Skip to content

M01 Johdatus tietoverkkoihin

Takaisin opintojakson aikatauluun

Info: Opetusvideot

Video: Tietoverkot, Johdatus tietoverkkoihin, osa 1

Video: Tietoverkot, Johdatus tietoverkkoihin, osa 2

Video: Tietoverkot, Johdatus tietoverkkoihin, osa 3

Mikä on Internet?

Internet on Kaikkien tietoverkkojen ... Tietoverkko.

Ja yhteensopivuuden takaamiseksi se tarvitsee hallinnointia, standardointia ja sopimuksia.

Hallinnointi

IANA - Internet Assigned Numbers Authority

Internet:n "katto-organisaatio" joka ei voi lakisääteisesti määrätä asioita Internet:ssä, mutta toimii sovittelijana.

Lainaus: https://www.iana.org/numbers

We are responsible for global coordination of the Internet Protocol addressing systems, as well as the Autonomous System Numbers used for routing Internet traffic.

IANA koostuu useista Alueellisista Internet rekisterinpitäjistä (Regional Internet Registeries - lyhenne RIR). RIR:t on jaettu alueellisesti maailmassa.

Lainaus: Kuva https://ripe.net

IANA

Registry Area Covered
AFRINIC Afrikan alue
APNIC Aasian/Tyynivaltameren alue
ARIN Kanada, USA ja osa karibian saarista
LACNIC Latinalainen amerikka ja osa karibian saarista
RIPE NCC Eurooppa, Lähi-itä ja Keski-Aasia

Suomena olemme osa RIPE:n aluetta. RIPE tarjoaa listan paikallisista Internet rekisterinpitäjistä (Local Internet Registries - lyhenne LIR) jäsenlistana.

Standardization

IETF - Internet Engineering Task Force

Lainaus: https://www.ietf.org/about/

The IETF is a large open international community of network designers, operators, vendors, and researchers concerned with the evolution of the Internet architecture and the smooth operation of the Internet.

IETF julkaisee Pyyntöjä Kommenteille (Requests for Comments - RFCs) joiden tulkitaan olevan käytännössä standardeja Internetin toiminnalle. Yksi merkittävimmistä on esimerkiksi RFC 791 - Internet Protocol.

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

Lainaus: https://www.ieee.org/about

IEEE and its members inspire a global community to innovate for a better tomorrow through its more than 419,000 members in over 160 countries, and its highly cited publications, conferences, technology standards, and professional and educational activities. IEEE is the trusted “voice” for engineering, computing, and technology information around the globe.

IEEE julkaisee standardeja kuten:

ISP - Internet Service Providers

ISP:t tai suomeksi "Internet palveluntarjoajat"/"teleoperaattorit" - ovat yrityksiä joiden kautta saat yhteydellisyyden Internettiin. Ne myyvät sinulle (internet) yhteyden ja hoitavat tietoliikenteen kuljettamisesta sinulta poispäin ja sinulle.

Huomattavaa on Suomessa että Internetiä pyörittää pääasiassa yksityiset yritykset.

Pohdi: Ajattele jos asunnoltasi lähtevän tien omistaisi yksityinen yritys, jonka käytöstä maksaisit kuukausimaksua?

Tämä (tie) yhteyshän voisi laskuttaa kuinka monta kertaa autoilet per kuukausi.

Samalla tavalla kuin monta pakettia tietokoneesi lähettää tietoverkkoon.

Tai entä jos maksu perustuisi painoon esim. kilogrammaa per auto, joka matkustaa tiellä?

Samalla tavalla kuin monta tavua tietokoneesi lähettää per paketti tietoverkkoon.

ISP:t jaetaan (epävirallisest) eri tasoihin (Tier 1 - 3) perustuen heidän riippuvuussuhteisiin toisistaan lähettääkseen dataa.

Tier 1

Tier 1 voi käsitellä liikennettä kokonaisella mantereella tai useammalla

Tier 2

Tier 2 toimii yleensä useammassa eri maassa

  • Elisa
  • Orange

Tier 3

Tier 3 toimii yleensä "ketterästi ja paikallisesti lähellä asiakasta". Tarjoten palvelujaan "nopeammin" kuin mitä perinteiset suuret ISP:t kykenevät tuottamaan.

