

Bilgisayarların, veri haberleşmesinin ve ağların amacı veriyi bilgiye çevirmektir. Veri bir bilgisayarda saklanır ve bir haberleşme sistemi üzerinden ikilik tabanda (0 veye 1' ler biçiminde) iletilir.
Bir bilgisayardaki bitler elektrik işaretinin polarizasyon seviyeleri ile gösterilirler. Bir bilgisayardaki saklama elemanı içindeki yüksek-seviye işareti 1'i ve alçak-seviye işareti 0'ı gösterebilir. Bu elemanlar birlikte dizilerek belirlenmiş kodlara göre sayı ve karakterleri oluştururlar.
Veri; haberleşme yolu üzerinden (örneğin telefon hattı) bilgisayar-yönlendirmeli cihazlar arasında elektrik işaretleri ve bit katarları ile iletilir. Bu elektrik işaretleri ve bit katarları harf ve karakterleri belirtir. Bazı durumlarda, veri ışık işaretleri ile gösterilir (fiber optik hatlarda). Bit dizileri kullanıcı verisini ve kontrol verisini tanımlar. Kontrol verisi, haberleşme ağını ve kullanıcı verisi akışını yönetmek için kullanılır.
Şekil 1-1'de, verinin gönderici cihazdan çıkışı, haberleşme ortamından geçişi ve alıcı cihaza gelişi görülmektedir. İkilik veri kodu, terminaller ve çıkışlarda on tabanına çevrilirek gösterilir.
Saniye başına bit (bit/sn) terimi iletim hızını belirtmek üzere kullanılır. Bu terim haberleşme yolu veya parçası üzerinden saniyede iletilen bit sayısını verir. Örneğin 2400 bit/sn'lik bir hat, bir sayı veya karakteri belirtmek için 8-bit'lik kodlar kullanıyorsa, saniyede iletilen karakter sayısı 300 (2400 / 8) olur. Haberleşme hızı genelde bit/sn oranı ile verilir.
Veri haberleşmesini anlamak için, elektriğin iletim karakteristikleri hakkında genel bir bilgiye sahip olunmalıdır. Hat kapasitesi, hata kontrol teknikleri, haberleşme yazılımı, ve diğer pek çok ağ bileşeni elektriğin yapabildikleri ve sınırlamaları çerçevesinde analiz edilir ve tasarlanır.
Şekil 1-1'den de görüldüğü gibi veri, haberleşme kanalı üzerinden elektrik işaretinin değişimleri ile iletilir. Bu değişimler 1 ve 0'ları gösterir. Elektrik işaretinin konumu kendini ya bir işaret seviyesi ya da bir başka kompleks elektrik işareti şeklinde gösterir. Bir işaretin iletim yolu üzerindeki hareketine işaret yayılması denir. Bir kablo yolu üzerinde, işaret yayılması elektrik akımı şeklindedir. Bilgisayar siteleri arasındaki radyo transmisyonu ise, havada elektromanyetik dalga olarak yayılan elektrik işaretlerinin algılanması ile başarılır.
Tüm maddeler temel parçaların bileşiminden oluşur. Bu parçalar elektriksel yük taşıyabilirler. Bu parçalardan bazıları, sırası ile negatif ve pozitif polarizasyonlu elektronlar ve protonlardır. Bu parçalar belli bir düzende birleşerek atomları oluştururlar. Negatif ve pozitif atomlar birbirlerini çekerek atomun kararlığını sağlarlar. Elektrik akımı haberleşme yolu veya iletkeninin bir ucundan elektrik yükü girişi ile sağlanır. Örneğin, iletkenin gönderici ucuna negatif yük yerleştirirsek, bu yük yoldaki negatif yüklü elektronları diğer uca itecek ve bir akım oluşacaktır. Esasen, elektrik akımı, dolayısıyla bir veri haberleşme işareti, bu elektronların iletken yol üzerindeki hareketleridir.
