Alkulause I sisällysluettelo II tiivistelmä III abstract IV lyhenteet V

3 MULTIMEDIAVERKOT

3.1 Puhelinverkko

Puhelinverkko on laajin kansainvälinen televerkko. Siihen kuuluu noin 520 mil-joonaa tilaajaliittymää eri puolilla maailmaa. Yleinen puhelinverkko koostuu tilaa-jaliittymistä ja eriasteisista puhelinkeskuksista siirtojärjestelmineen. Suomessa tilaajaliittymiä on noin 2.6 miljoonaa, mikä on maailman huippuluokkaa [Vo94]. Suomen yleisen puheliverkon digitalisointi aloitettiin 1970-luvulla ja puhelinkes-kukset saatiin kokonaisuudessaan digitalisoiduiksi vuoden 1996 lopuun men-nessä [Li97]. Ainoastaan tilaajasilmukka, jolla tilaajan puhelinkone liitetään sitä palvelevaan päätekeskukseen, on enää analoginen. Kokonaan digitaaliseen yh-teyteen päästään käyttämällä ISDN (Integrated Services Digital Network)–liityn-tää. Puhelinverkon välityksellä otettavat yhteydet ovat piirikytkentäisiä ja synkro-nisia eli sovittu kaistanleveys ja viive ovat vakioita koko yhteyden ajan.

Dataa voidaan siirtää puhelinverkossa joko modeemeilla tai ISDN-laitteilla. Ana-logista tilaajaliittymää pitkin voidaan lähettää informaatiota ainoastaan analogi-sessa muodossa. Jotta tietokoneelta tulevaa digitaalista informaatiota voidaan siirtää puhelinverkossa on se ensin muutettava analogiseksi. Kantoaaltomodee-mi muuttaa moduloimalla digitaalisen binäärisignaalin 300-3400 Hz:n äänitaa-juiseksi signaaliksi ja vastaavasti päinvastoin vastaanottopäässä. Kantataa-juusmodeemeilla digitaalinen signaali lähetään sopivasti koodattuna ilman mo-dulointia.[Vo94] Modeemien siirtonopeudet vaihtelevat muutamasta sadasta bi-tistä sekunnissa aina kymmeniin kilobitteihin sekunnissa. Nopeimpien yleisessä puhelinverkossa käytettävien modeemien maksimisiirtonopeus on tällä hetkellä 56 kbit/s [Ch97].
ISDN:ssä on määritetty kaksi liittymätyyppiä: perusliittymä (BRI; Basic Rate Interface) ja järjestelmäliittymä (PRI; Private Rate Interface). Perusliittymä koos-tuu kahdesta B-kanavasta ja D-kanavasta (2B+D), joista B-kanavat on tarkoi-tettu käyttäjän datalle ja D-kanava signalloinnille. Signalloinilla tarkoitetaan niitä toimenpiteitä, joita päätelaitteet (esimerkiksi ISDN-kortti) suorittavat verkon ja toistensa kanssa yhteyttä muodostettaessa, sen aikana ja sitä purettaessa. Tilaaja saa liittymässä käyttöönsä kaksi 64 kbit/s B-kanavaa, joita voidaan sekä data- että puhekanavina. Käyttäjällä voi siten olla yhtäaikaa käynnissä normaali äänipuhelu ja ISDN-datayhteys. D-kanavaa, jonka siirtonopeus on 16 kbit/s, voi-daan käyttää joko tilaajayhteyden merkinantoon tai mahdollisesti pakettivä-litteisen datan siirtoon. Järjestelmäliittymä voi maksimissaan koostua 30 B-kana-vasta ja yhdestä D-kanavasta (30B+D). [Ha94] [Vo94]
ISDN- ja modeemi-yhteydet soveltuvat piirikytkentäisyyden vuoksi erittäin hyvin käytettäväksi viipeen vaihtelulle herkissä sovelluksissa kuten äänen ja liikkuvan kuvan siirrossa. Piirikytkentäisyys takaa sovitun siirtonopeuden ja vakioviipeen koko yhteyden ajaksi. Käytettävä siirtonopeus ei kuitenkaan ole riittävä esimer-kiksi kovin hyvälaatuisen videokuvan lähettämiselle käytettäessä yhtä ISDN-linjaa (128 kbit/s) tai modeemia. Useammalla ISDN-linjalla päästään kuitenkin jo huomattavasti parempaan tulokseen liikkuvan kuvan ja äänen osalta.
Uudet kierretyn parikaapelin välityksellä toimivat xDSL tekniikat käyttävät myös hyväkseen olemassa olevaa fyysistä puhelinverkkoa. Yhteydet eivät kuitenkaan ole samalla tavalla valintaisia kuin modeemi- tai ISDN-yhteydet, jotka avataan soittamalla haluttuun numeroon ja katkaistaan lopettamalla puhelu. Yhteyksien luonteen vuoksi xDSL tekniikoita käsitellään tarkemmin luvussa 3.3.