Internet eXchange Points - IXP

ISP:t kytkeytyvät toisiinsa fyysisissä pisteissä, johon eri operaattorit tuovat verkkolaitteensa muodostaakseen reititysnaapuruuksia toisiinsa (peers / peering). Näiden naapuruuksien lävitse vaihdetaan reititystietoja aliverkoista.

FICIX (Finnish Communication and Internet Exchange association) on yksi suurimmista Suomessa

https://www.ficix.fi/

https://www.ficix.fi/membership/ficix-jasenet/

Points of Presence - PoP

PoP on termi jolla kutsutaan ISP:n kykyä tuottaa palveluja fyysisellä alueella. Tämä tarkoittaa toimistoa tai jakelukeskusta, josta yhteydellisyyttä pystytään tarjota. Riippuen lainsäädännöstä, ISP:n vastuut yhteydestä alkaa tai loppuu tässä pisteessä.

Lainaus: Kuva Telia Carrier PoP -pisteistä, https://www.teliacarrier.com/our-network.html

!a

Lainaus: Linkkejä FUNET:n (Finnish University NETwork) verkkokarttoihin
  1. FUNET PoP map
  2. FUNET weathermap

Air-gapped networks

Varoitus: Kaiken ei tarvitse olla yhteyksissä Internettiin!

On hyvä tietää että on tietoverkkoja, joiden ei haluta kytkeytyvän osaksi Internettiä. Näitä ajatellaan "Ilmaväli verkoiksi" (hankala löytää sopivaa sanaa). Yleisesti nämä verkot käsittelevät suojaustasollista tietoa.

Esimerkkejä näistä verkoista on:

  • Teollisuuden järjestelmät (Industrial Control Systems)
  • Ydinvoimalat (Nuclear Power Plants)
  • Hallituksen tietoverkot (Government Networks)
    • Turvallisuusviranomaisten tietoverkot (Public Authority Networks (e.g. Police))
    • Armeijan tietoverkot (Military Networks)
  • Liikenneverkot (Transportation Networks)
    • Junaliikenne (Train traffic)
    • Lentoliikenne (Aviation traffic)
    • Autoliikenne (Automotive traffic)
    • Laivaliikenne (Marine traffic)

Tietoverkkojen taustoja

Video: Tietoverkot, Johdatus tietoverkkoihin, osa 2

Kommunikointi on yhteiskunnan olennaisimpia paloja. Ihmisiä on kuollut, koska tietoa ei ole saatu välitettyä. Taisteluja ja sotia on aloitettu yhteensopimattoman kommunikaation vuoksi.

Historiaa ei voi unohtaa oppiakseen missä ollemme nyt

Tietoverkot ovat kehittyneet vastatakseen ihmisten kommunikointitarpeeseen. Vuosien varrella tietoverkot ovat olleet mitä tahansa postitomistojen kirjekuorien välityksestä nykyaikaisiin valokuituverkkoihin.

  • Tieto on välitettävä asia kommunikaatiossa toiselle
  • Verkot vastaavat tähän tarpeeseen miten saada tietoa lähettäjältä vastaanottajalle

Yksi visualisaatio yhteiskunnastamme voisi olla alapuoleisessa kuviossa. Ajattele kaikkia organisaatioita, ihmisiä ja laitteita, jotka käyttävät tietoverkkoa kyseisessä kuvassa.

Lainaus: Ethernet 2020 Roadmap, Ethernet Alliance

!a

Mitä on tieto?

Tausta

Äänihuulemme aiheuttavat vaihteluita ilmanpaineessa tuottaen ääntä tiedonvälityksen välineenä. Savumerkit palavasta tulesta on yksi tapa välittää tietoa näkyvän valon kautta (elektromagneettisessa spektrissä).

Eri tietotekniset sensorit mittaavat näitä ilmiöitä fysiikassa ja muuttavat mitatut tiedot sähkön jännitteeksi/vastukseksi. Tätä jännite-/vastusvaihtelua voidaan mitata elektroniikassa ja muuttaa biteiksi (0/1). Eri sensoreita on esimerkiksi:

  • Dynaaminen mikrofoni / Äänikelamikrofoni (ääni)
  • Fototransistori (valo)
  • Termistori (lämpötila)

Yleisesti Esineiden Internet (Internet of Things - IoT) -laitteet sisältävät näitä mittauksen sensoreita. Ne lukevat dataa ympäristöstä, muuttavat sen biteiksi ja lähettävät tiedon tietoverkkoon.