Haberleşme kanalındaki birçok işaret Şekil 1-1 ve Şekil 1-2(a)'da görüldüğü gibi salınım yapan dalga şekilleri içerir. Bilgisayar verilerinin taşınmasını sağlamak için salınım yapan işaretlerin üç parametresi değiştirilebilir (genlik, frekans, faz). Genlik veya gerilim kablo üzerine düşen elektrik yükü miktarı ile belirlenir. Şekil 1-1'den bu gerilimin ikilik konumlara (1 veya 0) bağlı olarak yüksek veya düşük olduğu durumlar görülmektedir.
Elektriğin bir diğer karakteristiği watt birimi ile ölçülen güçtür. İşaret gücü, işaretin bir kablolu haberleşme devresinde gidebileceği veya yayılabileceği mesafeyi belirler.
Baud terimi de veri haberleşmesinde sıkça kullanılır. Bu terim hat üzerindeki işaretin değişme oranını tanımlar. Bunu işaret hızı olarak da açıklayabiliriz. Örnek olarak, Şekil 1-1'deki gönderici cihaz bitleri ikili gruplar halinde toplamakta (00,01,10,11) ve bunlardan her bir grup için farklı genliklerde salınım yapan dalga şekilleri elde etmektedir. Bu örnekte, bit transfer oranı baud'un (ya da işaret değişme oranının) iki katıdır. Günümüzde kullanılan modemler her bir baud için 8-bit oranlarına kadar çıkarak daha büyük bir işaret transfer kapasitesine ulaşırlar.
Şekil 1-1'de görülen işleme modülasyon denir. Bu terim veri katarının haberleşme yolu için değiştirilmesi veya modüle edilmesi anlamındadır.
İşaret aynı zamanda frekansından, başka bir deyişle belli bir zaman aralığında yaptığı tam salınım sayısından tanınır. Frekans saniye başına yapılan salınım sayısı ile ölçülür. Elektrik endüstrisinin tanımladığı 1 Hz birimi, saniyede bir salınım demektir.
Frekansı tanımlamak için kullanılan bir başka terim birim saniyedeki çevrim sayısıdır (cps: cycles per second). Dalganın frekansının, genliği ile ilgisi yoktur. İşaretler genlik ve frekansın değişik kombinasyonlarına sahip olabilirler. Genlik işaret seviyesini ve negatif veya pozitif gerilim değerini belirtirken frekans, işaret salınım oranını (Hz birimi ile) belirtir.
İşaretin fazı, işaretin çevrimine ne kadar ileriden başladığını tanımlar. Şekil 1-2(b)'de işaretin fazı; başlangıç (0°), ¼ çevrim (90°), ½ çevrim (180°), ¾ çevrim (270°) ve tam çevrim (360°) noktalarında gösterilmektedir. Dalga, şekilde görüldüğü üzere, sinüs dalgasında veya bir çemberde olduğu gibi dereceler ile de etiketlenebilir. Sinüs dalgası denmesinin sebebi, dalganın trigonometrik sinüs fonksiyonunda olduğu gibi değişim göstermesindendir. Sinüs dalgası, çembersel hareketten üretilmiştir. Elektrik işaretlerinin trigonometri kullanılarak tanımlanması mühendisler için çok değerlidir.
Bir yoldaki veri işaretinin bilgi oranı kısmi olarak işaretin genlik, frekans (veya frekanslar) ve fazına bağlıdır. Şekil 1-1'den görüldüğü gibi bilgi oranı (bit/sn), işaretin hangi sıklıkta durum değiştirdiğine bağlıdır. İşaretin genlik, frekans ve fazındaki değişiklikler hat üzerinde bir durum değişimi oluştururlar. Bu değişim 0'ı 1'e veya 1'i 0'a çevirir. İkilik 1'ler ve 0'lar, hat üzerinde bilgisayarlar arası akan, kullanıcı veri mesajlarındaki karakter ve harfleri temsil etmek üzere kodlanırlar.
