【计算机网络】物理层设备核心考点精讲：物理层设备（中继器/集线器）全解析

(物理层设备)

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

在计算机网络体系结构中，物理层作为最底层的基础设施，承担着在传输介质上传输原始比特流的重要职责。而物理层设备，正是实现这一基础功能的关键组件。

物理层设备是指在 OSI参考模型 或 TCP/IP体系结构 的物理层工作的网络设备，它们主要负责处理信号的传输、接收和放大等电气特性问题。这些设备工作在比特流层面，不涉及数据帧、数据包等高层协议概念，其核心使命是确保数字信号能够在传输介质上可靠地传输。

常见的物理层设备主要包括：中继器 和 集线器。

这些设备虽然功能相对简单，但却是构建整个网络通信体系的物理基础。它们如同城市道路系统中的路基和路面，虽然不像交通信号灯那样智能，却为所有车辆的通行驶提供了最基本的保障。

了解物理层设备的工作原理和特性，不仅有助于我们理解网络通信的基础机制，更能为学习更复杂的网络设备打下坚实的基础。现在，让我们正式开始探索这些基础但至关重要的网络设备。

一、中继器

中继器的主要功能是放大、整形并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离。

在数据传输的过程中，其信号逐渐失真，并且随着传输距离的加长，信号失真的情况也会加重，因此为了确保信号传输的正确性与完整性，以太网对传输介质也有所规定，就比如对于同轴电缆 10 Base 5 ，其最远的传输距离只有 500m 。

想要将信号传输到更远的距离，这时我们就需要在传输的过程中，使用中继器对信号进行整型再生，再将信号继续向后传输。

1.1 工作原理

放大器和中继器都起到的是放大信号的作用，只不过它们的工作原理并不相同：

• 放大器放大的是模拟信号，其原理是放大衰减的信号
• 中继器放大的事数字信号，其原理是整形再生衰减的信号

flowchart LR
	subgraph A[A]
		direction TB
		a[数据]
		b[应用层<br>传输层<br>网络层<br>数据链路层]
		c[物理层]
		a--->b--->c
	end
	
	subgraph B[B]
		direction BT
		e[数据]
		f[应用层<br>传输层<br>网络层<br>数据链路层]
		g[物理层]
		g--->f--->e
	end
	A--->|传输介质|B

数据在传输的过程中，由于传输介质中存在电阻，因此信号必定会出现失真，而中继器的工作原理就是识别失真不严重的数字信号，并将其整形再生，而不是简单的放大衰减的信号。

中继器有两个端口，数据会从一个端口输入，从另一个端口输出，而这两个端口分别连接着两个网段，而非两个子网，即使用中继器连接的几个网段仍属于同一个局域网。

flowchart LR
	subgraph 局域网
		direction LR
		subgraph A[网段1]
			direction LR
				subgraph A1[结点A]
					direction TB
					a[应用层<br>传输层<br>网络层<br>数据链路层]
					b[物理层]
					a--->b
				end
			c[传输介质]
			A1--->c
		end
		subgraph B[网段2]
			direction LR
			d[传输介质]
			subgraph B1[结点B]
				direction BT
				e[应用层<br>传输层<br>网络层<br>数据链路层]
				f[物理层]
				f--->e
			end
			d--->B1
		end
		A--->C[中继器]--->B
	end

因此当中继器出现故障时，对相邻的两个网段的工作都会产生影响。

中继器的端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适用于网段的数据。

中继器只能用于半双工通信，即：

• 信号可以从结点 A 发送信号给结点 B，也可以从结点 B 发送信号给结点 A 。
• 但是同一时间只能够实现单向通信，如果结点 A 发送信号给结点 B 的同时，结点 B 也发生信号给结点 A ，这就会产生信号冲突。

中继器在对信号进行整形再生时，并不是立即完成，而是需要消耗一定的时间，因此会导致信号的传输产生一定的时延。

1.2 使用规则

从理论上来讲，中继器的使用数量是无限的，网络因而也能够做到无限延长。

但是实际情况并不是这样，因为中继器在传输信号的过程中，会产生相应的时延。

设想一下，如果通信双方的距离足够远，那么我们就需要使用大量的中继器来完成数据的传输，这样信号的传输时间也会随着距离的增加而变长，甚至可能会花费几个小时，甚至是更久的时间，这样显然是无法做到实时通讯。

因此网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在该范围内进行有效的工作，否则就会引起网络故障。

例如以太网规定，采用粗同轴电缆 10 Base 5 的局域网中，互相串联的中继器不能超过 4 个，而且用 4 个中继器串联的 5 段通信介质中，只有 3 段可以挂接计算机，其余 2 段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机，这就是所谓的 5-4-3 原则。

flowchart LR
	subgraph A[网段1]
		direction TB
		a1[计算机]
		a2[同轴电缆]
		a1--->a2
	end
	subgraph B[网段2]
		b1[同轴电缆]
	end
	subgraph C[网段3]
		direction TB
		c1[计算机]
		c2[同轴电缆]
		c1--->c2
	end
	subgraph D[网段4]
		d1[同轴电缆]
	end
	subgraph E[网段5]
		direction TB
		e1[计算机]
		e2[同轴电缆]
		e1--->e2
	end
	A--->M1[中继器]--->B--->M2[中继器]--->C--->M3[中继器]--->D--->M4[中继器]--->E