Tieto tietokoneiden aikana

Nopeasti saapuakseen tähän päivään, Tietoverkot ovat ykkösten ja nollien siirtelyä (bittejä). Tätä tietokonekieltä kutsutaan binääriksi. Elektroniikassa tätä näitä ykkösiä ja nollia voidaan esittää, jännite päällä (esim. +5V) tai jännite pois päältä (0V).

Binääri

Yleisesti asetamme merkityksen näille ykkösille ja nollille:

Binäärinä Tarkoitus
0 Väärin (False)
1 Oikein (True)

Kahdeksan bitin (8 bit) sarjaa kutsutaan tavuksi (1 byte) esim. 0100 0001.

Lainaus: Gif animaatio miten binääriä lasketaan/kasvatetaan

!a

ASCII -enkoodaus

Kun tietokoneita kehitettiin, kirjaimille sidottiin tietty 8 bitin lukema (tai 1 tavu). Tämä aiheutti tavun ja bitin sekamelskan ihmisten käytössä ja niiden ero menee hyvin yleisesti sekaisin ammattihenkilökunnallakin: puhutaanko tavuista vai biteistä?

Tarkat ASCII -enkoodauksen kirjainmääritelmät:

Binäärinä Tarkoitus
0100 0001 A
0100 0010 B
0100 0011 C
... ...
0110 0001 a
0110 0010 b
0110 0011 c

Montako tavua olen käyttänyt?

Yleisesti tavalliselle kansalaiselle on hankalaa selittää montako tavua hän on käyttänyt esim. "kännykkäliittymästään". Tai mikä on bittien ja tavujen ero. Digitaalitekniikka ja laitetekniikka opintojakso keskittyy enemmän näihin aiheisiin, mutta nopeaksi summatakseni:

  • yksi kirjain aakkosista = 8 bittiä = 1 tavu
  • 140 kirjaimen tekstiviesti (puhelimista) = 140 kirjainta * 8 bittiä =
    • 1120 bittiä = 1,12 kilobittiä
    • 1120 bittiä / 8 = 140 tavua = 0,14 kilotavua

Bitit käyttävät samaa SI-järjestelmää (Système international d'unités) ja etuliitteitä, joten IT-alalla:

etuliite symbooli 10-lukujärjestelmä desimaali nimi
tera T 10^12 1 000 000 000 000 trillion
giga G 10^9 1 000 000 000 billion
mega M 10^6 1 000 000 million
kilo k 10^3 1 000 thousand
bit b 1 1 one

Varoitus: Koska binääri on 2-lukujärjestelmä, taulukko on itseasiassa

etuliite symbooli 2-lukujärjestelmä desimaali nimi
tera T 2^40 1 099 511 627 776 terabits
giga G 2^30 1 073 741 824 gigabits
mega M 2^20 1 048 576 megabits
kilo k 2^10 1 024 kilobits
bit b 1 1 bit

Näitä voi kysellä sitten matematiikan opintojaksolla

Tiedonsiirtonopeus

Kirjain siis muodostuu siirtämällä 8 bittiä (8 x bit) tai yksi tavu.

Tiedonsiirtonopeus 8 bittiä/sekuntissa tarkoittaisi että 1 sekunti menisi siirtää yksi kirjain. Tämä tiedonsiirtonopeus ilmoitetaan useilla eri tavoilla:

  • 8 b/s
  • 8 bps

Mutta tämä voidaan myös ilmoittaa myös tavuina (Byte) sekunnissa:

  • 1 t/s (eng. 1 B/s)
    • 1 kt/s
    • 1 Mt/s
  • 1 tps (eng. 1 Bps) - harvemmin suomenkielessä
Tietoverkkoinsinöörin pitäisi erottaa 100 Mb/s and 100 MB/s

Hyvin usein softassa nämä eri nopeudet tulostellaan missä muodossa nyt ohjelmoijasta hyvältä tuntuu.

