本文我們來關(guān)注一下硬件接口。

聲明

在本文中，我沒有嚴(yán)格按照IEEE 802來描述，比如我將以太網(wǎng)IEEE 802.3和IEEE 802.11混合在一起，并將后者看成前者的擴(kuò)展(也有人說802.11是802.3的殺手...)，事實(shí)上我這么理解是有道理的，因?yàn)楫吘故?02.3獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷得時(shí)候，才有了802.11的舞臺(tái)，而且二者現(xiàn)如今在一起非常融洽，不信看看自家的無(wú)線路由器。所以我把以太網(wǎng)(IEEE 802.3)和WIFI(IEEE 802.11)當(dāng)成了一家親。我之所以避開IEEE 802是因?yàn)樗且惶拙钟蚓W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容特別多，并且太復(fù)雜，而且里面很多的技術(shù)都已經(jīng)被以太網(wǎng)淘汰了。本文的目的在于展望未來的互聯(lián)設(shè)備間通信的硬件技術(shù)，并不局限于局域網(wǎng)，所以我用了另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不再嚴(yán)格遵循IEEE 802，相反，我將USB，藍(lán)牙，紅外，以太網(wǎng)，WIFI放在一個(gè)鍋里翻炒。

歷史，現(xiàn)狀以及展望

還記得炫耀自己的手機(jī)有紅外功能的年代嗎？現(xiàn)在還在使用藍(lán)牙嗎？說到底，使用這些技術(shù)無(wú)非就是為了數(shù)據(jù)傳輸，曾經(jīng)我使用USB+Tap網(wǎng)卡技術(shù)線連接兩臺(tái)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)IP互通(自己不要試哦，不懂USB硬件原理會(huì)燒板子的)，也曾經(jīng)聽說我剛工作時(shí)的師父在上世紀(jì)90年代用鼠標(biāo)線或者串口聯(lián)網(wǎng)，那時(shí)好象還沒有Tap虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，但是已經(jīng)有了虛擬網(wǎng)卡思想，因此自己寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)即可，不管是師父為了玩游戲折騰的，還是我為了消磨時(shí)間折騰的，都是為了解決“缺一根線”的問題，很多的聯(lián)網(wǎng)游戲或者別的什么聯(lián)網(wǎng)程序是不能修改的，它們使用socket接口編寫，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議封裝數(shù)據(jù)包，但是老式的機(jī)器上可能沒有網(wǎng)卡，那么很顯然，有什么用什么，一般老式機(jī)器都有串口，有PS/2口，那么找來手冊(cè)，編寫一個(gè)串口，PS/2的IO庫(kù)，從虛擬網(wǎng)卡將包取出，調(diào)用庫(kù)的IO接口即可。缺一根線就補(bǔ)一根線，以太網(wǎng)卡快速成了PC機(jī)的標(biāo)配，不出所料，如今以太網(wǎng)和WIFI正在迅速替換所有的“為了數(shù)據(jù)通信而存在的”線纜！
       數(shù)據(jù)的邏輯封裝和實(shí)際傳輸?shù)姆蛛x是根本，而邏輯封裝協(xié)議族已經(jīng)有了第一把交椅，那就是TCP/IP協(xié)議族，誰(shuí)跟它配合的好，誰(shuí)就能成為實(shí)際物理傳輸領(lǐng)域的王者。有了TCP/IP，以太網(wǎng)便可以成長(zhǎng)在一個(gè)靠老大罩著的環(huán)境，言外之意就是不需要自己實(shí)現(xiàn)高層，只關(guān)注傳輸即可，因此也就造就了它簡(jiǎn)單的特性，而這正是它最大的優(yōu)勢(shì)。
       我?guī)缀蹩梢钥隙?，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)正在越來越明顯，而WIFI則完全且完美地適配到了以太網(wǎng)的下層，作為以太網(wǎng)的一個(gè)延伸，將其延展到了任何可以到達(dá)的地方，為什么以太網(wǎng)如此成功？