W tym rozdziale zbudujemy prosty obwód szeregowy i dokonamy na nim pomiarów.

Diagram pokazuje część obwodów, które umożliwiają Ethernetowym kartom sieciowym wzajemne porozumiewanie się. Powinno to dostarczyć wskazówkę jak podejść do wyzwania w tym ćwiczeniu, którym jest projektowanie, budowanie i demonstrowanie prostego elektrycznego systemu komunikacji.

Sygnał odnosi się do pożądanego napięcia elektrycznego, próbki światła lub modulowanej fali elektromagnetycznej. Wszystkie z wyżej wymienionych mogą przenosić dane w sieci.

Jednym z typów sygnału jest sygnał analogowy. Sygnał ten ma następujące charakterystyczne cechy:

• jest falisty
• ma ciągle zmieniający się wykres napięcia względem czasu.
• jest typowy dla rzeczy występujących w przyrodzie
• jest szeroko używany w telekomunikacji od ponad 100 lat

Główna ilustracja pokazuje czystą sinusoidę. Dwoma ważnymi cechami sinusoidy są: jej amplituda (A) - czyli wysokość i głębokość - i jej okres (T) - czyli długość jednego cyklu. Możesz obliczyć częstotliwość fal (f) ze wzoru f=1/T.

Innym typem sygnału jest cyfrowy. Sygnał cyfrowy ma następujące cechy:

• ma dyskretny, skokowy wykres napięcia w czasie
• występuje raczej w technice a nie w przyrodzie

Ilustracja pokazuje cyfrowy sygnał transmitowany przez sieć. Sygnały cyfrowe mają stałą amplitudę, pomimo tego, że szerokość impulsu (T) i częstotliwość może się zmieniać. Sygnały cyfrowe z nowoczesnych źródeł mogą być przybliżone przez kwadratową falę, która ma pozornie natychmiastowe przejście z niskiego do wysokiego stanu napięcia. Chociaż jest to przybliżenie, jest ono rozsądne i będzie użyte we wszystkich późniejszych wykresach.

Jean Baptiste Fourier jest odpowiedzialny za jedno z największych matematycznych odkryć. Udowodnił on, że specjalna suma fal sinusoidalnych o harmonicznie powiązanych częstotliwościach, będących wielokrotnością pewnej podstawowej częstotliwości, mogą być dodane do siebie tworząc dowolny wzorzec fali. Tak pracują mięczy innymi programy do rozpoznawania głosu i stymulatory pracy serca. Złożone fale mogą być zbudowane z prostych fal.

Kwadratowa fala - inaczej kwadratowy impuls - może być zbudowana przez użycie właściwej kombinacji fal sinusoidalnych. Główna ilustracja pokazuje jak fala kwadratowa (sygnał cyfrowy) może być zbudowana z sinusoid (sygnałów analogowych). Ważne jest by to pamiętać podczas obserwowania, co dzieje się z impulsem cyfrowym, gdy przemieszcza się po sieciowym medium transmisyjnym.

Sieci transmitujące dane stają się coraz częściej uzależnione od systemów cyfrowych (binarnych, dwustanowych). Podstawowym blokiem informacji jest cyfra binarna, zwana bitem lub impulsem. Jeden bit w medium elektrycznym jest elektrycznym sygnałem odpowiadającym binarnemu 0 lub 1. Może to być proste kodowanie, jak 0 volt dla liczby binarnej 0 i +5 volt dla binarnej 1, lub też bardziej złożone. Poziom zerowy sygnału jest ważnym pojęciem odnoszącym się do wszystkich mediów sieciowych, które używają napięć do przenoszenia wiadomości.

Aby funkcjonował poprawnie, poziom zerowy musi znajdować się blisko cyfrowych obwodów komputera. Inżynierowie osiągnęli to poprzez zaprojektowanie płaszczyzn zerujących (ground planes) na płytkach z układami elektronicznymi. Obudowa komputera jest używana jako wspólny punkt do podłączenia płaszczyzn zerujących w celu uzyskania poziomu zerowego. Poziom zerowy ustanawia linię o poziomie 0 wolt na wykresie sygnału.