Tietoverkot yleensä mittaavat kuinka monta bittiä per sekunti ne pystyvät välittämään.

!a

Mutta tiedostot (ja niiden siirtämisessä) ohjelmoijat tykkäävät käyttää tavuja per sekunti.

!a

Muita tapoja esittää tieto (tietokoneissa)

Heksadesimaali

Heksadesimaali on lyhempi tapa esittää bitit. Yksinkertaisesti meillä on merkki, jolla kuvastetaan 4 bitin arvoa.

Desimaali - dec Binääri - bin Heksadesimaali - hex
0 0000 0
1 0001 1
2 0010 2
3 0011 3
4 0100 4
5 0101 5
6 0110 6
7 0111 7
8 1000 8
9 1001 9
10 1010 a
11 1011 b
12 1100 c
13 1101 d
14 1110 e
15 1111 f
Esimerkki tiedoston lukemisesta Linux:ssa 
-bash-4.1$ hexdump -C text.txt
00000000  41 42 43 61 62 63 0a    |ABCabc.|

41 hex, jossa

4 hex = 0100 bin

1 hex = 0001 bin

41 hex = 0100 0001 bin = A (kirjain ASCII:ssa)

Kuinka kirjoittaa Karo Saharinen eri ASCII/HEX/BIN -tavoilla?

Karo Saharinen

4b 61 72 6f 20 53 61 68 61 72 69 6e 65 6e

01001011 01100001 01110010 01101111 00100000 01010011 01100001 01101000 01100001 01110010 01101001 01101110 01100101 01101110

Kirjoituksen enkoodausmenetelmät

Huomioi että ASCII on hyvin rajoitteellinen tiedonvälityksen tapa. Siitä puuttuu esimerkiksi ääkköset kokonaan. Monia eri enkoodausmenetelmiä löytyy tiedoille:

  • UTF-8
  • UTF-16
  • UTF-32
  • Unicode
  • BASE64
Haluatko kokeilla näitä muunnoksia? Kokeile CyberChef

Näitä on ... paljon :)

Mitä on (tiedonsiirto)verkot?

Verkkojen taustaa

Palatakseen historiaan...

Yksinkertaisimpia tiedonsiirtoverkostoja luotiin metsästäessä ilmakehän lävitse. Jos metsästäjien välillä ei ollut näköyhteyttä (line of sight), pystyttiin huutamalla pysymään kartalla missä kukin on ja missä suunnassa esim. saalis liikkuu.

Aiemmin mainitut savumerkit oli myös yksi tapa saada viesti perille. Tämä aiheutti kuitenkin vaatimuksen näköyhteydestä lähettäjän ja vastaanottajan välillä. Sodankäynti edelleenkehitti näköyhteyden hyödyntämistä viestitykseen esim. Optisen lennättimen avulla. Tämä tapa lähettää kirjaimia tai sanoja pitkien yhteyksien ylitse oli eniten käytetty Ranskassa 1700 luvun lopussa ja 1800 luvun alussa.

Sähkön keksimisen jälkeen, Morse viestitys ja sähköinen lennätin tuli ihmiskunnan viestintä välineeksi. Sähköpiiriin kytketyn sähkövirran päälle laittaminen (tosi) ja pois päältä laittaminen (ei tosi) oli kätevä tapa saada viesti kulkemaan ilman näköyhteyden vaatimusta.

Sähköinen lennätin kuitenkin toi tarpeen rakentaa sähköpiiri lähettäjän ja vastaanottajan väliin. Täten todella pitkiä lennätinkaapeli yhteyksiä piti rakentaa esim. kaupunkien väliin.

Sähköinen lennätin Suomessa, Yle Elävä arkisto

Tämä video on todellakin aikansa tuote... mielipiteineen. Löydettävissä kuitenkin elävästä arkistosta. Kannattaa katsoa!

Verkot tietokoneiden aikakaudella

Verkot tietokoneiden aikakaudella

Henkilökohtaiset verkot (Personal Area Networks - PAN)

Yleisesti näiden etäisyydet ovat 0.1 - 10 metriä muttei yleensä kauemmaksi.