3.2 Lähiverkot

Lähiverkolla yhdistetään työryhmiä, jotka sijaitsevat samassa tai läheisessä rakennuksessa. Sen avulla jaetaan erilaisia verkkopalveluita kuten tulostusta ja tallennuskapasiteettia. Sen välityksellä työasema voi ottaa yhteyden johonkin toiseen verkossa olevaan verkkopalvelimeen tai tulostimeen ilman, että tarvitaan reititystä. Lähiverkko muodostuu tavallisesti jaetusta mediasta, mikä mahdol-listaa kaikkien verkkoon lähetettyjen viestien kulkeutumisen kaikille verkossa oleville työasemille. Tästä on etua, kun halutaan saavuttaa suuri joukko verkos-sa olevia työasemia, sillä käytettäessä verkon Broadcast-osoitetta viestiä ei tarvitse lähettää verkkoon kuin kerran. Jokaisella loogisella lähiverkolla on oma Broadcast-osoitteensa, johon lähetetty viesti välitetään kaikille samassa verkos-sa oleville koneille.

Verkko on topologialtaan joko väylä, rengas, tähti tai puu (kuva 3-1) [St97]. Sa-maan lähiverkkoon kuuluvien koneiden fyysinen etäisyys on tavallisesti muuta-mia satoja metrejä ja maksimissaan se voi olla muutamia kilometrejä kun käyte-tään valokuituyhteyksiä [Ke96]. Siirtonopeudet vaihtelevat muutamasta mega-bitistä aina satoihin megabitteihin sekunnissa. Kaikki perinteiset lähiverkot (IEEE 802 LAN) perustuvat tavallisesti jaettuun mediaan eli kaikki verkon käyttäjät kilpailevat olemassa olevasta siirtokapasiteetista, eikä verkko voi taata käyttäjille mitään määrättyä siirtonopeutta ja viivettä. Apua halutun siirtokapasiteetin ja viiveen saavuttamiseen lähiverkoissa on jo tullut ja uusia tekniikoita ollaan koko ajan kehittämässä ja testaamassa. Niihin palataan lähemmin luvun lopussa.




Kuva 3-1. Erilaisia lähiverkkotopologioita [St97]

Verkon siirtokapasiteetin käyttöoikeuden jaossa tavallisin mekanismi on CSMA/CD (IEEE 802.3), jota käytetään puu-, väylä- ja tähtiverkkojen yhtey-dessä. Tekniikka perustuu törmäysten havaitsemiseen ja datan uudelleen-lähettämiseen. Kun jokin työasema haluaa lähettää jotain dataa verkon kautta, kuuntelee se ensin verkkoa ja jos kukaan muu ei lähetä, se voi aloittaa oman lähetyksensä. Kun kaksi tai useampi työasema lähettää samanaikaisesti verk-koon, tapahtuu väistämättä törmäys. Kun jokin käyttäjä on huomannut verkossa törmäyksen hälyttää se muita ja lopettaa tiedonsiirron. Jos sillä jäi lähetys kesken, se yrittää lähettää jonkin satunnaisen ajan kuluttua uudelleen. [St97]