Yukarıda bahsedilen işarete analog işaret denir çünkü sürekli yani ayrık olmayan bir karakteristik gösterir. Bu şekildeki bir iletim, bilgisayarlarda kullanılan ayrık ikilik sayıların iletimi için tasarlanmamıştır. Geniş bir kullanım alanına sahip olmasının nedeni, ilk zamanlarda veri haberleşme ağları geliştirilirken analog kolaylıklar sağlayan telefon sisteminin halihazırda mevcut olmasıdır.
Telefon hattı, analog bir doğası olan sesi taşımak için tasarlanmıştır. İnsan sesi analog dalga şeklinde çıkar. İşaretler hava basıncının değişmesi ile salınım yapan örneklerdir. Bu mekanik titreşimler telefon mikrofonu tarafından hissedilir ve elektriksel gerilim örneklerine çevrilir.
Analog ses işareti ve dönüştürüldüğü elektriksel işaret tek bir frekansta değildir. Daha doğrusu ses ve onun telefon hattındaki elektriksel karşılığı, birçok farklı frekanstaki dalga şekillerini içerir. Bu frekansların belirli bileşimleri sesi ve sesin perdesini tayin eder. Doğadaki bir çok olay farklı frekansların bileşimi ile meydana gelir. Örneğin; gökkuşağındaki renkler farklı ışık dalgası frekanslarından; müzik sesleri yüksek veya alçak perdelerin oluşturduğu farklı akustik frekanslardan oluşur. Bu olaylar frekans bandları veya aralıkları içerirler.
İnsan kulağı 40 Hz ile 18000 Hz arası sesleri algılayabilir. Telefon sistemi bu frekans bandının tümünü iletmez. Tam aralık, ses işaretini alıcıda oluşturmak için gerekli değildir. Ekonomik nedenlerden dolayı telefon hatlarında 300 Hz ile 3300 Hz bandı iletilir (tam aralık biraz daha fazladır). Bu nedenle telefonla yaptığımız konuşmalarda sesimiz doğal halinden farklıdır.
Bir haberleşme hattının taşıyabildiği frekans aralığı, hattın band genişliği olarak tanımlanır. Band genişliği veri haberleşmesi için çok önemli bir etkendir çünkü haberleşme hattının kapasitesini (bit/sn), hattın band genişliği belirler. Eğer telefon kanalının band genişliği 3 kHz 'den (300-3300 Hz) 20 kHz 'e çıkarılsaydı, kanal sesin tüm karakteristiğini taşıyacaktı. Bu, aynı zamanda iletilen verinin doğruluğunu arttırır. Daha büyük band genişliği kullanılarak daha iyi bir veri iletim oranı sağlanacağı açıktır.
Band genişliğinin etkileri Shanonon, Fourier ve Nyquist gibi bilim adamları tarafından saptanmıştır. Fourier, periyodik işaretlerin sinüzoidal fonksiyonların toplamı biçiminde elde edilebileceğini göstermiştir. Periyodik olmayan fonksiyonlar da bazı koşullar altında bu şekilde elde edilebilir. Böylece elde edilen toplama Fourier serisi denir (daha detaylı bilgi için Bkz. Haberleşme Teorisi, Prof. Metin YÜCEL, Yıldız Üniversitesi Yayınları). Şekil 1-3'te hattın durumu saniyede 2000 kez değişmektedir; başka bir söyleyişle işaret değişme oranı 2000 baud'tur. 500 Hz ile sınırlı bir band genişliği işaretin doğru olarak algılanması için yeterli olmaz. Band genişliği büyüdükçe sayısal seviyeler daha doğru bir biçimde ortaya çıkacaktır.
Daha büyük band genişliği, daha yüksek hat kapasitesi demektir. Bu durum, Tablo 1-1'in incelenmesi ile anlaşılabilir. Elektromanyetik frekans spektrumu aralıkları göreceli olarak sınırlıdır. Bu aralık, ses frekans bandından başlar, X-ışını veya kozmik ışık bandına kadar sürer. Yüksek frekansların önemi, ses frekans spektrumu ve mikrodalga veya koaksiyel kablo iletim ortamları incelenerek anlaşılabilir. 1 kHz ve 10 kHz arası band genişliği 9 kHz'dir ki bu hemen hemen 3 kHz'de ses taşıyan hatların 3 katıdır. 10 MHz ile 100 MHz arası (HF ve VHF spektrumu) band genişliği 90 MHz'dir ki bu da teorik olarak ses-sınıfı hattın 30000 katına eşdeğerdir. Bu küçük örnek, haberleşme endüstrisinin daha büyük band genişliği kapasitesi için niye yüksek radyo frekanslarını kullanan teknolojilere yöneldiğini göstermektedir.
