物理层概述

人非生而知之者,孰能无惑?惑而不从师,其为惑也,终不解矣。

—— 唐·韩愈·《师说》

通讯模型

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,想在两台主机间传输数据,该怎么办呢?

这时,你可能会想到,用一根电缆将两台主机连接起来:

物理课大家都学过,电压可以分为 低电平高电平 。因此,我们可以通过控制电平高低,来达到传输信息的目的: 主机①控制电缆电平的高低, 主机②检测电平的高低,主机间数据传输便实现了!

用数学语言进一步抽象:以低电平表示 0 ,高电平表示 1 。这样就得到一个理想化的信道:

通过信道,双方可以传输由 0 和 1 组成的比特流,上图中传输的比特流是 1111001011... (从右往左看)。比特流可以编码任意信息,例如:用 1111 告诉对方本地开机了,用 0000 告诉对方本地准备关机了。

至此,我们是否得到一个可靠的比特流信道,万事具备了呢? ——理论上是这样的,但现实世界往往要比理想化的模型更复杂一些。

收发控制

信道是无穷无尽的,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,主机①向主机②发送比特序列 101101001101 ,如下图(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,主机①停止控制电缆电平,所以仍保持着高电平状态:

换句话讲,信道看起来仍按照既定节拍,源源不断地发送比特 1 (灰色部分), 主机②如何检测比特流结尾呢?

我们可以定义一些特殊的比特序列,用于标识开头和结尾。例如, 101010 表示开头, 010101 表示结尾:

  1. 主机①首先发送 101010 (绿色),告诉主机②,它开始发数据了;
  2. 主机①接着发送数据 01101011 (黑色部分);
  3. 主机①最后发送 010101 (红色),告诉主机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向信道发送数据,会发生什么事情呢?

一边发 0 ,一边发 1 ,那信道到底应该是 0 还是 1 呢? 肯定冲突了嘛!有什么办法可以解决冲突吗?

方案①,引入一根新电缆,组成双电缆结构,每根电缆只负责一个方向的传输。这样一来,两个方向的传输保持独立,互不干扰,可以同时进行。这样的传输模式在通讯领域称为 全双工模式

方案②,在硬件层面实现一种仲裁机制:当检测到多台主机同时传输数据时,及时叫停,并协商哪一方先发。这样一来,信道同样支持双向通讯,但不可同时进行。这种传输模式则称为 半双工模式

  • 单工 ( simplex ),只支持单向通讯,即从其中一端发往另一端,反之不行;
  • 半双工 ( half duplex ),支持双向通讯,但不可同时进行;
  • 全双工 ( full duplex ),支持双向通讯,而且可以同时进行;

常见物理介质

除了电信号,还有其他物理信号亦可充当通讯介质。那么,常见的物理介质都有哪些呢?

  • 电信号,例如电缆,网线就是电缆中的一种;
  • 光信号,例如光纤;
  • 电磁波,例如 WiFi ,无线网卡,蓝牙等;

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