W przypadku sygnałów optycznych, binarne 0 będzie zakodowane jako światło niskiej intensywności lub ciemność. Binarna 1 będzie zakodowana jako światło wysokiej intensywności lub po prostu jasność, albo taż inne, bardziej złożone wzory.

W przypadku sygnałów bezprzewodowych, binarne 0 może być oznaczone krótką transmisją fal; binarna 1- dłuższą transmisją fal, lub też mogą występować inne, bardziej złożone wzory.

Przyjrzymy się sześciu rzeczom, które mogą przydarzyć się bitowi:

• przemieszczanie
• tłumienie
• odbicie
• szumy
• problem synchronizacji w czasie
• kolizje

Rozprzestrzenianie się oznacza po prostu przemieszczanie się. Kiedy karta sieciowa przyłoży napięcie lub impuls światła do medium fizycznego, wtedy kwadratowy impuls składający się z fal przemieszcza się wzdłuż medium (rozprzestrzenia się). Rozprzestrzenianie się oznacza, że strumień energii, reprezentujący 1 bit, podróżuje z jednego miejsca do drugiego. Szybkość z jaką się przemieszcza zależy od materiału użytego w medium, kształtu i struktury medium, oraz częstotliwości impulsów. Czas jaki zabiera przemieszczanie się jednego bitu z jednego końca medium i powrót z powrotem jest nazywany czasem drogi tam i z powrotem (RTT - round trip time). Zakładając, że nie ma żadnych innych opóźnień, czas jaki zajmuje 1 bitowi podróż na drugi koniec medium to RTT/2.

To, że bit potrzebuje pewną niewielką ilość czasu by przemieszczać się wzdłuż medium nie stwarza normalnie problemów w sieci. Jednakże ciągle rosnące tempo transmisji danych w dzisiejszych sieciach zmusza do uwzględniania ilości czasu jaka potrzebna jest sygnałowi do poruszania się. Istnieją tu dwie ekstremalne sytuacje do rozpatrzenia. Albo bit przemieszcza się błyskawicznie, w czasie równym zero, albo przemieszczanie się zabiera mu wieczność. Pierwszy przypadek jest nieprawidłowy według Alberta Einsteina, który w "Teorii względności" powiedział, że żadna informacja nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła w próżni. To znaczy, że bit potrzebuje przynajmniej niewielką ilość czasu do poruszania się. Drugi przypadek także jest zły, ponieważ z właściwym sprzętem można zmierzyć czas przemieszczania się impulsu. Brak wiedzy o czasie przemieszczania się impulsu jest problemem, ponieważ można wtedy założyć, że bit przybywa do celu albo za wcześnie, albo za późno. Jeżeli czas przemieszczania się jest zbyt długi powinno się dokonać ustaleń jak wpłynie to na resztę sieci. Jeżeli czas przemieszczania się jest za krótki, może wystąpić potrzeba spowolnienia ich lub zatrzymania ich tymczasowo (co jest znane jako buforowanie), aby reszta sprzętu sieciowego może dostosować się do tej prędkości.

Tłumienność jest stratą sygnału w sieci, na przykład wtedy, gdy kable przekraczają maksymalną długość. Oznacza to, że sygnał elektryczny przenoszący jeden bit traci swoją amplitudę, gdy energia jest przekazywana z sygnału na przewód. Przy uważnym doborze materiałów (np. użycie miedzi zamiast węgla) i ich geometrii (kształtu i sposobu ułożenia), można zredukować tłumienność elektryczną. Pewna strata jest nieunikniona, gdy występuje oporność elektryczna. Tłumienność również występuje w sygnałach optycznych - włókno optyczne wchłania i rozprasza część energii świetlnej, w czasie, gdy impuls świetlny, czyli bitowa jedynka, przemieszcza się wzdłuż tego włókna. Można zredukować to zjawisko poprzez odpowiedni dobór długości fali świetlnej, czyli jej koloru. Dalsza redukcja tłumienności zależy od użycia jednopasmowych lub wielopasmowych włókien i od typu szkła tworzącego włókno. Jednak nawet z tymi zabezpieczeniami pewna strata sygnału jest nieunikniona.