Bir çevrim için gereken süreye periyot denir. Örneğin, 2400 Hz'deki bir işaret, 0.000416 sn'lik bir çevrim periyoduna sahiptir (1 sn / 2400 = 0.000416 sn). Periyot (T), 1/F olarak hesaplanır ki burada F frekanstır (Hz).
WL = S / F (1-1) WL : Dalga boyu S : İşaretin yayılma hızı F : Frekans
İşaretin dalga boyu ağ cihazı seçiminde, protokol tasarımında ve cevap-zamanı analizinde çok önemlidir.
Çok yaygın olan diğer bir yaklaşım da ikilik değerleri simetrik kare dalga kullanarak iletmektir (Şekil 1-4). Kare dalga pozitif polarizasyondan negatif polarizasyona anlık sürede geçen bir gerilimi gösterir. Kare dalga, sayısal veri iletimi için mükemmel bir şekildir, çünkü ikilik durumlar olan 1 ve 0'ları, pozitif ve negatif değerler ile gösterebilir.
Bir çok haberleşme sistemi analog (AC) iletim kullanmaz. Doğru-akım (DC) iletim, daha basit bir yaklaşımdır. DC işaretler, yalnızca ayrık 1'ler ve 0'ları gösterebilen simetrik kare dalgaya benzerler. Ancak DC iletici, salınım yapan dalga şekli yerine, açık-kapalı elektrik enerjisi darbelerini kullanır. Ek olarak, DC işaret olduğu gibi iletilir, üzerine başka işaret veya frekans bindirilmez (modüle edilmez). Bir AC işaret, başka frekanslar tarafından taşınmak üzere (yeterlilik, hız ve iletim mesafesi etkenleri yüzünden) yeniden şekillendirilir. Bu işaret şekillendirilmesi modülasyon olarak anılır. Bir çok sistem sınırlı bir mesafede çalıştığı için daha güçlü ve daha pahalı olan AC iletime ihtiyaç duymaz, bunun yerine DC işaretleşmeyi kullanır. Sinüzoidal dalga şekli, simetrik kare dalga gibi, uzak mesafe veri haberleşme hatları için gerekli iletim tipidir. Sayısal bit katarları hem DC hem de AC işaretlerle taşınabildiği halde, uzak mesafe iletiminde AC işaretler kullanılır.
Telgraf, DC işaretleşme için iyi bir örnektir. Telgraf cihazının düğmesi bir anahtardır ve operatör tarafından basılınca devreyi kapayarak hattın gönderici ucuna bir gerilim düşürür. Gerilim, hat üzerinde bir akım oluşturur ve alıcıda darbe olarak algılanır. Alıcı, akım darbesini kısa, duyulabilir bir tona çevirir. İlk sistemlerde iletilen akım, alıcı tarafta pille beslenen bir elektromıknatısla aktif edilmekteydi. Elektromıknatıs gelen işarete göre anahtarı çeker veya iterdi (devreyi kapar veya açardı). Bu yapıda çalışan bir anahtarlama cihazına röle denir. Anahtarın mekanik hareketi ile, duyulabilir tıklamalar üretilirdi ve bu tıklamalar bir kod deseni oluştururdu. Anahtarın basılma süresi meşhur Morse Kodu'nun nokta ve çizgilerini belirlerdi.
Bir haberleşme sisteminin iletim sığası (kapasitesi) bit/sn olarak gösterilir. Bilgisayar üzerinde çalışan kullanıcı uygulamaları için cevap süresi ve veri akışı, sistemin sığasına bağlıdır. Örneğin; 4800 bit/sn'lik hat, 2400 bit/sn'lik hattın iki katı sığaya sahiptir. Bu da arttırılmış bir akış ve daha kısa bir cevap-süresi sağlar.
