¿Cómo se transfieren los datos entre dispositivos?

Se trata menos de "enviar electrones" y más de sacudirlos. Piense en una ola, hecha por la multitud en un evento deportivo. Una persona levanta las manos en alto y luego vuelve a sentarse. La siguiente persona levanta la mano y vuelve a sentarse. Así sucesivamente y así sucesivamente. Cuando llegamos al final, no es que las manos de alguien se movieran de un lado a otro de las gradas. Es un patrón que se movió. Cada persona que hace la ola lleva a la siguiente persona a hacer la ola.

Es el mismo juego con la comunicación RF, como el uso de teléfonos celulares. Mueven electrones dentro de la antena en una pequeña cantidad (¡fracciones de un picómetro!), Lo que crea un potencial electromagnético: cargas eléctricas y magnéticas que se mueven como la onda que baja por las gradas. En el extremo receptor, la torre de telefonía celular observa cómo se mueven los electrones en su antena. Lo usa para averiguar qué mensajes está enviando cada uno de los teléfonos celulares.

Por supuesto, estas señales son más complicadas que la ola en un evento deportivo. En el evento deportivo, es solo una ola (a veces dos olas) moviéndose a lo largo de una fila de personas. En la comunicación RF, enviamos un flujo de movimientos muy particulares que transmiten la información. Lo más fácil de entender sería una señal a escala humana como el código morse , con sus puntos y rayas que todo el mundo ha escuchado en algún momento. Los más complejos como QAM se eligen cuidadosamente para tener comportamientos deseables y utilizar el medio de manera eficiente.

He dibujado un diagrama para ilustrar los mecanismos de cómo funcionan las telecomunicaciones. Esta es una caricatura muy simplificada de lo que sucede. Lo que describiré se describe en parte en Telecom como Capa 0. Todas las demás capas tienen más que ver con el software que con la física. Dicho esto, pasemos por sus partes.

• Azul es para Microondas enviadas desde Celular o Torre
• El morado es para electrónica.
• El rojo es para luz láser infrarroja que viaja a través de fibra óptica de vidrio.

1. El teléfono celular envía microondas (a menudo 4G si usa, por ejemplo, FB Messenger/WhatsApp ~ 2 GHz en frecuencia)
2. La torre de telefonía celular lo recibe y lo interpreta eléctricamente antes de enviar la información en forma de luz láser modificada a lo largo de fibras de vidrio a un ISP (Proveedor de servicios de Internet)
3. El ISP (que tiene un edificio en cada ciudad) lo envía a algún otro edificio que tengan a través de la luz láser nuevamente. El próximo edificio podría estar muy lejos (100 km a 2000 km y más), básicamente donde sea que esté tu amigo. La luz láser es de aproximadamente 193 THz o 1550 nm.
4. el edificio lo envía a una torre celular a través de la luz láser nuevamente
5. La torre celular habla con el teléfono celular a través de microondas.

He incluido otro diagrama sobre cómo se modifica la luz láser. Nuevamente, este es un diagrama muy simplificado.

1. Una computadora que tiene datos (binario 0,1) habla con un controlador para enviar una señal eléctrica
2. Una luz láser siempre encendida en una frecuencia específica le brinda una fuente constante muy agradable de luz infrarroja de ~ 1550 nm
3. De 1) la señal eléctrica manipula un controlador que influye en un modulador
4. modulador es lo que controla la luz láser y le imparte datos modificando su fase o su potencia.
5. La luz láser finalmente viaja a través de fibras de vidrio de unas pocas micras de diámetro durante una distancia muy larga.

Como puede ver en los diagramas anteriores, es un proceso muy complicado, pero espero haberle dado una descripción aproximada de cómo funciona.

En particular, NO he incluido

1. Amplificadores
2. cómo sabe el ISP a qué torre de telefonía móvil se envían los datos
3. Cómo sabe la torre de telefonía móvil con quién se está comunicando
4. Las microondas del mecanismo son enviadas por tu celular
5. cómo funciona la comunicación entre continentes (Leer Submarine Telecom)
6. Todos los demás edificios/cajas de Internet entre la torre celular y el ISP
7. Enrutamiento y conmutación

Todo lo que realmente tengo que agregar a las otras respuestas es proporcionar algo de contexto para completar la imagen.

Probablemente sepa que cuando envía algo (como un texto o una solicitud web) a través de una red, se empaqueta en alguna estructura de datos, luego pasa a través de varias capas de software (varias bibliotecas de red, etc.), que lo manipulan en de varias maneras, dividirlo, envolver cosas en sus propias estructuras de datos, etc. Esto es para que las computadoras de la infraestructura de la red puedan determinar a dónde enviar estos paquetes, así como para proporcionar otros servicios (seguridad, almacenamiento en caché, etc.).

