Die Übertragung von Bits in einem Rechnernetzwerk beruht auf einer physikalischen Signalübertragung. Dabei werden Bits durch Signale ausgedrückt, man spricht von einer Bitkodierung. Eine Signalübertragung bewirkt dann eine Bitübertragung. Bevor auf Bitkodierungen eingegangen wird, sollen zunächst Signale betrachtet werden.
In der Umgangssprache wird der Begriff Signal nicht einheitlich verwendet, allerdings ist eine Diskussion seiner unterschiedlichen Bedeutungen im Rahmen der Lehrveranstaltung nicht erforderlich. Hier genügt es, unter einem Signal den zeitlichen Verlauf einer physikalischen Größe zu verstehen. Als Beispiel denke man an den Verlauf einer elektrischen Spannung.
Üblicherweise wird einem Signal eine Bedeutung zugeordnet. Beispiele sind die Töne von Sirenen. Oft weist die Höhe dieser Töne, ihre Dauer oder ihre Periodizität auf eine Gefahrensituation hin. Dass Töne auch im Bereich der Bitübertragung eine Rolle spielen, zeigen die noch bis zum Ende des letzten Jahrhunderts weit verbreiteten Akustikkoppler. Diese Geräte nutzen den Telefonhörer einer Fernsprecheinrichtung, um Daten, die zu Tönen aufbereitet werden, über das Telefonnetz als gesprochene Sprache (es sind Piepslaute) zu übertragen. Üblicherweise werden jedoch für die Bitübertragung physikalische Größen aus dem Elektromagnetismus oder der Optik verwendet.
Jede physikalische Einrichtung, die es erlaubt, ein Signal, das an einem bestimmten Ort erzeugt oder verändert wird, an einem anderen Ort direkt oder indirekt zu messen, kann für eine Bitübertragung verwendet werden. Das folgende Beispiel zeigt eine solche sehr einfache physikalische Einrichtung mit einer indirekten Messung:
Ist der Schalter geöffnet, bleibt die Lampe dunkel und der Ableser (Empfänger) misst dadurch indirekt eine Spannung von 0 Volt. Wird der Schalter geschlossen, verändert sich der Spannungswert auf z.B. 220 Volt, was der Ableser wieder indirekt misst, wenn er sieht, dass die Lampe brennt. Durch diese physikalische Einrichtung wird ein Signal von dem Ort, wo sich der Schalter befindet, an den Ort, wo sich die Lampe (die Messeinrichtung) befindet, übertragen.
Die bei der Bitübertragung eingesetzten Signale können in zwei Gruppen eingeteilt werden, und zwar in
Wenn die als Signal verwendete physikalische Größe kontinuierliche Werte annehmen kann, spricht man von einem analogen Signal. Als Beispiel kann eine elektrische Wechselspannung angeführt werden, die an ein Kupferkabel angelegt wird, und zu einem Signal mit einem periodischen Verlauf führt.
Hat die verwendete physikalische Größe nur einen diskreten Vorrat an Werten, dann liegt ein digitales Signal vor. Das ist beispielsweise bei einer Verkehrsampel der Fall, deren Lichtsignal nur die Werte rot, gelb, grün und den Spezialwert aus aufweist.
Ein Spezialfall eines digitalen Signals liegt vor, wenn die verwendete physikalische Größe genau zwei Werte hat. Solche Signale heißen binär. In der Netzwerktechnik werden sie wegen ihrer besonders einfachen und kostengünstigen Herstellungsmöglichkeit gerne verwendet. Ein einfacher Ein- und Ausschalter für irgendein technisches Gerät führt zu einem binären Signal.
Daten werden in Rechnern als Bits dargestellt. Das sind logische Größen, die nur die Werte 0 oder 1 annehmen können und immer einen dieser beiden Werte haben. Von einer Bitkodierung wird gesprochen, wenn Bits in Signale umgesetzt werden. Dafür können alle drei genannten Signalarten verwendet werden.