正是因?yàn)樗暮?jiǎn)單性，它幾乎沒有自己的上層協(xié)議，而是直接接在了標(biāo)注TCP/IP下面的數(shù)據(jù)鏈路層，它完成且僅僅完成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽?br>       藍(lán)牙除了底層的鏈路層以及PHY之外，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了自己的和TCP/IP并列的高層協(xié)議棧，卻僅僅適用于局域范圍，它和TCP/IP的功能在某部分是重合的，但是卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有TCP/IP成功，最終這種功能重復(fù)性的實(shí)現(xiàn)會(huì)將藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)拖垮。藍(lán)牙技術(shù)極其復(fù)雜，是由愛立信牽頭，大量無(wú)線移動(dòng)領(lǐng)域的巨頭參與的完全從無(wú)到有的無(wú)線傳輸解決方案，注意它是一個(gè)自成體系的獨(dú)立系統(tǒng)，因此按照OSI模型，它應(yīng)該覆蓋所有的層，而實(shí)際上確實(shí)如此，然而藍(lán)牙技術(shù)的分層是模糊的，層與層之間的關(guān)系非常模糊，耦合性非常高，幀結(jié)構(gòu)以及行為及其復(fù)雜，在分層模型早已勝利的今天，它的缺陷也非常明顯。藍(lán)牙也不是不好，只是因?yàn)樗皇亲詈?，藍(lán)牙比較可取的一點(diǎn)就是配對(duì)機(jī)制以及自組織微型網(wǎng)絡(luò)，要比802.11 WIFI靈活，不過WIFI也在持續(xù)改進(jìn)中。
       USB技術(shù)，在上世紀(jì)90年代外設(shè)爆發(fā)的年代出生，以即插即用優(yōu)勢(shì)著稱(事實(shí)上，以太網(wǎng)不也是即插即用的嗎？)，對(duì)于ISA和PCI而言，支持USB的設(shè)備是個(gè)殺手，但是USB同時(shí)也繼承了很多ISA和PCI的特性，比如部署拓?fù)湟约敖巧ㄎ?，USB是主從模式的，為級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?，本質(zhì)上說，它的目的和作用和ISA/PCI是一樣的，就是連接外設(shè)，USB的優(yōu)勢(shì)只是更方便的連接外設(shè)，它主要依靠四針接口的兩端兩根稍長(zhǎng)的5V供電針，這樣就可以以下方式實(shí)現(xiàn)熱插拔：1.在插入前，電源先接通，數(shù)據(jù)線再接通，使軟件開始工作的時(shí)候電平穩(wěn)定；2.在拔下的時(shí)候，數(shù)據(jù)線先斷開，軟件先停止工作。
       USB的目的并不是解決設(shè)備互聯(lián)問題，而是解決外設(shè)和主機(jī)的互聯(lián)問題，但是這明顯是前一個(gè)問題的子問題。設(shè)備互聯(lián)問題包含了外設(shè)與主機(jī)的互聯(lián)，并且不再區(qū)別主從關(guān)系，豈不更好？USB在實(shí)現(xiàn)了它最初的初衷以后，便開始了其完美的優(yōu)化歷程，不管是USB還是以太網(wǎng)，都沒有一開始便跳入那美麗的優(yōu)化陷阱，都是先有一個(gè)最簡(jiǎn)單最基本的能用的版本，在體系穩(wěn)定后才開始提速，USB經(jīng)過了12Mpbs，240Mpbs/480Mpbs，5Gpbs/10Gpbs這些階段，以太網(wǎng)和它很像，經(jīng)歷了10Mpbs，100Mpbs，10000Mpbs這些階段，在速率提升上二者的加速度幾乎是一致的，在定位上，以太網(wǎng)一直以來都是主要用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，但是當(dāng)人們把外設(shè)和主機(jī)的連接也抽象成設(shè)備互聯(lián)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)也可以做到這些，最終以太網(wǎng)能否統(tǒng)一所有的互聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸我們不得而知，但是我對(duì)此持樂觀態(tài)度(后文詳解)  。當(dāng)然從觀感上，你不能說以太網(wǎng)線不能放在女孩子的包包里面從而拒絕它，你也不能指望用一根雙絞線連接鼠標(biāo)和鍵盤。實(shí)際上，雙絞只是網(wǎng)線的一個(gè)形式，旨在抵消干擾，在短距離內(nèi)，也可以做得更美觀，另外，不是有WIFI么...
