导读

作为一名从事多年的软件开发人员，还是对于网络协议栈的理解太少。于是，最近抽空瞎鼓捣琢磨一番，重新理解一下网络层协议，本篇主要是对于 OSI（Open System Interconnect） 七层协议中最底层（绝大多程序员不关心的一层，可能实际上也不会用得着）的物理层协议进行一番理解后的梳理和总结。

（本篇不是严谨的学术性的文章和探讨，仅仅帮助理解。如有错误，还请不吝赐教。）

通信的本质

互联网的本质是将若干台计算机组织在一起，组织在一起干嘛呢？当然是通信啦。在分析计算机如何通过网络协议通信之前，我们先通过人与人之间的交谈这种最直观的通信方式，来感受整个过程的要点。

人与人的交谈过程

首先说话者经过大脑处理信息，然后发送出去，通过神经传导到喉咙，控制喉咙震动、震动在空气中进行传播、传递到耳膜后感受到震动、震动信息最后通过神经传入听者大脑。

因为我们主要研究的是物理层的通信协议，对于说话本身内容，我们并不讨论和关注，因此，只考虑说话内容如何传递。接下来从以上过程，我们来看看通信的要点有哪些：

1. 两种角色     

这里有两个角色，一个发送者（说话者）一个接收者（听者）。这里分为了几种类型：

【单工通信】比如一个聋子对一个哑巴说话，因为只能一个说，一个人听。

【半双工通信】

 领导跟你说话的时候，你不准打断，你先听，等领导问你问题后，你再回答领导，此时领导听你说。这种同一时间只能一个人说。 

【全双工通信】

你说你的，我说我的，两个人吵架的时候就是如此。

除了发送接收者分类，还有一种在通信里面是按照目的地范围进行分类：

【点对点】

你只跟一个人说悄悄话，不给其他人听。

【广播】

你在街上大喊，大家都能听得到。

2. 信号规则

人与人说话是通过震动频率这种方式来传递信息了，说话的通信是基于对震动频率（音调高低）和振幅（音量大小）进行有机排列组合来达成的，这种控制是人的本能，异常精妙。

大脑命令喉咙准备合适的震动方式，既不能不能尖叫，也也不能低鸣，否则听不到或者听的刺耳，更加也不能低于和超过人可接受到的震动频率范围，因为人耳可感受到的震动频率是20赫玆到20,000赫玆。

3. 传播介质 

只有说话者的嘴巴和听者的耳朵就能通信了吗？除非你的嘴巴贴着人家的耳朵，否则，就像这里一样，需要空气这种介质进行传导。

物理层协议

好了，到这里，我们基本上明白了通信的要点，接下来回到本文的重点，圈出来物理层的范围。

人联网中的物理层通信

然后，我们来总结一下，这个人联网中的物理层协议，可以看出它关注什么： 

包括： 谁能发送； 什么时候可以发送；什么时候该闭嘴；谁能听；什么时候该接收；不想听了怎么屏蔽等。

既然是物理层，我们必须从生理上（物理硬件）支持这种能力，比如我们可以想象有一根神经控制喉咙此时是否该震动，另外一根神经控制喉咙震动多少频率，还有一根神经控制振幅多大。再有一根神经，控制耳朵打开和关闭（实际上人做不到，但计算机可以做到）

计算机中的物理层协议

此前，我们已经通过人与人的交谈来理解物理层，接下来，我们看看计算机中的物理层是如何的通信的。

【物理介质】

现代计算机体系基本都是采用冯诺依曼体系，以二机制为计算基础，计算机只能处理0/1。这里只讨论主流的电子计算机，在计算机内部，0/1是通过可区别的电信号来识别，比如某个电压范围为0，谓之低电平，某个电压范围为1，称之为高电平。以上，是电子计算机内部的信号处理方式，那计算机之间呢？用什么介质来进行传导信号呢？

说到这里，大家基本上都知道，有电线（网线），空气（4g、wifi、蓝牙），光导纤维（光信号）。

当然，这里涉及到一些转换，外部信号不一定直接能被内部使用，比如光信号，需要转换为内部电信号，这就需要调制解调器了，如光猫（光电转换）。

【通信规则】

我们以最简单的 “网线” 为例，传递的实际还是0/1电平，但不要以为两台计算机之间，只有”一根线“连接，那只是外部绝缘包裹看起来是一根，但内部是有多条线（芯）的。为什么需要这么多线，首先，一台计算机要支持全双工的方式，就至少要有两根线，一根发送0/1，一根接收0/1，够了吗？显然不够，就像上文讲的，我们还需要更多的线来控制 “允许接受”，“允许发送” 等行为。

另外，不光是规定一台计算机需要连接几根线，还需要明确两台计算机之间的这多根线互相之间怎么。比如，a计算机的发送线需要连到b计算机的接收线上等等。

最后，我们来总结一下，看看这里的物理层协议它定义了什么：

1. 有几根线，每根线有什么作用（比如同轴电缆）

2. 两台计算机之间的线（触点）该怎么连。（实际是定义了插头和插座的规范，毕竟线不是直接扭在一起）

3. 输出电压是多少，不能爆炸了呀

4. 对上提供流程控制逻辑接口（暂定接收、允许发送，发送等，发送和接收微电路控制）

5. 最终发送的是 0/1 流

6. 一些数据校验（容错）

【点对点和广播】

要能实现点对点，很容易想象直接用网线把两台电脑一连即可，如果需要广播呢？除了我们知道无线电波这种直观的广播方式，还能使用集线器、路由器这种设备，可以支持相当于将一台计算机的网线连入多台计算机，从而实现广播。

写在最后

以上是基于个人理解的一点总结，有兴趣的同学可以选一种早期简单的物理层协议进行深入研究，加深理解。

另外抛出一个话题，物理层实际上是解决建立好了0/1的比特流通道，支持点对点和广播的方式，但一般计算机都是处在网络中（广播）。因此，它并没有解决在广播网络中，想要明确指向发给谁的能力。而这，便是由更上层协议数据链路层和网络层协议来解决，有兴趣的可以深入了解，后续有空也会补上相应内容。