Bunu söyledikten sonra neden hattaki işaret durumunu (baud) daha hızlı değiştiren bir iletici tasarlanmıyor?' diye düşünülebilir. Belirli sınırlar dahilinde bu gerçekten başarılabilir. Ancak haberleşme sistemlerinde kısıtlamalar vardır ve bunlar iletim oranlarına sınırlarlar.
Telefon ağı ses taşımak için üretilmiştir ve düşük band genişlikli işaretlerle çalışır. Yeterli ses kalitesi 3 kHz'lik bir frekans spektrumu gerektirir. Ses-sınıfı devrelerin frekans spektrumu, yüksek bit/sn oranlarının iletimini gerçekleştiremez.
Band genişliği, işaret gücü ve iletken üzerindeki gürültü, iletim sığasını sınırlayan etkenlerdir. Gerçekten de arttırılmış bir işaret gücü hat sığasını arttırır ve aynı zamanda daha uzak mesafelere işaret yayılımı yapılabilmesini sağlar. Ancak aşırı güç, sistemdeki parçalara zarar verebilir ve/veya ekonomik olarak karşılanamayabilir.
Hattaki gürültü problemi hattın tabiatında olan ve ortadan kaldırılamayan bir problemdir. Gürültü (Termal, Gaussian, beyaz veya arka plan gürültüsü), elektronların iletken üzerindeki sabit, rasgele hareketlerinden meydana gelir ve kanal sığasına bir sınırlama getirir. Telefon hatlarında işittiğimiz ıslığa benzer ses böyle bir gürültüdür. Tüm elektrik iletkenleri birer gürültü kaynağıdır. Gürültü gücü, band genişliğe ile doğru orantılıdır, yani band genişliğini arttırmak ek gürültüye yol açacaktır. Eklenen gürültüyü azaltmak için süzme olarak bilinen bir elektronik teknik kullanılır.
Haberleşmenin temel kanunlarından biri Shannon Kanunu'dur. Shannon bir iletim yolunun sığasını aşağıdaki formülle göstermiştir:
C = W log2 (1+S/N) (1-2) C = bit/sn olarak maksimum sığa, W = Band genişliği, S/N = İşaret gücünün (S) gürültü gücüne (N) oranı
Bir kanal üzerinden gönderilebilecek maksimum bilgi miktarı kanal sığası' olarak adlandırılır. Formül incelendiğinde W'yi arttırmanın, işaret gücünü arttırmanın veya gürültü seviyelerini düşürmenin müsaade edilen bit/sn oranını arttıracağı görülebilmektedir. 1000'e 1 S/N oranı olan bir ses-sınıfı hattın müsaade edebileceği maksimum sığa 25900 bit/sn'dir. Shannon kanunu ile bulunan teorik limit, pratikte daha düşüktür. İletimde oluşan hatalar nedeniyle Shannon kanunu tam sınırları ile kullanılamaz. Örneğin; 25900 bit/sn oranı o kadar küçük bir zaman ister ki (1 sn/25900 = 0,00004 bit zamanı) hattaki ufak bir kusur bile bitlerin bozulmasına neden olabilir. İşaret konumunun kendi başına 1 bitten fazlasını göstermesi sağlanarak, yani baud değeri arttırılarak Shannon kanununun zorlamaları hafifletilebilir.
S/N oranını yükseltmek için kullanılan bir yöntem, hatta daha çok işaret yükselticisi koymaktır. İşaret hatta ilerlerken, yükselticiler tarafından periyodik olarak güçlendirilir. Hat boyunca gürültü sabit olduğundan, yükselticiler işaret gücünün belli bir seviyenin altına düşmemesini sağlayacak yeterli aralıklarla yerleştirilmelidir. Ancak yükselticilerin sık aralıklarla yerleştirilmesi S/N oranını arttırırken, aynı zamanda oldukça masraflı olur. Dikkat edilmesi gereken bir nokta da, yükselticilerin dikkatli bir biçimde tasarlanarak işaretle birlikte yükseltilen gürültü oranının en düşük seviyede tutulmasını sağlamaktır.