       在我們看待以太網(wǎng)技術(shù)的時(shí)候(WIFI只是它的延伸)，我們發(fā)現(xiàn)它的幀結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)單，并且它越來越多的將精力集中在硬件上，即PHY，在10M以太網(wǎng)的年代，CSMA/CD還是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，我們可以說它是一個(gè)協(xié)議，相信計(jì)算機(jī)系的同學(xué)們都知道這個(gè)，但是還有誰(shuí)能完整表述它呢？事實(shí)上，隨著全雙工交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)，CSMA/CD已經(jīng)不再需要，沖突域集中在了交換機(jī)內(nèi)部的背板矩陣，隨著更快速芯片和更大容量的存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，沖突域幾乎可以忽略不計(jì)了，即它消失了。如今千兆，萬(wàn)兆以太網(wǎng)迅速蠶食著一切，正是因?yàn)樗薪鉀Q傳輸問題而絲毫不涉及高層的軟件協(xié)議棧，門檻極低，真的就是即插即用！當(dāng)我們需要實(shí)現(xiàn)一套藍(lán)牙系統(tǒng)的時(shí)候，你需要做很多東西，可是從來沒有人說過要實(shí)現(xiàn)一套以太網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)于以太網(wǎng)，需要的只是一塊網(wǎng)卡，然后自己做一根線，或者直接搞一個(gè)無(wú)線網(wǎng)卡和一個(gè)AP...對(duì)于以太網(wǎng)，所有高層邏輯直接由TCP/IP負(fù)責(zé)。
       以太網(wǎng)可以統(tǒng)一互聯(lián)設(shè)備間的設(shè)備傳輸？包括主機(jī)之間的互聯(lián)傳輸，鍵盤鼠標(biāo)和主機(jī)之間通信，數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)之間通信，諸如此類？前文說了我對(duì)此持樂觀態(tài)度?，F(xiàn)如今已經(jīng)越來越多的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使用TCP/IP了，比如Intel NetEffect的iWARP/RDMA技術(shù)，我們看到，RDMA，是的，遠(yuǎn)程的內(nèi)存訪問，另外，IPMI技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)作為TCP/IP使用最廣的鏈路層，甚至包含一部分PHY層，這是一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)。注意，此處我們不涉及一公里以遠(yuǎn)的地方，因?yàn)槟鞘沁\(yùn)營(yíng)商的天下，它們有自己的技術(shù)并且不受我們控制，比如ATM，全光環(huán)等。以太網(wǎng)技術(shù)只專注傳輸，這可讓它適應(yīng)任何需要傳輸?shù)沫h(huán)境，除了TCP/IP之外，它可以和任意的高層協(xié)議接口。是的，以太網(wǎng)是TCP/IP帶大的，但是并不是唯一屬于TCP/IP，以太網(wǎng)衍生出來的WIFI可以和鍵盤鼠標(biāo)協(xié)議接口，它的簡(jiǎn)單保證了它的低功耗，低延遲，而我們知道，鍵盤鼠標(biāo)并不使用TCP/IP(當(dāng)然它們完全可以用)，那么怎么辦呢？很簡(jiǎn)單，鍵盤鼠標(biāo)的通用高層協(xié)議只要能解析WIFI幀里面的載荷內(nèi)容即可，正如TCP/IP的IP層可以解析以太幀的載荷內(nèi)容為一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)一樣。如果使用藍(lán)牙鍵盤，就不得不設(shè)置一個(gè)完整藍(lán)牙棧在設(shè)備里面，由于藍(lán)牙棧包含的內(nèi)容太多，就顯得笨重，層之間的模糊且復(fù)雜的關(guān)系導(dǎo)致你甚至很難裁減掉不需要的內(nèi)容或者獨(dú)立優(yōu)化單獨(dú)的模塊，而WIFI只管傳輸，這樣就可以有一個(gè)輕量級(jí)的通用驅(qū)動(dòng)在上面負(fù)責(zé)上層邏輯，它可以因設(shè)備的能力而有所不同。
       現(xiàn)在，我們知道了藍(lán)牙技術(shù)太復(fù)雜，有一個(gè)全套的協(xié)議棧，USB技術(shù)定位太明確，而以太網(wǎng)/WIFI技術(shù)簡(jiǎn)單-只負(fù)責(zé)傳輸，通用-不分主從，使得它占有優(yōu)勢(shì)，到此為止，我還沒有說紅外技術(shù)，事實(shí)上，它如今只存在于遙控器等不多的場(chǎng)合，還記得10年前買一個(gè)諾基亞手機(jī)，向別人炫耀你的紅外功能嗎(我就炫耀過)？現(xiàn)如今，你的iPhone上支持紅外嗎？

