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
两服务器通讯问题
如上图,有两台服务器,分别是 Server 1
和 Server 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:
通过电缆实现通讯
物理课大家都学过,电线可以分为 低电平 和 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 1
往 Server 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:
理想化信道
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。
发送控制
信道无穷无尽
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。
结尾在哪?
举个例子,如上图, Server 1
向 Server 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。
引入控制比特
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?
发送冲突:两台服务器同时发送数据
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
?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!
进度
新技能Get✔️
下一步
下一节,我们将通过 多服务器通讯问题 进入 数据链路层 的学习。
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