Entonces, en realidad no está enviando datos directamente a un teléfono/computadora diferente, los está enviando a su red inmediata, con algunos metadatos adjuntos que le dicen a las computadoras de la infraestructura de la red (o más bien, al software que se ejecuta en ellas) cuál es el destino previsto, entonces pueden usar su propio conocimiento interno de la topología de la red para decidir dónde reenviarlos, y este proceso se repite hasta que sus datos finalmente llegan al destino previsto. Todo esto funciona porque se rige por varios estándares y protocolos.

En el otro extremo, las bibliotecas de software funcionan al revés para deshacer todo este empaquetado y recombinar sus datos antes de devolverlos a su propia aplicación para que los maneje.

Por lo tanto, la "conexión" entre su teléfono/computadora y un teléfono/computadora diferente es virtual en el sentido de que no existe una única línea de comunicación física uniforme entre los dos, sino que existen todos estos intermediarios. Esto significa que sus datos pueden viajar a través de un montón de conexiones físicas diferentes que hacen uso de diferentes fenómenos físicos para transferir datos.

Como sabe, todos estos datos (como todo lo demás) se representan en última instancia como bytes, compuestos de bits. Por lo tanto, el mecanismo de transporte físico en última instancia tiene que depender de un convertidor de digital a analógico de algún tipo para codificar los bits de alguna manera en una señal, y luego transferir esa señal sin disminuir ni alterar lo suficiente como para que los bits puedan reconstruirse a partir de ella. en el otro extremo. Por lo tanto, sus datos (o fragmentos de ellos) se pueden decodificar (leer como bytes), reempaquetar y recodificar (enviar como una señal física) varias veces antes de que lleguen a su destino.

La codificación podría verse así

con dos amplitudes diferentes que representan el 0 y el 1. Dos personas podrían enviar un código Morse, como una señal usando este método sobre una cuerda común, sacudiéndola con más o menos fuerza en el extremo del remitente.

O tal vez es algo como esto

con 0 y 1 codificados como frecuencias diferentes. O podría usar algún otro esquema. En cierto sentido, esta es una capa física equivalente a una estructura de datos, y los dos extremos deben acordar el esquema de codificación para que la señal pueda interpretarse correctamente como bits.

Hay una señal portadora de alta frecuencia , que luego se manipula para codificar una señal de frecuencia más baja que son los datos reales, usando un dispositivo llamado modulador.

En el otro extremo, la señal debe ser extraída por un demodulador y digitalizada; algún equipo la muestreará a una frecuencia suficientemente alta para poder distinguir las partes que representan ceros de las partes que representan unos, y convertirá de nuevo en bytes.

Entonces, no son los electrones los que viajan al otro extremo. Si es un cable, confiamos en su capacidad para afectar a los electrones cercanos y propagar la influencia al otro extremo. Obtenemos un comportamiento similar a una onda porque usamos corriente alterna. En los metales, los electrones más externos no están realmente unidos a átomos individuales; flotan, por lo que hay una "sopa" de electrones que actúan como un medio para la señal.

Si se trata de una antena, confiamos en el hecho de que los electrones oscilantes producen radiación electromagnética (que es una onda) que luego transporta la señal en todas las direcciones fuera de la antena (o tal vez en un haz dirigido enfocado), y finalmente hace que los electrones se sacudirse en alguna otra pieza de metal que llamamos el receptor.

Si es luz láser enviada a través de fibras ópticas, también es radiación electromagnética, pero con un mecanismo diferente; confiamos en ciertas propiedades de la mecánica cuántica de los fotones y los átomos, y en el hecho de que cuando se les da suficiente energía, los electrones en los átomos se "excitan": saltan a un nivel de energía más alto y luego liberan espontáneamente esa energía como luz y saltan hacia atrás.

La información es "una diferencia que marca la diferencia". Esto significa que tiene sistemas físicos que pueden estar en diferentes estados y que diferentes estados tienen diferentes efectos en otros sistemas. Por lo general, tratamos de hacer tales diferencias resistentes al ruido del entorno, fáciles de leer o cambiar, etc. Un "bit lógico" (que trata el software de abstracción) se implementa como un "bit físico", que suele ser un pequeño circuito que conserva su estado a lo largo del tiempo, pero en principio podría ser magnetización en un disco duro o cruce de memoria central, carga en un capacitor, parte de un tren de ondas acústicas en una línea de retardo o muchas otras cosas. La transmisión también se puede realizar de múltiples formas.