Tłumienność również występuje w falach radiowych i mikrofalach, w czasie, gdy są absorbowane i rozpraszane przez konkretne cząsteczki w atmosferze. Tłumienność może mieć wpływ na sieć, gdyż ogranicza ona długość okablowania, po którym można przesyłać informacje. Jeżeli kabel jest za długi, lub zbyt tłumiący, to bitowe 1, po dotarciu na miejsce, może wyglądać jak bitowe 0.

Można rozwiązać ten problem poprzez właściwy dobór mediów transmisyjnych i wybieranie takich struktur sieciowych, które mają niską tłumienność. Jednym ze sposobów jest wymiana medium. Innym - wykorzystanie wzmacniaka co pewną odległość. Istnieją wzmacniaki sygnałów elektrycznych, optycznych i radiowych.

By zrozumieć pojęcie odbicia, wyobraźmy sobie dwóch ludzi trzymających rozciągniętą linę. Teraz wyobraźmy sobie, że jeden z nich wysyła po niej impuls, czyli bitowe 1. Gdy przyjrzymy się uważnie, zauważymy, że małą fala (impuls) wraca z powrotem.

Odbicia występują w sygnałach elektrycznych. Gdy impulsy napięcia, czyli bity, natrafią na nieciągłość medium, część energii może być odbita. Jeżeli ta energia nie jest uważnie kontrolowana, może przeszkadzać następnym bitom. Warto pamiętać, że chociaż nasza uwaga jest na razie zwrócona na przesyłanie jednego bitu na raz, to w prawdziwej sieci przesyłane są miliony i miliardy bitów w każdej sekundzie, co zmusza do śledzenia tego odbitego impulsu energii. W zależności od okablowania i połączeń, jakie wykorzystuje dana sieć, odbicia mogą być problemem, ale nie muszą.

Odbicia również występują w sygnałach optycznych. Sygnały optyczne są odbijane ilekroć trafią na nieciągłość włókna szklanego, tak jak w przypadku, gdy wtyczka przewodu jest podłączona do urządzenia. Można zobaczyć to w nocy, gdy wyjrzy się przez okno. Można wtedy zobaczyć swoje odbicie w oknie, mimo, że nie jest to lustro. Część światła odbitego od ludzkiego ciała odbija się wtedy w oknie. Dzieje się to również z falami radiowymi i mikrofalami w różnych partiach atmosfery.

Może to stwarzać problemy w sieci. Dla optymalnego działania sieci ważny jest taki dobór mediów transmisyjnych, aby miały one oporność odpowiadającą elektrycznym komponentom na karci sieciowej. Gdy media sieciowe nie mają odpowiedniej oporności, sygnał będzie odbijany i powstaną zakłócenia. Może wtedy powstać wiele odbitych impulsów. W każdym systemie, elektrycznym, optycznym, czy radiowym, różnice oporności powodują odbicia. Jeżeli wystarczająco dużo energii zostanie odbite, wtedy binarny, dwustanowy system może zostać zmylony przeskakującą wszędzie, odbijaną energią. Można temu zapobiec upewniając się, że wszystkie komponenty są dopasowane do siebie pod względem oporności.

Zakłócenia są to niepożądane dodatki do napięcia, sygnałów optycznych, lub elektromagnetycznych. Żaden sygnał elektryczny nie jest pozbawiony zakłóceń, lecz ważne jest utrzymywanie stosunku sygnału do zakłóceń (S/Z) na tak wysokim poziomie, jak to tylko możliwe. Stosunek S/Z jest miarą inżynieryjną, na którą składa się dzielenie siły sygnału przez siłę zakłóceń - daje to pojęcie jak łatwo będzie odróżnić właściwy sygnał od niechcianych, lecz nieuniknionych zakłóceń. Innymi słowy, każdy bit otrzymuje dodatkowe, niechciane sygnały z różnych źródeł. Zbyt duże zakłócenia mogą przekształcić binarne 1 w binarne 0, lub 0 w 1, niszcząc w ten sposób wiadomość. Rys. 1 przedstawia pięć źródeł zakłóceń, które mogą wpływać na bit w przewodzie.

Gdy zakłócenia elektryczne w kablu pochodzą z innych przewodów w danym kablu, nazywa się to przesłuchem. Gdy dwa przewody znajdują się blisko siebie i są rozplecione, energia z jednego przewodu może znaleźć się w drugim przewodzie i na odwrót. Może to powodować zakłócenia na obu końcach kabla. Istnieje wiele form przesłuchu, który musi być uwzględniony przy budowie sieci.