Rengasverkoissa – myös verkko, joka on topologialtaan puu tai väylä voi olla loogisesti rengas – siirtokapasiteetin jaossa käytetyt tekniikat ovat Token Bus (IEEE 802.4) ja Token Ring (IEEE 802.5). Verkossa kiertää kontrollipaketti. Kun työasema vastaanottaa sen, sillä on oikeus tietyn ajan lähettää omia pakettejaan verkkoon. Kun työasema on saanut lähetyksensä loppuun tai aika on tullut täyteen, se lähettää Tokenin eteenpäin seuraavalle työasemalle, joka voi sen jälkeen aloittaa oman lähetyksensä. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) käyttää samaa IEEE 802 standardissa määriteltyä Token Ring -algoritmia, mutta jotta suuremmasta siirtonopeudesta saataisiin kaikki hyöty irti on siinä jotain eroavaisuuksia. Kun tavallisessa Token Ring -verkossa kulkee kerrallaan vain yksi vapaa Token, voi FDDI renkaassa kulkea kerrallaan useita. Kun jokin ase-ma on saanut Tokenin se alkaa lähettää omaa viestiään ja heti saatuaan lähe-tyksensä liikkeelle se laskee uuden Tokenin liikkeelle odottamatta oman viestin-sä takaisin tulemista, kuten tehdään tavallisessa Token Ring-verkossa. Tällä ta-voin saadaan FDDI-renkaan siirtonopeus (100 Mbit/s:ssa) tehokaammin käyt-töön. [St97] FDDI-II:ssa käytössä oleva 100 Mbit/s kokonaissiirtokaista on jaettu 6.144 Mbit/s putkiin, joista jokainen koostuu 96:sta 64 kbit/s kanavasta. Kanavia yhdistämällä voidaan muodostaa yhteys, jolla siirtonopeus ja viipeen vaihtelu on taattu.
Edellä mainitut lähiverkkoratkaisut perustuvat kaikki jaettuun mediaan, jossa kaikki liikenne kulkee periaatteessa kaikille käyttäjille, kaikilla on samat oikeudet olemassa olevan siirtokapasiteetin käyttöön eikä kukaan pysty varaamaan it-selleen haluamaansa kaistanleveyttä. Tähtikytkennällä ja Ethernet-kytkimillä voi-daan kuitenkin taata jokaiselle käyttäjälle 10 tai 100 Mbit/s (Fast Ethernet), tai tulevaisuudessa jopa 1000 Mbit/s eli 1Gbit/s siirtonopeus kytkimelle asti [HöLeSi97]. Kaksi konetta voivat kytkimen kautta saada käyttöönsä keskenään edellä mainitun siirtokapasiteetin sillä edellytyksellä, ettei kukaan muu halua yh-teyden aikana keskustella jomman kumman koneen kanssa. Lähiverkossa ta-pahtuvaa liikennettä saadaan myös tehostettua käyttämällä mikrosegmenttejä ja virtuaalilähiverkkoja (VLAN).

