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物理层

我们以一个非常简单的例子开始:

两服务器通讯问题

如上图,有两台服务器,分别是Server 1Server 2。 我们先做一个假设:计算机网络现在还没有被发明出来, 作为计算机科学家的你,想在这两台服务器间传递数据,怎么办?

这时,你可能会想到,用一根电缆把两台服务器连接起来:

物理课大家都学过,电线可以分为低电平高电平。 电平可以高低变化,这样不就可以传递信息了么: Server 1控制电缆电平的高低,Server 2检测电平的高低,这样就实现了Server 1Server 2发送数据啦!

更进一步,可以将高低电平抽象成数学语言:我们用低电平表示0,高电平表示1,这样就得到一个理想化的信道:

通过信道,双方可以传递一些01比特流。 例子中,我们传输的比特流是1111010101...(从右往左看)。 比特流可以编码任意信息: 比如,我们用1111表示告诉对方本地开机了,用0000告诉对方本地准备关机了。

到目前为止,我们是不是万事具备了呢? 一个比特流信道成为现实?——理论上是这样子的。 但是,现实世界往往要比理想化的模型复杂一些。

结尾在哪?

首先,如上图,信道是无穷无尽的。 因为,信道状态要么为0,要么为1,没有一种表示空闲的特殊状态。

举个例子,如上图,Server 1Server 2发送比特序列101101001101(从右往左读)。 最后一个比特是1,对应的电平是高电平。 发送完毕后,由于没有没有其他地方改变电缆的电平,所以还是维持高电平状态。 也就是说,信道看起来还是按照既定节拍,源源不断地发送1(灰色部分),Server 2怎么检测结尾在哪里?

我们可以定义一些特殊的比特序列,用于定义开头结尾:101010表示开头,010101表示结尾。

这时,Server 1先发送101010(红色),告诉Server 2我要开始发数据了; 然后,Server 1开始发送数据1101011(黑色部分); 最后,Server 1发送010101(绿色),告诉Server 2数据发送完毕。 注意到,平时信道为1(灰色),也就是代表空闲状态。

冲突仲裁

如果两台服务器同时往信道里发送数据,会发生什么事情呢?

肯定冲突了嘛!一台发0,一台发1,那你说信道到底是0还是1?对吧? 那么,冲突要怎么解决呢?

解决方式也简单,只需在硬件层面实现一种机制:在检测到两台服务器同时发送数据时,及时喊停,并协商到底由哪一方先发。

总结

本节讨论了一个最简单的模型,解决两台服务器之间的通讯问题。 通过电缆,在两台机器间建立了一个理想的比特流传输信道。 这其实就是网络分层结构中最底层——物理层的作用:

  • 传输比特流
  • 依赖物理(电气)特性

这一层对开发人员来说,基本上是透明的,我们只需将其理解成一个比特流传输信道即可。 至于细节问题,高低电平啦,信号啦,各种物理特性啦,通通留给电子工程师去关心好啦!

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