Tiedonsiirron perusteet

(1)

21.8.2006 Tiedonsiirron perusteet / JPR 1

Sisältö:

1. Johdanto tiedonsiirtoon 2. Perusteoriaa signaaleista 3. Siirtotiet ja antennit

Tiedonsiirron perusteet

Sisältö:

1. Johdanto tietoliikenteeseen

• eri osa-alueet ja kehityspolku

• informaatio (esim. lukujärjestelmät)

• OSI-malli

2. Perusteoriaa signaaleista

• sähköinen signaali, taajuus, kaistanleveys, vahvistus, kohina

• analoginen vs. digitaalinen signaali

• analogisen signaalin muuttaminen digitaaliseksi (esimerkkinä PCM- perusprosessi)

• näytteenotto, laskostuminen, siirtokapasiteetti

• siirtojärjestelmän yleinen rakenne

• modulaatio, hajaspektriperiaate

• kanavointi perinteisissä tietoliikennejärjestelmissä ja dataverkoissa (siirtotielle pääsyn ohjaus; MAC)

• koodaus (lähteenkoodaus, virhekoodaus, salaus)

• piiri- ja pakettikytkentäisyys, kiinteä vs. valintainen yhteys

3. Siirtotiet ja antennit

• langallisen ja langattoman tiedonsiirron erot

• radioaaltojen eteneminen

(2)

1. Johdanto tiedonsiirtoon

Lähde: Anttalainen Tarmo,

Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House 2003

Tietoliikenteessä lähettäjän ja

vastaanottajan välillä on matkaa toisiinsa

Ennen sähköä

Ensimmäiset tietoliikennemenetelmät olivat mekaanisia (kirje), akustisia (rummutus, huutoketjut) tai optisia (merkkitulet, savumerkit). 1791 otettiin Ranskassa käyttöön optinen lennätin. 1796 Ruotsi-Suomen ensimmäinen optinen lennätinyhteys Eckerön ja Signillskärin välille. 1854 optinen lennätinyhteys Pietarin Kronstadtin ja Hanko-niemen välille. Viesti kulki välin jopa alle puolessa tunnissa.

Sähkömagnetismiin perustuva tietoliikenne

Samuel Morse sai lennättimelle patentin 1847. Maailman ensimmäinen lennätinyhteys otettiin kaupalliseen käyttöön Washingtonin ja Baltimoren välillä 1845. Ensimmäinen Euroopan ja Amerikan välinen kunnolla toiminut lennätinyhteys otettiin käyttöön 1866.

Siirtotienä oli Atlanttiin laskettu merikaapeli. Suomen ensimmäinen langallinen lennätinyhteys otettiin käyttöön 1855 Helsingin ja Pietarin välillä. 1860 avautui ensimmäinen kansainvälinen lennätinyhteys Tornion ja Haaparannan välille.

Lennättimessä tiedonsiirto tapahtui morsettamalla. Lennätinlaitoksen kehittyminen vaikutti myönteisesti maamme talouselämän kehitykseen. Michael Faraday huomasi 1831, että johtimessa syntyy sähkömotorinen voima, kun sen läheisyydessä liikkuu magneetti tai virrallinen johdin. Tämä havainto sähkömagneettisesta induktiosta oli tärkeä puhelinta edeltävä keksintö.

Alexander Graham Bell tutki mahdollisuutta siirtää puhetta sähkövirran värähtelyinä johtoyhteyttä pitkin. 1875 hän havaitsi, että sähkömagneettiseen induktioon perustuva laite soveltuu sekä mikrofoniksi että kuulokkeeksi. 1876 hän onnistui luomaan

puhelinyhteyden kahden huoneen välille. Ensimmäinen käsivälitteinen keskus otettiin käyttöön Yhdysvalloissa 1878. Tilaajia oli 8 kpl. Ensimmäinen automaattikeskus otettiin käyttöön jo 1892! Tällöin puhelimessa oli jo valintalevy. Suomen ensimmäinen

puhelinyhteys sijaitsi H:gissä 1877. Ensimmäinen käsikeskus avattiin 1881 Turussa ja automaatti-keskus 1922 Helsingissä. Ouluun puhelinlaitos saatiin 1882.

(3)

21.8.2006 Tiedonsiirron perusteet / JPR 3 Lähde: Anttalainen Tarmo,

Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House 2003

Radiotekniikan historiaa

Skottilainen Maxwell ja saksalainen Hertz osoittivat teorioillaan ja kokeillaan sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Maxwell loi 1864 sähkömagneettisen aaltoteorian, jonka mukaan on olemassa näkymätöntä säteilyä, joka pystyy etenemään lähettimen ja vastaanottimen välisenä aaltoliikkeenä ilman läpi. Hertz suoritti ensimmäisen Maxwellin teorioiden mukaisen kokeen 1887.

1896 Italialainen Marconi onnistui siirtämään varsinaista informaatiota. Patentin langattomalle lennättimelle Marconi sai 1897. 1901 hän sähkötti radiosignaaleita Atlantin yli. 1915 ensimmäinen radiolähetys (puhetta ja musiikkia) Yhdysvalloissa Myös television perusteet kehitettiin jo 1800-luvulla. Ensimmäisen

käyttökelpoisen laitteen esitteli jo 1884 saksalainen Nipkow. Säännölliset lähetykset aloitettiin Saksassa 1935. 1950-luvulla tapahtui televisioiden maailmanlaajuinen läpimurto. Suomessa yleisradiolähetykset alkoivat 1923, Yleisradio perustettiin 1926. Ulalähetykset aloitettiin 1953, stereolähetykset 1967 ja digitaaliset radiolähetykset 1998. Suomessa säännölliset televisiolähetykset alkoivat 1958, väritelevisiolähetykset 1969 ja digitaaliset lähetykset alkoivat vuonna 2000.