-----kuva mikrosegmentoidusta lanista-----

Kuva 3-2. Mikrosegmentoitu LAN-arkkitehtuuri [Ke96]
Mikrosegmentoinnissa jaetaan lähiverkkoa pienempiin osiin, jolloin samassa segmentissä olevat koneet saavat koko kaapelin siirtonopeuden hyväkseen [Ke96]. Segmentit yhdistetään toisiinsa lähiverkkokytkimen avulla, jolloin pys-tytään liikennöimään eri segmenteissä olevien koneiden kanssa. Virtuaalilä-hiverkko on toiminnaltaan hyvin samanlainen kuin mikrosegmentoitu lähiverkko, eli kunkin kytkimen portin taakse kytketään haluttu määrä koneita omaksi ali-verkokseen. Virtuaalilähiverkkoja voidaan hallita helposti, koska jokainen portti voidaan konfiguroida omaksi aliverkokseen ja aliverkkoja voidaan haluttaessa sillata yhteen.
Myös 100 VG-ANYLAN mahdollistaa 100 Mbit/s siirtonopeuden lähiverkoissa. Se on Fast Ethernetin tavoin laajennus 10 Mbit/s Ethernetille, mutta se tukee IEEE802.3 kehysten lisäksi myös IEEE802.5 (Token Ring) standardin mukaisia kehyksiä. 100VG-ANYLAN käyttää Demand Priority-access menetelmää, jolla eliminoidaan verkossa tapahtuvia törmäyksiä ja siirtoviivettä. Halutessaan lä-hettää dataa verkkoon työasema ilmoittaa siitä keskittimille ja jää odottamaan lupaa lähettää. Lähetyslupaa pyytäessään se ilmoittaa myös haluaako se lähet-tää normaalilla vai korkealla prioriteetilla. Kun paketteja alkaa tulla työasemilta keskittimen eri portteihin, se tutkii niiden prioriteetit ja lähettää eteenpäin ensin korkealla prioriteetilla tulleet paketit ja vasta sitten normaalin prioriteetin omaavat paketit. Tällä tavoin voidaan taata suurempi siirtonopeus ja hallitumpi viive reaa-liaikaisille sovelluksille. [St97] [Ke96]
IsoEthernet, viralliselta nimeltään ISLAN16-T (IEEE 802.9a), yhdistää paketti-kytkentäisen ja isokronisen piirikytkentäisen verkon. Pakettikytkentäisssä ver-kossa siirretään nimensä mukaisesti määrätyn kokoisia paketteja, joihin käyttä-jän data on jaettu. Pakettikytkentäisyyteen palataan tarkemmin kappaleessa 3.3. Isokronisessa yhteydessä verkon siirtonopeus ja viive pysyvät samoina koko yhteyden ajan samalla tavoin kuin puhelinverkkossa. Tälläiset yhteydet sovel-tuvat erittäin hyvin juuri puheen ja videon välittämiseen. IsoEthernet verkko voi olla joko kokonaan pakettikytkentäinen, monipalveluverkko tai kokonaan isokro-ninen. Pakettikytkentäisen verkon siirtonopeus on paketti- ja monipalveluverkos-sa 10 Mbit/s. Isokronisen verkon siirtonopeus on monipalveluverkossa 6.144 Mbit/s (96 x 64 kbit/s) ja kokonaan piirikytkentäisessä verkossa 15.872 Mbit/s (248 x 64 kbit/s). Niinpä jokaisella IsoEthernet-kytkimessä kiinni olevalla koneel-la on käytössään 10 Mbit/s yhteys, joka toimii kuten normaali Ethernet-yhteys sekä maksimissaan runsaan 6 Mbit/s isokroninen yhteys. Kuvassa 3-3 on esitetty IsoEthernet-verkon kapasiteettirakenne, kun on valittu normaali 10 Mbit/s Ethernet ja 6 Mbit/s isokroninen yhteys. Isokronisen verkon osan yksittäi-sistä 64 kbit/s kanavista voidaan muodostaa halutun siirtonopeuden omaava yh-teys. Isokronisten yhteyksien muodostuksessa käytetään ITU-T:n (International Telecommunication Union-Telecommunication) Q.921 ja Q.931 standardeihin perustuvaa signallointia, mikä mahdollistaa yhteyden luomisen IsoEthernet-verkossa olevan työaseman ja ISDN-yhteyttä käyttävän laitteen välille. [RoVa96][Pl96] ATM-verkossa käytetään samanlaista signallointia point-to-point-yhteyksien muodostuksessa, mikä mahdollistaa isokronisten yhteyksien muo-dostamisen IsoEthernet-verkosta ATM-verkkoon [Ke96].