Problem przesłuchu może być rozwiązany przez odpowiednią technikę zakańczania kabli, ścisłe przestrzeganie procedur zakończeniowych i używanie jakościowych skrętek.

Zakłócenia termiczne, powodowane losowym poruszaniem się elektronów, są nieuniknione, lecz względnie małe, w porównaniu z innymi.

Zakłócenia te są kluczowym problemem w sieciach. Zakłócenia pochodzące z instalacji prądu przemiennego stwarzają problemy w naszych domach, szkołach, biurach. Elektryczność jest przenoszona do urządzeń i maszyn przez przewody schowane w ścianach, podłogach i sufitach. Tak więc wewnątrz tych budynków zakłócenia z linii elektrycznych występują wszędzie. Może to stwarzać problemy w sieci, jeżeli się temu w odpowiedni sposób nie zapobiegnie.

Idealnie byłoby, gdyby linia zerowego napięcia była kompletnie odizolowana od linii uziemienia. Izolacja zapobiegałaby przechodzeniu skoków napięcia na linię poziomu zerowego. Ale obudowa systemu komputerowego służy zarówno jako wyznacznik zerowego napięcia, oraz jako uziemienie. Ponieważ istnieje połączenie między uziemieniem a linią zerowego napięcia, problemy z uziemieniem mogą prowadzić do zakłóceń systemu danych. Takie zakłócenia mogą być trudne do wykrycia i zlokalizowania. Zwykle wypływa to z faktu, że podwykonawcy instalacji elektrycznych nie dbają o długość przewodów zerowych i uziemiających, które prowadzone są do każdego gniazda elektrycznego. Niestety, gdy te przewody są długie, działają jak anteny łapiące zakłócenia elektryczne. To właśnie te zakłócenia zniekształcają sygnały cyfrowe (bity), które komputer musi rozpoznawać i przetwarzać.

Nieraz przekonamy się o tym, że zakłócenia elektryczne pochodzące od pobliskiego monitora lub twardego dysku mogą być wystarczająco silne, by spowodować błędy w systemie komputerowym. Zniekształcają one sygnał (zmieniając jego kształt lub poziom napięcia) powodując, że logika komputerowa nie jest w stanie wykryć początku i końca zbocza kwadratowej fali. Problem ten może się jeszcze zwiększyć, jeżeli komputer jest źle uziemiony.

Zewnętrzne źródła impulsów elektrycznych, które mogą atakować dobrej jakości sygnał w kablu, to m.in. pioruny, silniki elektryczne i systemy radiowe. Te typy zakłóceń nazywane są zakłóceniami elektromagnetycznymi (electromagnetic interference - EMI) i zakłóceniami radiowymi (radio frequancy interference - RFI).

Każdy przewód w kablu działa jak antena. Gdy to ma miejsce, przewód absorbuje sygnały elektryczne z innych przewodów w kablu i z poza kabla. Jeżeli powstające w ten sposób zakłócenia osiągną odpowiednio wysoki poziom, karta sieciowa może mieć trudności, by odróżnić zakłócenia od sygnału danych. Jest to istotny problem, gdyż większość sieci wykorzystuje pasmo częstotliwości 1-100 MHz, który jest również wykorzystywany przez sygnały radiowe FM, sygnały telewizyjne i wiele innych urządzeń.

Przyjrzyjmy się jak zakłócenia elektryczne, niezależnie od źródła, wpływają na sygnały cyfrowe. Wyobraźmy sobie, że chcemy wysłać binarną liczbę 1011001001101 poprzez sieć. Komputer przekształca liczbę binarną na sygnał cyfrowy. Rys. 2 pokazuje jak wygląda cyfrowy sygnał dla tej liczby. Sygnał cyfrowy przepływa przez medium sieciowe do miejsca przeznaczenia. Załóżmy, że to miejsce znajduje się niedaleko gniazda elektrycznego, które ma za długie przewody doprowadzające uziemienie i poziom zerowego napięcia. Te przewody działają jak anteny dla zakłóceń elektrycznych. Rys. 3 pokazuje jak wyglądają zakłócenia elektryczne.