Cuando copia un bit de un dispositivo a otro, generalmente se somete a algunas operaciones en la abstracción que es el software: puede enviarse a un puerto de E/S, cifrarse y sufrir todas las transformaciones necesarias para la pila OSI .. Pero lo que preguntas es sobre la capa física. Por lo general, lo que sucede es que se lee un estado de memoria (dependiendo de su estado, los cables en un bus se vuelven +5 o 0 V, lo que lo representa como un voltaje), que luego se usa para establecer otros estados de memoria en otro lugar, y si se transmite por radio. se convierte en una señal electromagnética (no a la velocidad de las codificaciones utilizadas en las redes celulares actuales, pero creo que el bit probablemente esté codificado en fase de señal). La señal es recibida por un receptor, convertida en una señal eléctrica que se convierte de analógica a digital y se interpreta como un bit, y luego se copia en algún circuito de memoria. Repita para todos los bits del mensaje.

Tenga en cuenta que "el" bit se convierte en muchas cosas, pero si todo funciona como debería, si el bit inicial es X, el bit final después de todas las transformaciones también será X con una alta probabilidad. Lo que se ha intercambiado es un patrón, no electrones o unidades de energía en particular.

"Soy programador y quiero saber cómo funciona".

¡Oh, en su búsqueda de comprensión, comenzó con posiblemente el sistema más complejo que los humanos jamás hayamos creado! Afortunadamente, existe una buena herramienta didáctica para aprender sobre esto, el modelo de capa OSI , a veces un poco abreviado o reformulado en Internet Protocol Suite . Estos modelos pueden brindarle una dirección estructurada en la que mirar, y bromas aparte, son muy útiles (yo diría que de hecho críticos) para que cualquier programador los conozca en estos días.

Para responder a sus preguntas concretas: sí, en el nivel más bajo, toda la información que fluye entre los dispositivos se representa directamente o se efectúa a través del electromagnetismo , es decir, involucrando fotones y electrones de una forma u otra. Esta es la única de las 4 fuerzas fundamentales del universo que está abierta para que los humanos la usemos directamente para la manipulación práctica.

Si tocas tu teléfono y le envías un emoticón a tu amigo, ningún electrón recorre toda la distancia. Probablemente, para cuando su amigo responda con su propio mensaje, ningún electrón en su teléfono se ha movido en una cantidad visible.

Imagine que tiene una manguera de jardín muy larga conectada al grifo, completamente llena de agua, cerrada en el pico y bajo presión. En el mismo instante en que abres el grifo, el agua sale disparada inmediatamente, aunque claramente no tuvo tiempo de viajar desde el grifo hasta el grifo. El agua que sale disparada al principio ya estaba en el surtidor, y simplemente es empujada desde atrás. Ocurre rápido porque el agua es relativamente incompresible.

Ahora imagine construir un dispositivo steampunk en el que el agua impulsa una rueda hidráulica, conectada a través de un eje a algún otro mecanismo que hace remar agua en un canal largo y delgado. Puedes imaginar fácilmente que cuando apuntas a la rueda de agua con la manguera de tu jardín, gira el eje, que a su vez hace girar las paletas del otro lado, lo que hace que el agua en ese canal se mueva, aunque ni una sola gota de agua de tu la manguera alguna vez llega al través. De hecho, esto es exactamente lo que hicieron cuando tenían máquinas de vapor que conducían esos grandes barcos de remos en ríos como el Mississippi (con vapor de agua en lugar de la manguera de su jardín, por supuesto).

Lo mismo es cierto para nuestra tecnología de la información. A nivel local, en principio podrías pensar en los electrones moviéndose (aunque no le digas esto a un físico real: están mucho más allá de considerar a los electrones como pequeñas bolas de billar, todo se trata de campos cuánticos en estos días...), pero incluso si solo mire un cable muy simple con corriente continua (es decir, algo así como una antorcha antigua: una batería conectada a una lámpara con un cableado trivial), tiene el efecto de la manguera de jardín en el que la lámpara comienza a emitir luz durante mucho tiempo. antes de que los electrones individuales que salen "de la batería" lleguen allí. Y en nuestra electrónica actual, en cuanto tienes algo como WIFI o cables de fibra óptica,

Solo para darle una impresión, la velocidad de un electrón individual sería la Velocidad de deriva , y ese enlace contiene un ejemplo práctico que resulta ser del orden de 20 μm/s, que es ridículamente lento. Mientras que al mismo tiempo la "velocidad de la manguera de agua" sería de 1570 km/s.