Kuva 3-3. IsoEthernet yhteyden kanavarakenne [Ke96]
ATM (Asynchronous Transfer Mode) eroaa perinteisistä lähiverkkotekniikoista lähinnä piirikytkentäisyytensä ja yhteydellisyytensä vuoksi. Eli muista lähiverkko-tekniikoista poiketen siinä ei käytetä jaettua mediaa, vaan jokaiselle datavirralle muodostetaan oma virtuaaliyhteytensä. Vaikka ATM perustuu piirikytkentäisiin virtuaalisiin yhteyksiin, tapahtuu tiedonsiirto ja kytkeminen pienissä paketeissa, joita kutsutaan soluiksi. Yksittäinen solu on kooltaan 53 tavun mittainen, josta hyötykuorman osuus on tavallisesti 48 tavua. Pienellä solun koolla saadaan kyt-kentäviive pysymään hyvin pienenä, minkä vuoksi ATM soveltuu erinomaisesti erilaisten reaaliaikaisuutta vaativien multimediasovellusten siirtomediaksi. Tyypil-lisiä tälläisiä ovat erilaiset liikkuvaa kuvaa käyttävät sovellukset kuten videoneuvottelu ja tilausvideo. Siirtonopeudet UNIX-työasemalle asti voivat olla jopa 622 Mbit/s. PC-ympäristössä on tällä hetkellä käytössä sekä 25 Mbit/s ja 155 Mbit/s yhteyksiä. [GrMi97]
Työasemat voidaan liittää ATM-verkkoon usealla eri tavalla. Classical IP (CIP)- yhteydet ovat aina kahden koneen välisiä point-to-point-yhteyksiä, jotka käyttä-vät vain ja ainoastaan IP-protokollaa. CIP verkossa ei myöskään ole mahdollista käyttää broadcast- tai multicast-tyyppisiä lähetyksiä. CIP mahdollistaa kyllä point-to-multipoint yhteyden, mutta se on erikseen ATM-kytkimille konfiguroitava. Työasemien väliset yhteydet muodostetaan joko manuaalisesti luotavilla kiinteil-lä virtuaaliyhteyksillä, PVC:illä (Permanent Virtual Circuit), tai signalloinnin avulla luotavilla kytkentäisellä virtuaaliyhteyksillä, SVC:illä (Switched Virtual Circuit). Jotta kytkentäisten virtuaaliyhteyksien luominen onnistuisi, on jokaisella loogisel-la IP-verkolla oltava oma ARP (Address Resolution Protocol)- palvelimensa, joka vastaa IP- ja ATM-osoitteiden muutos operaatiosta. [La94]

Modernimpia liityntätapoja ovat LAN-emulaatio ja tulossa oleva MPOA (Multiprotocol over ATM). LAN-emulaatio pyrkii nimensä mukaisesti jäljittele-mään normaalin lähiverkon toimintoja ja mahdollistaa siten broadcast- ja multicast-lähetykset ATM-verkossa. Samaan LANE:en voidaan liittää koneita useilta eri paikkakunnilta, mikäli ATM-yhteys paikkakuntien välillä on olemassa. Samassa LANE:ssa olevat koneet voivat keskustella toistensa kanssa ilman että välillä tarvitaan reititystä ja kaikki ATM:n ominaisuudet saadaan hyödynnettyä te-hokkaasti. Eri LANE:issa olevien koneiden välinen liikenne kulkee kuitenkin rei-tittimien kautta, jolloin menetetään osa ATM:n tarjoamista palveluista. MPOA:n avulla voidaan tulevaisuudessa yhdistää useita virtuaalilähiverkkoja (VLAN) ilman reititintä. MPOA:ssa oma serveri hoitaa osoitteiden muuttamisen eri proto-kollien välillä. Se myös säilyttää eri virtuaalilähiverkoissa olevien koneiden ATM-osoitteita, jolloin suorien ATM-yhteyksien muodostaminen eri lähiverkoissa sijait-sevien koneiden välille on mahdollista. [FiMa96] [An96]

LANE-verkossa on neljänlaisia komponentteja: LEC (LAN Emulation Client), LECS (LAN Emulation Configuration Server), LES (LAN Emulation Server) ja BUS (Broadcast and Unknown Server). LEC:it vastaavat datan siirrosta ATM-verkon ja itse sovelluksen välillä. Se on käytännössä osa laitetta, joka on liitetty ATM-verkkoon. Myös kaikilla laitteilla, joissa eri LANE-palvelimet (LECS ja LES) sijaitsevat täytyy olla oma LEC:insä. LECS vastaa uuden LEC:in liittymisestä tiettyyn ELAN:iin (Emulated LAN). Kun LEC haluaa liittyä tiettyyn ELAN:iin, mut-ta ei tiedä kyseisen ELAN:in LES:in ATM-osoitetta, se lähettää LECS:ille tiedon halustaan liittyä kyseiseen ELAN:iin ja LECS ilmoittaa sitten osoitteen LEC:ille. LES vastaa ATM-osoitteiden muuttamisesta MAC-ositteiksi (Medium Access Control) ja päinvastoin. BUS huolehtii yleisjakeluun (Broadcast) menevien vies-tien välittämisestä, sekä viestien välittämisestä sellaisille LEC:eille, joille ei vielä ole perustettu omaa yhteyttä. [GrMi97]