Ponieważ obudowa komputera docelowego jest używana zarówno jako uziemienie jak i wyznacznik zerowego napięcia, wytworzone zakłócenia wpływają na sygnał cyfrowy otrzymywany przez komputer. Rys. 4 pokazuje co dzieje się z sygnałem, gdy połączy się on z zakłóceniami. Zamiast odczytać dane jako 1011001001101, komputer odczytuje te dane jako 1011000101101, sprawiając, że dane są niewłaściwe (zniekształcone).

Inaczej niż w przewodzie miedzianym, optyczne i bezprzewodowe systemy doświadczają niektórych form zakłóceń, lecz są odporne na inne. Na przykład włókno optyczne jest odporne na przesłuch i zakłócenia ze źródeł napięcia, a z kolei systemy bezprzewodowe są szczególnie wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne i radiowe. Tutaj skupiliśmy się na zakłóceniach w okablowaniu bazującym na miedzi. Problem przesłuchu może być rozwiązany przez odpowiednią technikę zakańczania kabli, ścisłe przestrzeganie procedur zakończeniowych i używanie jakościowych skrętek.

Nic nie da się zrobić z zakłóceniami termicznymi, oprócz nadania sygnałom wystarczająco dużej amplitudy, by nie miały one znaczenia. Aby uniknąć problemu zakłóceń pochodzących z instalacji elektrycznej, należy ściśle współpracować z podwykonawcą instalacji i firmą dostarczającą elektryczność. Umożliwi to otrzymanie najlepszego i najkrótszego uziemienia. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest zbadanie możliwości zainstalowania własnego transformatora napięcia, wyłącznego dla miejsca, w znajduje się sieć. Jeżeli firmę na to stać, może w ten sposób kontrolować podłączanie innych urządzeń do instalacji elektrycznej. Ograniczenie jak i gdzie urządzenia - takie jak silniki i wysokonapięciowe grzejniki elektryczne - są podłączone, może wyeliminować większość zakłóceń przez nie generowanych.

Podczas pracy z podwykonawcą instalacji, należy poprosić o instalację paneli dystrybucji energii, czyli skrzynek z bezpiecznikami, oddzielnie dla każdej powierzchni biurowej. Ponieważ przewody zerowe i uziemiające z każdego gniazda schodzą się w skrzynce bezpiecznikowej, powzięcie tego kroku zwiększy szansę na skrócenie przewodów. Pomimo, iż instalowanie oddzielnej skrzynki dla każdej grupy komputerów może zwiększyć koszt okablowania elektrycznego, redukuje to długość przewodów i w ten sposób ogranicza wpływ kilku rodzajów zakłóceń elektrycznych.

Istnieje kilka sposobów ograniczania zakłóceń elektromagnetycznych i radiowych. Jednym ze sposobów jest zwiększenie rozmiarów kabli przewodzących. Innym sposobem jest użycie lepszej izolacji. Jednakże takie zmiany zwiększają rozmiar i koszt kabla szybciej, niż zwiększana jest jego jakość. Tak więc bardziej spotykane jest ustalenie przez projektantów sieci kabla o dobrej jakości i ustalenie specyfikacji określającej maksymalną rekomendowaną długość kabla pomiędzy poszczególnymi elementami.

Dwie techniki, jakie projektanci okablowania w udany sposób wykorzystują w eliminowaniu zakłóceń elektromagnetycznych i radiowych, to ekranowanie i anulowanie. W kablu wykorzystującym ekranowanie, metalowa folia lub siatka osłania każdą parę przewodów lub grupę par przewodów. Ekranowanie działa jak bariera dla sygnałów zakłócających. Jednakże zwiększa to średnicę i koszt kabla. Wobec tego anulowanie jest częściej stosowaną techniką ochrony przed niepożądanymi zakłóceniami.

