【小菜学网络】物理层概述
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?
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 和 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:
主机①首先发送
101010
(绿色),告诉主机②,它开始发数据了;主机①接着发送数据
01101011
(黑色部分);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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