Langattomat tekniikat yleensä ovat vähäisiä virrankulutukseltaan ja tästä johtuen tukevat alhaisia tiedonsiirtonopeuksia. Käteviä yhdistämään kuluttajien elektroniikkaa yhteen.

Esimerkkejä PAN -verkoista:

  • Langaton
    • Bluetooth
      • Hiiri, näppäimistö, kuulokkeet ja muut henkilökohtaiset lisävarusteet
    • Zigbee
  • Langallinen
    • USB
    • FireWire

Lähiverkot (Local Area Networks - LAN)

Lähiverkot ("LANit") ovat etäisyyksiltään noin 1 - 200 metriä. Ne kattavat kokonaisia rakennuksia ja yhdistävät päätelaitteet (esim. tietokoneet) tiedonsiirtoverkkoon.

Esimerkkejä LAN -verkoista:

  • Langaton
    • WLAN (802.11)
  • Langallinen
    • Langallinen Ethernet (802.3)
    • Coaxial networks (e.g. TV transmission)

Metroalueen verkot (Metro Area Networks - MAN)

"Metropolitan" verkot tai "Alueverkko". Termi kääntyy hankalasti Suomeksi, koska Amerikassa "Metropolitan area" voi olla suurempi kuin kokonainen kunta Suomessa.

Ajatuksena kuitenkin että kattavat hyvin paljon 100 metrin ja 80 kilometrin väliltä operaattorin runkoverkkoa. Yhdistää kuluttajia ja yrityksiä operaattorin runkoverkkoon (seuraava kohta).

Esimerkkejä MAN -verkoista:

  • Langaton
    • 2G/3G/4G/5G "puhelinverkot"
  • Langallinen
    • MetroEthernet
    • Valokuidun aallonpituuden jakotekniikka - Coarse Wavelength Division Multiplexing
    • xDSL -yhteydet (esim. ADSL)
    • (euro)DOCSIS -verkot (kaapelitelevisio)

Runkoverkot (Wide Area Networks - WAN)

"WANi" tai "Runkoverkko" on yleensä operaattorin (ISP:n) hallussa. Nämä ovat maan, mantereen tai koko maapallon kattavia verkkoja. Kaikki ~80 kilometriä laajemalle kattavat verkot yleensä luokitellaan tähän joukkoon. Pisimmillään merenalaiset kaapelit jatkavat runkoa jopa 39 000 kilometriin.

Lainaus: Kartta pisimmästä merenalaisesta kaapelista - SEA-ME-WE 3 - Submarinenetworks.com

!a

Esimerkkejä WAN -verkoista:

  • Langaton
    • LoRaWAN
    • NB-IoT
  • Langallinen
    • Valokuidun aallonpituuden jakotekniikka - Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)
    • MPLS-VPN verkot
    • Optical Transport Networks (OTNs)
    • Piirikytkentäinen SDH - Synchronous Digital Hierarchy -verkko

Tiedonsiirron rakenteellisuus

Video: Data Networks, Introduction to Data Networks, part 3

Tietokoneiden keksinnän myötä myös standardoinnin tarve kasvoi tehdäkseen laitteistosta yhteensopivia eri maiden ja mantereiden välillä. Historiassa on monia esimerkkejä epäyhteensopivuudesta tietoverkoissa, johtaen suuriin kustannuksiin kuluttajille (esim. puhelujen hinnat ulkomaille 1900-luvulla)

Ne päivät ovat menneitä, mutta niistä ongelmista eroon pääsemiseen auttoi kaksi eri mallia:

  • OSI -malli
  • TCP / IP -malli

Nämä mallit PITÄÄ jokaisen IT insinöörin tietää

Mallit

OSI_Model_and_others.png

OSI -malli

Kerros 1 - Fyysinen kerros

Fyysinen kerros käsittelee bittejä. Olkoot ne bitit fotoneja tai elektroneja, ne siirretään yleensä (valo-/kupari)kaapelissa. Kerroksella otetaan siis huomioon amplitudi ja modulaatio tiedonsiirrossa. Myös kaapelit ja liittimet määritellään fyysisellä kerroksella.

