外观
数据究竟是什么？
阶段 0 · 计算机与数据基础 · 第 1 课
电脑 A 想把一个字母 A 发给电脑 B。电脑如何保存这个字母？网线中传播的是什么？收到信号后，另一台电脑又怎样显示 A？我们沿着这个字母的路线，从屏幕一直追到网线的另一端。
1. 从一个字母 A 开始
你对朋友说“我今天很开心”，朋友听到这句话，知道了你的心情。你想表达的意思是信息，表示这层意思的文字是数据。同一条信息可以用文字或声音表达，每种表达都需要共同理解的规则。
计算机也需要规则。ASCII是一套把字符与数字对应起来的约定。例如，字母 A 对应十进制 65。按规则把一种表示转换成另一种表示，叫作编码。
| 字符 | ASCII 十进制 | 写成 8 位二进制 | 十六进制 |
|---|---|---|---|
A | 65 | 01000001 | 0x41 |
B | 66 | 01000010 | 0x42 |
1 | 49 | 00110001 | 0x31 |
表中 0x 表示后面的数字采用十六进制，也就是逢十六进一。字符 1 的 ASCII 数值是 49。把整数一写成 8 位二进制时，得到的是 00000001。两者分别表示字符和数值。
2. 八个开关怎样表示数字？
想象一个开关，关用 0 表示，开用 1 表示。二进制的每一位就像这样一个开关。一个比特（bit）有两种可能的取值，两个 bit 就有 00、01、10、11 四种组合。每增加一位，组合数翻倍，所以八位共有 256 种组合，可以表示从 0 到 255 的无符号整数。
八个 bit 组成一个字节（Byte）。在网络速率里，小写 b 表示 bit，大写 B 表示字节。例如，8 MB 等于 64 Mb，这里的 M 都表示一百万。
读出 01000001
十进制的 352 可以拆成 3 × 100 + 5 × 10 + 2 × 1。二进制也有位权，从最右边的 1 开始，每往左一位，权重翻倍。
| 从左到右的位权 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
01000001 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
把值为 1 的位置对应的权重相加，得到 64 + 1 = 65。写成 8 位时，左侧补 0 不会改变数值。
实验：拨动 8 个 bit
从 A 开始，试着关掉权重为 1 的位，打开权重为 2 的位。十进制值会变成 66，对应的 ASCII 字符会变成 B。
8 位二进制实验
点击任意一位，在 0 和 1 之间切换。按钮下方的数字是这一位的权重。
- 十进制
- 65
- 十六进制
- 0x41
- ASCII 字符
- 「A」
值为 1 的各位权重之和 64 + 1
载入字符
3. 数据暂时存在哪里？
屏幕上写着 0 和 1。在硬件中，这些值可以由两种可区分的物理状态表示。例如，数字电路可以把较低的电压范围判为 0，把较高的电压范围判为 1。两种状态分得足够开时，小幅干扰仍可能落在原来的判定范围内。
程序运行时，数据经常暂存在内存（RAM）中。以常见的 DRAM 为例，微小电容中的电荷状态可以存储信息，电路会定期刷新它们。中央处理器（CPU）执行程序指令，并根据指令读取或修改数据。在我们的例子中，编码得到的 01000001 可以先作为一个字节放在内存里。
4. 数据怎样进入网卡？
发送程序向操作系统提出通信请求。操作系统根据协议组织数据，再通过驱动程序与网卡（NIC）配合。这样，聊天程序可以专注于发送消息，网卡负责与外部介质收发信号。
把以太网帧理解为按规定格式打包的一段数据，就能区分网卡中的两项工作。
| 网卡功能 | 在这个例子里负责什么 |
|---|---|
| MAC | 处理以太网帧，包括收发控制和帧的差错检测。 |
| PHY | 发送时生成适合介质的物理信号，接收时从信号中恢复数字数据。 |
MAC 和 PHY 描述两种功能，可以集成在同一颗芯片里。这里的 MAC 指媒体访问控制功能，后续课程会讲到它怎样使用 MAC 地址处理帧。
5. 网线上传播的是什么？
在简化模型中，我们约定低电平表示 0，高电平表示 1，每位占用相同的时间。这样，数字 01000001 就能用随时间变化的电压来表示。这种可检测的物理变化是信号。
图中中间一段连续保持低电平。接收端如果只看到一条平线，就无法从电平本身判断这段时间有几个 0。它还要知道每位占多久、何时读取，这就是同步要解决的问题之一。
上图使用理想的二电平模型。实际的千兆电口以太网（1000BASE-T）使用四对双绞线和多电平信号。发送端产生的电磁变化沿网线传播，接收端 PHY 根据约定的编码和时序恢复数据。
6. 回到接收程序
- 发送程序将
A编码为01000001，把这个字节交给操作系统发送。 - 操作系统组织通信数据，发送端网卡处理以太网帧并产生物理信号。
- 信号经网线传播到另一端，接收端网卡从信号中恢复数据并处理帧。
- 接收端操作系统把应用数据交给对应程序。接收程序按照共同的字符编码规则，把
01000001解释为A。
这是一条简化的数据路线。真实通信还需要携带额外信息，例如帧里的地址和检错信息。此刻先能分清字母、表示字母的二进制数据，以及承载数据的物理信号，就可以进入第 2 课 · 程序、进程、操作系统和驱动，看看应用程序是怎样把这一个字节交给操作系统与网卡的。