Kaikkeen tietoliikennetekniikan kehitykseen on suuresti vaikuttanut elektroniikan komponenttien kehitys:

1906 keksittiin elektroniputket

1947 transistorit, jotka mahdollistivat digitaalitekniikan kehittymisen

(4)

Nykyään on keskitytty pääosin langattoman tietoliikenteen kehittämiseen

Tietoliikenteen merkitys:

Tietoliikenneverkot muodostavat maailman monimutkaisimman ”laitteen”.

Pelkästään tavallisessa puhelinverkossa ja matkapuhelinverkoissa on reilusti yli 2 miljardia yksilöllisen osoitteen liittymää, jotka voidaan kytkeä toisiinsa. Lisäksi moni muu verkko voi välittää tietoa puhelinverkkojen kanssa.

Tietoliikennepalveluiden olemassaololla on suuri merkitys yhteiskunnan kehittymiseen. Esimerkiksi puhelintiheyden (penetraation) perusteella voidaan arvioida maan teknisen ja taloudellisen kehityksen tasoa. Kehitysmaissa kiinteän lankaverkon penetraatio on tyypillisesti alle 1 %, kun se kehittyneissä maissa on 50-60 % ja matkapuhelintiheys on nykyään jopa yli 100 %. Yleensä

tietoliikenteeseen investoidut rahat tulleet takaisin bruttokansantuotteen kasvuna (esim. Itä-Eurooppa).

Moderni yhteiskunta perustuu paljolti kehittyneen tietoliikennetekniikan käyttöön.

Yritysten lähiverkot, Internet jne. mahdollistavat tehokkaat työskentelyolosuhteet eri osapuolten kanssa. Olemme jo pitkään tottuneet käyttämään matkapuhelimia, faxeja ja sähköpostia päivittäin asioidemme hoitamiseen. Melkein kaikki käyttävät myös päivittäin tietoliikenteeseen perustuvia palveluita hyväkseen. Näitä ovat mm. pankkiautomaatit, polttoaineautomaatit, kassapäätteet, erilaiset

varausjärjestelmät, viranomaisten tietojärjestelmät sekä yritysten palvelujärjestelmät.

(5)

Siirto:

Transmission network

Pääsyverkko (access network) ja runkoverkko

(6)

Käsitteitä

• Mittayksiköt ja suureet – Virta

– Jännite – Taajuus

– Kerrannaisyksiköt (nano, mikro,…)

• Lukujärjestelmät – Kymmenjärjestelmä – Binaarijärjestelmä – Heksajärjestelmä

Käsitteitä

• Protokolla

– protokolla = yhteyskäytäntö = säännöstö

– tarkasti määritelty sopimus, miten kaksi osapuolta siirtävät tietoa välillään

– protokollan avulla ”keskustelevat” kahden eri laitteen osapuolet ovat toiminnallisesti samantasoisia = vertaisoliot

• vrt. kahdessa firmassa pomot keskustelevat keskenään ja insinöörit keskenään omilla protokollillaan

(7)

– ylimpänä on aina sovellus – alimpana on aina

tietoliikenneyhteyden fyysinen toiminta

Kerros

3 2

1 fyysinen sovellus

toiminnal- lisuuden eri kerrokset

• Protokollapino

– kokonaisen järjestelmän toiminnot on jaettu usealle eri protokollalle ⇒ protokollapino

– yhden laitteen sisällä tieto kulkee pinossa ylös- tai alaspäin peräkkäisten kerrosten välillä

Tiedon esitys protokollapinossa

• kaikki tiedot kulkevat jonkin kokoisina paketteina

• paketissa on vähintään kaksi kenttää:

– varsinainen data + otsikko, mihin data on menossa

• alkuperäinen tieto lähtee liikkeelle jostain sovelluksesta eli protokollapinon ylimmältä tasolta

• kun tieto luovutetaan alemmalle protokollalle, se paketoidaan uudestaan niin, että uudessa paketissa

– datana on koko ylemmän tason paketti – otsikkona on uuden tason osoite ym. tiedot

kerros n + 1

n

otsikko + data

otsikko data

(8)

Kaksi eri protokollapinoa

TCP/IP

= DoD-malli ISO:n

OSI-malli

fyysinen fyysinen

1 siirtoyhteys siirtoyhteys

2 IP (= Internet) verkko

3 TCP (

tai UDP )

kuljetus 4

istunto

5 sovellus

esitystapa

6 sovellus 7

kerros

Esimerkkinä Internetin looginen rakenne:

reititin

työasema kytkin FTP-palvelin

100Base-T 100Base-T

1 2 3 4

5-7 FTP FTP

TCP TCP

IP IP

IP

100Base-T

MAC-osoite

100Base-T

MAC-osoite

10Base-T 10Base-T

MAC-osoite MAC-osoite

Ethernet Ethernet Ethernet