       看我文章多了的人，會(huì)認(rèn)為我是一個(gè)一元化本原論者，但實(shí)際上正好相反，所以我才崇尚“做且僅做好一件事”。我并不看好重復(fù)實(shí)現(xiàn)的東西。在重復(fù)的實(shí)現(xiàn)上，我希望它們能大一統(tǒng)。然而現(xiàn)實(shí)是在向習(xí)慣和兼容性妥協(xié)，而主導(dǎo)習(xí)慣還有勢(shì)力和實(shí)力，這就是現(xiàn)實(shí)，所以USB，藍(lán)牙，紅外，...以太網(wǎng)，WIFI，這些都會(huì)長(zhǎng)期共存。理想中的情況當(dāng)然是，設(shè)備上出廠自帶一個(gè)WIFI接口就夠了！

USB無(wú)線網(wǎng)卡的尷尬

我們看到過USB無(wú)線網(wǎng)卡(非3G卡)，如果將WIFI模塊當(dāng)成一個(gè)設(shè)備的話，USB就純粹成了一個(gè)連接器，那么是否可以說USB和WIFI不在一個(gè)層次呢？非也！這就是數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的分層封裝原則，在該原則下，一個(gè)藍(lán)牙幀可以封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中，同樣的一個(gè)以太幀也可以封裝在串口行規(guī)程中，同屬于TCP/IP/以太網(wǎng)領(lǐng)域的，一個(gè)以太幀也可以封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)里，主要看你怎么看待被封裝的數(shù)據(jù)了。USB無(wú)線網(wǎng)卡的情況就是這種情況。
       不在同一層次的USB和WIFI之間不存在競(jìng)爭(zhēng)，相反它們是協(xié)作關(guān)系，這體現(xiàn)了分層的好處，底層作為一個(gè)接口只關(guān)注上層載荷的格式而不關(guān)注其內(nèi)容，對(duì)于USB無(wú)線網(wǎng)卡來講，同一個(gè)USB接口可以焊接一個(gè)TP-LINK的網(wǎng)卡，也可以焊接一個(gè)其它廠商的網(wǎng)卡。

后記：USB連接兩臺(tái)PC的問題

USB是主從模式的，一般意義上，PC被定義為主設(shè)備，提供5V電壓，如果兩邊都是PC，由于供電線需要構(gòu)成一個(gè)本地回路才能工作，這就可能燒毀主板，關(guān)鍵就是供電回路問題。我是怎么做到USB線聯(lián)網(wǎng)呢？我是在淘寶上買了一根特殊的USB線，具體怎么實(shí)現(xiàn)的沒有深究，無(wú)外乎接地反轉(zhuǎn)之類的。
       USB主從模式的初衷是為了將外設(shè)這類從設(shè)備連接到主機(jī)這種龐然大物主設(shè)備上，然而正如你看到的那樣，目前的情況是，龐然大物已經(jīng)越來越少，桌面PC被使用的越來越少，更多的是同樣大小的小型設(shè)備，手機(jī)，平板，....好多年前，以太網(wǎng)的雙絞線也有本地回路問題(燒不毀板子，只是脈沖無(wú)法發(fā)送和接收，雙絞線沒有單獨(dú)的供電線，電壓隨著脈沖發(fā)生，因此為了構(gòu)成回路，線的一端發(fā)送脈沖，另一端必須接收脈沖)，因此那時(shí)規(guī)定，連接同種設(shè)備需要交叉線，即1-3，2-6線序?qū)φ{(diào)(詳見568A，568B標(biāo)準(zhǔn))，可是后來在PHY層實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)協(xié)商，不管交叉線還是直連線都可以用于任何支持自協(xié)商的網(wǎng)卡了。USB的問題在于，你加入了主從的約束，就少了通用性。實(shí)際上任何事情，加入一點(diǎn)約束，就會(huì)喪失一點(diǎn)通用性。