Bei einem binären Signal kann die verwendete physikalische Größe genau zwei mögliche Werte annehmen, die in kanonischer Weise für die beiden Bitzustände benutzt werden können. Bei digitalen Signalen, also bei Signalen mit mehr als zwei diskreten Werten, werden zwei dieser Werte ausgezeichnet und den beiden Bitzuständen zugeordnet.
Analoge Signale können verwendet werden, wenn sie einen periodischen Verlauf, zum Beispiel eine Sinusform haben, denn solche Signale können moduliert werden. Darunter versteht man üblicherweise Verlaufsmodifikationen an der Amplitude, der Frequenz oder der Phase des (periodischen) Signals. Bei der sogenannten Amplitutenmodulation beispielsweise wird der maximale Wert, den der periodische Verlauf annehmen kann, variiert. Es werden zwei Amplitutenhöhen ausgezeichnet und eine mit dem Bitwert 0, die andere mit dem Bitwert 1 identifiziert. Auf diese Art können allgemeiner die diskreten Werte eines digitalen Signals nachgebildet werden.
Bei der bisher beschriebenen Bitübertragung durch Signale entsteht bei allen drei Signalarten ein Problem bei einer naiven Übertragung von Bitfolgen. Zwar ist eine Bitfolge, bei der auf eine 0 immer eine 1 und auf eine 1 immer eine 0 folgt, gut zu erkennen, aber wird beispielsweise eine Folge von Nullen gesendet, kann der Empfänger nicht so ohne weiteres feststellen, wie viele Elemente diese Folge hat. Der Empfänger hat ein Trennungsproblem.
Eine Möglichkeit, um dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Zeitachse des Signals, das ist anschaulich die x-Achse, zu rastern. Dabei wird die Zeitachse in gleich große Intervalle (Slots) eingeteilt. Eine Bitfolge wie 10001 wird dann folgendermaßen umgesetzt:
Diese Zeitrasterungsmethode setzt allerdings voraus, dass der Empfänger der Bitfolge dieselbe Uhr benutzt wie der Sender, denn er muss Bit für Bit zum jeweils richtigen Zeitpunkt ablesen. Hat er nicht dieselbe Uhr, muss seine Uhr regelmäßig, möglicherweise sehr oft, mit der Uhr des Senders synchronisiert werden. Das bereits mehrfach erwähnte Ethernet, das im Abschnitt 6.3 (Ethernet) vorgestellt wird, geht beispielsweise diesen Weg.
Um ohne eine Zeitrasterung Bits voneinander zu trennen, reichen zwei Werte der physikalischen Größe nicht aus. Dazu bedarf es der Verwendung wenigstens dreiwertiger Signale. Beispielsweise könnte bei einem dreiwertigen Signal, dessen Werte als 0, 1 und 2 bezeichnet werden sollen, der Wert 2 als Bittrenner verwendet werden, während die anderen beiden für die Bitwerte 0 und 1 stehen könnten. Die folgende Grafik zeigt diesen Sachverhalt:
Hier sind weder eine Rasterung der Zeitachse noch Uhrensynchronisationen erforderlich, und die Bits können unterschiedliche zeitliche Längen aufweisen. Mit zusätzlichen Werten auf der y-Achse könnten dann auch der Anfang und das Ende einer Bitfolge kodiert werden, usw. Allerdings wird die dafür erforderliche Technik immer aufwändiger.
Steht für die Übertragung von Bitfolgen nur genau eine Signalübertragungseinrichtung zur Verfügung, dann muss jede Bitfolge Bit für Bit übertragen werden. Diese Art der Bitübertragung wird seriell genannt. Aber angenommen, man kann mehrere (zum Beispiel acht) Übertragungseinrichtungen nebeneinander benutzen, dann kann man mehrere Bits (zum Beispiel ein Byte) anstelle nur eines einzigen übertragen, was als parallele Bitübertragung bezeichnet wird.