  • Liittimet
    • RJ-45
    • LC
    • SC
  • Kaapelit
    • Yksimuotokuitu
    • CAT5 kaapeli
    • Koaksiaalikaapeli
  • Modulaatiot
    • Non-Return to Zero (NRZ)
    • Manchester
    • QAM256 (Quadrant Amplitude Modulation 256 bit)

Kerros 2 - Siirtokerros

Siirtokerros ottaa alemman kerroksen bitit ja järjestää ne kehyksiksi. Kehykset (niiden kentät ja pituus) sovitaan standardeissa. Näitä kehysformaatteja on esimerkiksi:

  • Ethernet
  • OTN
  • SDH
  • ATM
  • Frame-relay
  • X.25

Kerros 3 - Verkkokerros

Verkkokerros huolehtii kehysten sisällä olevista paketeista. Näillä paketeilla on yleensä otsikko. Yleisimmät pakettiformaatit ovat:

  • Internet Protocol
    • Version 4 (IPv4)
    • Version 6 (IPv6)

Muitakin on kuitenkin historiassa ollut:

  • CLNP
  • IPX
  • AppleTalk

Kerros 4 - Kuljetuskerros

Kuljetuskerros huolehtii pakettien sisällä olevista segmenteistä. Nämä yleensä huolehtivat että tieto on vastaanotettu ja saatu oikeassa järjestyksessä. Kuljetuskerros huolehtii myös mahdollisesta uudelleen lähettämisestä. Protokollia tällä kerroksella:

  • Transmission Control Protocol (TCP)
  • User Datagram Protocol (UDP)

Kerros 5 - Istuntokerros

Istuntokerros on vähiten käytössä yleistyneessä TCP-IP -mallissa. Siksi nämä protokollat ovat ehkä vähemmän tunnettuja, mutta silti esillä esim. video/puhekonferensseissa tai TV -lähetyksissä IP-verkossa. Protokollia tällä kerroksella:

  • Real-time Transport Control Protocol (RTCP)
  • NetBIOS
  • SOCKS

Kerros 6 - Esitystapakerros

Esitystapakerros myös usein loistaa poissaolollaan TCP/IP -mallissa. Käyttötapaukset ovat vähäisiä, mutta OSI -mallin standardissa tarkoituksena oli

  • Enkoodaukset
  • Tiedon
    • Muutokset formaatista toiseen
    • Pakkaus
    • Salaus

Kerros 7 - Sovelluskerros

Viimein saavumme OSI-mallin sovelluskerrokselle joka on tutumpi kenties kuluttajille. Tämän kerroksen protokollat saattavat näkyä eri sovelluksissa. Esimerkkejä:

  • HTTP & HTTPS
  • SMTP
  • SSH
  • FTP
  • SNMP

Kehitys on kuitenkin pyrkinyt viemään tietokoneiden käyttöä mahdollisimman kuluttajaystävälliseksi aiheuttaen näiden lyhenteiden poistumista eri käyttöliittymistä.

TCP/-IP -malli

Tietoverkot näinä päivinä lähestulkoon aina pohjautuvat TCP/IP -malliin.

Tämä on tarkemmassa tarkastelussa tällä opintojaksolla.

Tässä käytämme ja opimme Ethernet:stä.

Kerros 3 Internet -kerros (eng. Internet Layer)

Tässä käytämme ja opimme IPv4 ja IPv6.

Kerros 4 Kuljetuskerros (eng. Transport Layer)

Tässä keskitymme TCP & UDP -protokolliin.

Kerros 5/6/7 Sovelluskerros (eng. Application Layer)

Tässä sovelluksemme ovat esim. HTTP ja SSH.

Jatka ensimmäiseen harjoitukseen!

E01 Ensimmäisen virtuaalikoneen tekeminen

E02 Ensimmäiset kytkimet

Kertaa materiaalia pienellä tietovisalla?

Tietoverkot Quiz - M01 Johdatus tietoverkkoihin

Takaisin opintojakson aikatauluun?

Takaisin opintojakson aikatauluun

Lisenssi

Tämän opintojakson materiaalin on kirjoittanut Karo Saharinen ja se on lisensoitu Creative Commons Nimeä-EiKaupallinen-EiMuutoksia 4.0 Kansainvälinen -lisenssillä.

Creative Commons -lisenssi