Gdy prąd elektryczny płynie w przewodzie, wytwarza małe, okrągłe pole magnetyczne wokół niego. Kierunek linii tego pola zależy od kierunku przepływu prądu. Jeżeli dwa przewody są częścią tego samego obwodu elektrycznego, elektrony przepływają po jednym przewodzie od ujemnego źródła napięcia aż do celu. Potem elektrony przepływają od celu do dodatniego źródła napięcia po drugim przewodzie. Gdy te przewody znajdują się blisko siebie, ich pola magnetyczne są sobie przeciwne. W takim razie, będą one się nawzajem anulować. Będą anulowały również wpływ innych, zewnętrznych pól magnetycznych. Skręcenie przewodów ze sobą zwiększa ten efekt. Anulowanie połączone ze skręcaniem zapewnia projektantom okablowania efektywną metodę samoczynnego ekranowania par przewodów w mediach sieciowych.

Rozpraszanie, rozsynchronizowanie i bezwładność są trzema różnymi rzeczami, jakie mogą przydarzyć się bitom. Są one zgrupowane razem, gdyż mają wpływ na to samo - czas przesyłu bitu. Ponieważ próbujemy zrozumieć, jakie problemy mogą się pojawić podczas transmisji milionów bitów na sekundę, czas przesyłu ma duże znaczenie.

Rozproszenie występuje wtedy, gdy sygnał rozszerza się w czasie. Jest to spowodowane użytym typem medium. Jeżeli jest to wystarczająco poważne, jeden bit może zakłócić następny bit. Ponieważ wysyłane ma być miliardy bitów na sekundę, trzeba uważać, by nie dopuścić do sytuacji rozproszenia bitów. Rozproszenie może zostać usunięte przez poprawienie projektu okablowania, ograniczenie długości kabla i dobranie odpowiedniej oporności. W włóknach optycznych rozproszenie może być kontrolowane poprzez używanie światła laserowego o bardzo konkretnej długości fali. W przypadku komunikacji bezprzewodowej, rozproszenie może być zminimalizowane przez odpowiedni dobór częstotliwości.

Wszystkie systemy cyfrowe podlegają działaniu impulsów zegarowych. Impulsy zegarowe powodują, że procesor oblicza, dane są zachowywane w pamięci, a karta sieciowa wysyła bity. Jeżeli zegar urządzenia źródłowego nie jest zsynchronizowany z urządzeniem docelowym, pojawią się przekłamania transmisji. Polega to na tym, że bity będą docierać do urządzenia szybciej niż powinny. Przekłamania te mogą zostać wyeliminowane poprzez szereg skomplikowanych synchronizacji zegara, sprzętowych i programowych, jak też synchronizacji protokołów.

Bezwładność, znana też jako opóźnienie ma dwie główne przyczyny. Po pierwsze, teoria względności Einsteina mówi, że nic nie może poruszać się szybciej niż z prędkością światła w próżni (3,0 x 10 ⁸ m/s). Sygnały sieci bezprzewodowych przemieszczają się z prędkością nieco mniejszą niż prędkość światła w próżni. Sygnały sieciowe w mediach miedzianych przemieszczają się z prędkością rzędu 1,9 x 10⁸ m/s do 2,4 x 10⁸ m/s. Sygnały sieciowe w włóknach optycznych przemieszczają się z prędkością około 2,0 x 10⁸ m/s. Więc aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia, bit potrzebuje przynajmniej niewielkiej ilości czasu. Po drugie, gdy bit przechodzi przez urządzenia, tranzystory i elektronik wprowadzają większe opóźnienia. Rozwiązaniem tego problemu jest uważny dobór urządzeń sieciowych, różne strategie kodowania informacji i różne protokoły warstwowe.

Nowoczesne sieci zwykle pracują z prędkościami od 1 Mbps (megabita na sekundę) do 155 Mbps i większych. Niedługo będą pracować z prędkością 1 Gbps, czyli miliarda bitów na sekundę. Jeżeli bity są rozproszone, to jedynki mogą mylić się z zerami i na odwrót. Jeżeli grupy bitów podążą inną trasą i nie zwróci się uwagi na synchronizację czasu, powstałe przekłamania mogą powodować błędy, gdy odbierający komputer próbuje połączyć otrzymane pakiety w informację. Jeżeli grupy bitów się spóźnią, urządzenia sieciowe i inne komputery docelowe mogą się beznadziejnie pogubić w milionach bitów otrzymywanych co sekundę.

