisältää puhelinnumeron, profiilitietoa (palvelut,
preferenssit, laskutus), tiedon nykyisestä paikasta (voi olla toinen verkko)
§ vierailuverkko: verkko jossa puhelin tällä hetkellä on (voi olla esim.ulkomaisen operaattorin verkko mutta myös oma kotiverkko)
– Vierailijarekisteri (visitor location register
(VLR)): tietokanta, jossa tieto jokaisesta
laitteesta, joka on tällä hetkellä verkossa
Puhelun välitys matkaviestimeen
§ Kun perinteisestä puhelinverkosta soitetaan
matkapuhelimeen, puhelu saapuu ensin GMSC:lle
§ GMSC kysyy HLR:ltä minkä keskuksen alueella puhelin on ja puhelin ohjataan tälle MSC:lle
§ MSC kysyy VLR:ltä minkä BSC:n alueella puhelin on
§ BSC lähettää hakuviestin tukiasemilleen ja pyytää puhelinta ilmoittautumaan
§ Puhelimen vastatessa sen sijainti tiedetään
(tukiaseman lähettimen tarkkuudella) ja puhelu
voidaan yhdistää
GSM-data
§ Ensimmäisessä vaiheessa GSM-verkkoon määriteltiin myös digitaalinen
piirikytkentäinen tiedonsiirto
– Käyttää yhden aikavälin kuten puhelu – 9,6 tai 14,4 kb/s
– Aikaperusteinen laskutus
– Yleensä päätyy modeemin kautta puhelinverkkoon
§ High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) hyödyntää useampia aikavälejä
– 57,6 kb/s saakka
§ Pakettidata on ohittanut GSM-datan
GPRS
§ GPRS on GSM:n laajennus
– "2,5 G"
§ Vapaita aikavälejä käytetään pakettidatan välittämiseen
– Siirtokapasiteetti riippuu puhelinliikenteestä – Teoreettinen maksimikapasiteetti on 171,2 kb/s
• Käytännössä 10-40 kb/s
§ Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) nostaa siirtokapasiteettia
– "2,9 G"
– Jopa 348 kb/s
– Vaatii EDGE:ä tukevan laitteiston BTS:ään ja viestimeen, sekä ohjelmistopäivityksen BSC:hen
– Yhteen aikaväliin koodataan enemmän dataa kuin tavallisessa GPRS:ssä
GPRS
§ SGSN = Serving GPRS Support Node (SGSN) on reititin
§ Tunnistaa viestimen ja seuraa sen sijaintia
§ Gateway GPRS Support Node (GGSN)
§ Välittää liikenteen muihin
MS BTS BSC
MSC,
VLR HLR
GMSC
PSTN tukiasemajärjestelmä
keskusjärjestelmä
Internet
EDGE
§ Enhanced Data rate for Global Evolution
§ <= 384 kbps
§ Lohdutusprotokolla operaattoreille jotka eivät saaneet UMTS-kaistaa ostettua
§ Eri modulaatiotekniikalla GPRS:n tilalla saadaan kulkemaan enemmän dataa
§ Vaatii rautatason tuen päätelaitteesta,
BTS:stä ja ohjelmistotuen BSC:stä
UMTS
§ Universal Mobile Telecommunications System
– 3G
§ Ominaisuuksia
– Parempaa tiedonsiirtoa kuin GPRS/EDGE
• 2Mbps teoreettinen maksiminopeus
• Optimistinen oletus, 144kbps todellisempi
– VoIP mahdollista normaalin puhelun sijaan – Videon streamaaminen mahdollista
– Tehokkaampaa taajuuskaistan käyttöä
UMTS
MS BTS BSC
MSC, VLR
HLR GMSC
PSTN GERAN
Internet UTRAN
Circuit switched
Packet switched