Sayısal iletim tekniği kullanılarak bir devrenin gerçekten de 25.9 kbit/sn oranından çok daha büyük işaret oranlarını taşıyabilmesi sağlanabilmektedir. Ancak sayısal iletim daha büyük band genişliği ve daha sık aralıklar ile sayısal tekrarlayıcıların (analog yükselticinin sayısal eşdeğeri) kullanılmasını gerektirir. Sayısal iletim için yüksek bir S/N oranı gerekmez çünkü Shannon kanunundan görüldüğü gibi, göreceli olarak, band genişliğindeki küçük bir artma, S/N oranındaki çok daha büyük bir azalma ile karşılanabilir.
Günümüzde, farklı hat hızlarını destekleyen, geniş bir fiyat yelpazesine sahip ürün seçeneklerinin sayısı hızla artmaktadır. Seçim, kaçınılmaz olarak kullanıcı ihtiyacı ve bu ihtiyacın karşılanması için gereken maliyete göre yapılır. Tablo 1-2'de, bazı bulunabilir iletim hız aralıkları ve bunları kullanan tipik kullanıcı uygulamaları görülmektedir. Görüldüğü gibi çok geniş bir seçenek aralığı mevcuttur, ve kbit/sn mertebelerindeki iletim oranları birçok iletim tipi için uygun olmamaktadır.
İşaretin iletim veya yayılma gecikmesi, mühendis ve kullanıcılar için göz önüne alınacak bir başka konudur. Yayılma gecikmesi; kullanılan devrenin türü, alıcı ile verici arasındaki ara noktaların sayısı ve bu noktaların türü gibi çeşitli etkenlere bağlıdır. Yaklaşık olarak koaksiyel kablo ve mikrodalga yolları üzerindeki iletim, 130,000 mil/sn hızındadır. Ancak, işaretin hızı frekansa bağlı olarak değişir. Örneğin, tipik bir telefon hattı (19 gauge) 10 kHz'de yaklaşık 110,000 mil/sn hızında ve 50 kHz'de 125,000 mil/sn hızında çalışmaktadır. Frekans ve kablonun belirli elektriksel karakteristikleri nedeniyle bu hızlar hattın teorik hızı olan 186,000 mil/sn'den daha yavaş olmaktadır. Mesaj ağ üzerinde ara istasyonlara girip çıkarken ek ve önemli gecikmeler meydana gelebilir. Ancak öncelikli iletim gecikmesi, hattın kendinden kaynaklanmaktadır. Anahtarlar ve bilgisayarlar gibi ara parçalar gecikmeye sebep verseler de, genelde çok yüksek hızlarda çalışırlar (nanosaniyeler veya saniyenin milyarda biri mertebelerinde). Tabii ki, bu istasyonların mesajları disk veya teyplerine saklamaları durumunda göz önüne alınması gereken ek gecikmeler meydana gelebilir.
"130,000 mil/sn iletim hızı yeterli midir?" Unutulmamalıdır ki teorik olarak Birleşik Devletler'deki 3000 millik bir hat üzerinden, işaret hedefine 0.023 sn'de (3000 mil/130,000 mil/sn = 0.023 sn) varmaktadır (Hatırlayalım ki, ara parçalar ek bir gecikmeye sebep vermektedir). Bu soru şöyle yanıtlanabilir: İletim hızının yeterliliği kullanıcının ihtiyacına ve kullanıcının uygulamasına bağlıdır. Örneğin, 0.023 sn'lik gecikme, insan operatörler arasındaki bir mesaj transferi için yeterli olurken, iki bilgisayarın dağılmış veri tabanında multiprosess yaptığı bir çevrede yetersizdir. 23 msn'lik bir bekleme süresi bilgisayar işlemcisinin ciddi veri tabanı eşzamanlama problemleri ile karşılaşmasına sebep olmaktadır.