Do kolizji dochodzi wtedy, gdy dwa bity z dwóch różnych, komunikujących się komputerów znajdą się na wspólnym medium w tym samym czasie. W przypadku mediów miedzianych, napięcia z dwóch sygnałów binarnych są wtedy dodawane, dając trzeci poziom napięcia. Wahania napięcia są niedozwolone w systemach binarnych, które są w stanie zrozumieć jedynie dwa poziomy napięcia. Bity są więc zniekształcone i zniszczone.

Niektóre technologie, tak jak Ethernet, radzą sobie z pewną ilością kolizji poprzez ustalenie czyja kolej jest w danym momencie na nadawanie. W niektórych przypadkach kolizje są naturalną częścią funkcjonowania sieci. Jednakże zbyt duża ich ilość może spowolnić sieć lub nawet ją zatrzymać. Tak więc dużo wysiłku w planowaniu sieci koncentruje się na lokalizowaniu i minimalizowaniu kolizji.

Jest wiele sposobów radzenia sobie z kolizjami. Jednym z nich jest po prostu ich wykrywanie i posiadanie zbioru reguł radzenia sobie z nimi, tak jak w Ethernecie. Innym sposobem jest próba zapobiegania kolizjom poprzez pozwolenie tylko jednemu komputerowi w danej chwili na transmisję po wspólnym medium. Wymaga to otrzymania przez komputer specjalnego wzoru bitów, zwanego znacznikiem (lub tokenem), tak jak w sieciach typu token ring (o topologii logicznego pierścienia) i FDDI.

Gdy bit dotrze do medium transmisyjnego, przemieszcza się i może doświadczyć tłumienia, odbicia, zakłóceń, rozproszenia, lub kolizji. Jednakże transmituje się więcej niż 1 bit. Naprawdę transmituje się miliardy bitów na sekundę. Wszystkie dotąd opisane zdarzenia mogące wpływać na bit, mają odniesienie również do poszczególnych jednostek danych modelu OSI. Osiem bitów to bajt. Wiele bajtów to ramka. Ramki zawierają pakiety. Pakiety przenoszą wiadomość, którą chcemy przekazać. Profesjonaliści sieciowi często mówią o stłumionych, odbitych, zakłóconych, rozproszonych i kolidujących ze sobą ramkach i pakietach.

Gdy chcemy przesłać wiadomość na dalszą odległość musimy rozwiązać dwa problemy. Po pierwsze, jak wyrazić wiadomość (kodowanie, modulacja) i po drugie, jakiej metody użyć do transportu wiadomości (nośnik).

Historycznie istniało wiele sposobów rozwiązywania problemu długodystansowej komunikacji: biegacze, jeźdźcy, konie, teleskopy optyczne, gołębie pocztowe i sygnały dymne. Każda z tych metod wymagała pewnego typu kodowania. Przykładowo sygnały dymne oznaczające znalezienie zwierzyny łownej mogły mieć postać trzech małych chmurek dymu. Wiadomość o szczęśliwym końcu podróży, przekazana przez gołębia pocztowego, mogła mieć postać uśmiechniętej twarzy. W czasach nowożytnych, stworzenie kodu Morse'a zrewolucjonizowało komunikację. Dwa symbole - kropka i kreska - były użyte do reprezentowania alfabetu. Na przykład xxx---xxx oznacza SOS, uniwersalny sygnał żądania pomocy. Nowoczesne telefony, faksy, radia i telewizory kodują swoje sygnały elektronicznie. Zwykle wykorzystuje się modulację fal z różnych części spektrum elektromagnetycznego.

Kodowanie oznacza konwertowanie danych binarnych w formę, która może przemieszczać się po fizycznym łączu komunikacyjnym - modulacja oznacza używanie danych binarnych do manipulowania falą. Komputery wykorzystują trzy technologie, z których każda ma swój odpowiednik w historii. Te technologie to: kodowanie wiadomości jako napięć na różnych typach przewodów miedzianych; kodowanie wiadomości jako impulsów kierowanego światła na włóknie optycznym; i kodowanie wiadomości jako modulowanych, promieniujących fal elektromagnetycznych.

Kodowanie oznacza przekształcanie zer i jedynek w coś prawdziwego, namacalnego, tak jak:

• impuls elektryczny w przewodzie
• impuls świetlny w włóknie optycznym
• impuls fal elektromagnetycznych w próżni

Dwie z metod kodowania to: kodowanie NRZ i kodowanie Manchester.

Kodowanie NRZ (non-return to zero) jest najprostsze. Charakteryzuje się wysokim i niskim poziomem sygnału (często +5V lub +3,3V dla binarnej jedynki i 0V dla binarnego zera). W światłowodach binarna jedynką może być jasne światło diody lub lasera, a zerem - brak światła. W sieciach bezprzewodowych binarna jedynka może oznaczać obecność fali nośnej, a binarne 0 - brak fali.

Kodowanie Manchester jest bardziej złożone, lecz jest bardziej odporne na zakłócenia i lepiej daje się synchronizować. W kodowaniu Manchester napięcie w kablu miedzianym, światło diody lub lasera, lub moc fali elektromagnetycznej w przestrzeni przenosi bity zakodowane jako stany przejściowe. Kodowanie Manchester oznacza jedynkę jako przejście ze stanu niskiego do wysokiego, a zero jako przejście ze stanu wysokiego do niskiego. Ponieważ tak 0 jak i 1 powoduje zmianę w sygnale, impulsy zegarowe mogą być poprawnie odczytywane przez odbiornik.

Blisko związana z kodowaniem jest modulacja, która oznacza po prostu zmienianie (modulowanie) fali tak, aby przeniosła ona informację. Aby mieć pojęcie, czym jest modulacja, zbadajmy trzy formy modyfikowania, czyli modulowania fali nośnej, aby przenosiła bity:

• AM - modulacja amplitudy (amplitude modulation) - amplituda, czyli wysokość fali jest zmieniana
• FM - modulacja częstotliwości (frequency modulation) - częstotliwość fali jest zmieniana
• PM - modulacja fazy (phase modulation) - faza (punkt początkowy i końcowy danego cyklu) jest zmieniana

Istnieją także inne, bardziej skomplikowane formy modulacji. Rys. 2 pokazuje trzy sposoby w jakie dane mogą być zakodowane w fali nośnej, podczas procesu modulacji. Binarne 11 (czyt. jeden jeden, a nie jedenaście) może być przekazane przez falę jako AM (fala włączona/wyłączona), FM (fala wygina się dużo dla jedynek, mało dla zer), lub FM (jeden typ fazy dla zer, inny dla jedynek).

Wiadomości mogą być zakodowane na różne sposoby:

1. Jako napięcia w miedzi; popularne kodowania w sieciach bazujących na miedzi to Manchester i NRZ.
2. Jako kierowane światło; Kodowanie Manchester i kodowanie 4B/5B są popularne w sieciach światłowodowych.
3. Jako emitowane fale elektromagnetyczne; wiele różnych typów kodowania (modyfikacje AM, FM i PM) jest używanych w sieciach bezprzewodowych.

Ten rozdział omówił podstawową teorię elektryczności i czynniki wpływające na transmisję danych. Były to mianowicie następujące fakty:

• Elektryczność opiera się na umiejętności oddzielania się elektronów od niektórych atomów.
• Przeciwne ładunki przyciągają się, a podobne odpychają. Elektryczność przepływa przez obwód elektryczny od ujemnego końca do dodatniego.
• Materiały mogą być izolatorami, przewodnikami, albo półprzewodnikami, w zależności od ich zdolności przewodzenia elektronów.
• Prąd przemienny i prąd stały są dwoma typami prądu. Prąd przemienny (AC) doprowadzany jest do domów, szkół, biur. Prąd stały (DC) używany jest w urządzeniach, które zasilane są bateriami.
• Przewód zerowego napięcia zapewnia podstawę używaną do pomiaru napięcia. Uziemienie jest mechanizmem zabezpieczania przed niebezpiecznymi porażeniami.
• Wszystkie urządzenia elektroniczne składają się z obwodów elektrycznych, które regulują przepływ elektronów poprzez przełączniki.

Następny rozdział omawia różne typy mediów sieciowych używanych w warstwie fizycznej. Dodatkowo, opisuje on jak urządzenia sieciowe, specyfikacje kabli, topologie sieci, kolizje i domeny kolizji mogą pomóc ustalić takie rzeczy, jak ilość przepływających przez siec danych i prędkość ich przepływu.