二、集线器

2.1 工作原理

集线器（Hub）实际上是一个多端口的中继器。

当 Hub 工作时，一个端口接收到数据信号后，因为信号在从端口到 Hub 的传输过程中已有衰减，所以 Hub 便对该信号进行整形放大，使之恢复到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。

flowchart LR
a[输入端口]--->Hub[集线器]
	subgraph B[其它端口]
		direction LR
		b[端口1]
		c[端口2]
		d[...]
	end
	Hub--->B

若在该局域网中，同时有两个及以上的端口进行输入，这时就会发生信号冲突，致使这些数据无效。

我们将由两台主机发送信号而导致冲突的区域称为冲突域。

Hub 在网络中只起信号放大和转发的作用，目的是为了扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信息传输的方向是固定的，是标准的共享式设备。

由集线器连接的局域网，当该网络中发生冲突时，集线器连接的所有端口的主机都将处于同一个冲突域中。

2.2 特性

2.2.1 使用规则

正因为集线器是一个多端口的中继器，所以集线器在使用时也遵循5-4-3原则；

2.2.2 拓扑结构

在集线器连接的网络中，其拓扑结构在物理上是星形，但是在逻辑上是总线形。即：

• 网络中的各个节点在物理上都是以单独的线路与集线器相连；
• 这些结点在逻辑上是由单根传输线连接起来

因此数据在该网络中的传播方式属于广播式传播。即，该网络中，其中任一结点向网络中发送数据，那么网络中的其它结点都会受到该数据。

但是这种传播方式存在着信道争用的问题，即当一个结点向网络中发送数据时，该结点将会占用该网络的通信信道；

当同时又有另一个结点也在向网络中发送数据时，理论上该结点会占用该网络的通信信道，但实际上，同时发送数据的两个结点会使该网络中的通信信道产生冲突；

2.2.3 带宽共享

由 Hub 连接的网络，各个结点会共享该网络的带宽。

例如，带宽为 10Mbps 的集线器，连接了8台主机，那么每台主机的平均带宽为 1.25bps

2.2.4 传输介质

一个标准的集线器芯片由于其物理层广播的特性，无法直接连接不同传输介质。

但是，通过将介质转换模块与集线功能集成在同一台设备内（如惠普28691A），可以实现对不同介质的连接。

上图所展示的就是惠普 28691A 这款集线器，它能够连接同轴电缆和双绞线两种传输介质。但是它并非是单纯意义上的通过整形再生信号并转发信号的多端口中继器，它实质上是多端口中继器 + 介质转换器的多功能集线器，这类设备是集成化解决方案，而非一个简单的集线器。

正是这种集成思想，这就代表着在实际生活中，集线器可以连接不同的传输介质，因此两个网段的物理层接口特性可以不同。这就意味着集线器连接的网段，“物理层协议”可以不同。

2.2.5 传输速率

一个纯粹的、标准的共享式集线器，其同一个冲突域内的所有端口绝对无法以不同速率工作。这是由其物理层广播机制决定。

但是在实际生活中，存在着双速集线器这一特殊的集线器，如3C16611 manual。

这种集线器可以连接 10Mbps 和 100Mbps 两种速率的网段，但是其内部会有两种冲突域：

• 当通信的设备均为 100Mbps 时，冲突域共享 100Mbps 的带宽
• 当通信的设备均为 10Mbps 时，冲突域共享 10Mbps 的带宽

因此该类集线器实际上可以视为由两种速率的集线器连接而成，而这两种速率的集线器会通过内部的一个微小的交换模块连接在一起，从而实现不同速率的网段之间的通信；

flowchart TB
	subgraph A[集线器]
		subgraph a[100Mbps冲突域]
			a1[端口1:100Mbps]
			a2[端口2:100Mbps]
		end
		subgraph b[10Mbps冲突域]
			b1[端口3:10Mbps]
			b2[端口4:10Mbps]
		end
	end
	a--->c[交换模块]
	b--->c

当不同速率的两个网段进行通信时，这种双速集线器通过交换模块将接受到的数据帧进行存储，然后再以传输速率更低的网段对应的速率进行转发，如上面提到的 100Mbps 与 10Mbps 两种速率的网段进行通信时，集线器会将通信的速率自动匹配为 10Mbps。

从本质上来说，这种双速集线器仍符合集线器的定义：

• 通过整形放大信号，再对信号进行转发的共享式设备

它无法做到像交换机一样对冲突域进行隔离。只不过它巧妙的通过分区 + 桥接 的方案，实现了不同速率网段的伪连接。各个网段在进行通信时，会通过内部的交换模块，以向下兼容的通信速率实现通信。

也就是说：一个纯粹的、符合最初定义的集线器（共享式 repeater）确实不具备存储转发能力，因此无法处理速率差异。

工程师们通过“分区+桥接”的方案，在同一个物理设备壳子里，集成了一个具有存储转发能力的模块，从而巧妙地解决了不同速率网段之间的通信问题。

结语

今天的内容到这里就全部结束了。通过本文的系统探讨，我们深入剖析了物理层设备在网络连接中的基础作用。让我们一起回顾本文的核心要点：

🔍 核心内容回顾

中继器作为信号再生引擎，通过独特的“识别-整形-再生”机制，有效突破了网络传输的距离限制。其区别于简单放大器的本质在于对数字信号的智能处理能力。5-4-3原则不仅是一项使用规范，更是对信号延迟与网络稳定性平衡的工程智慧。

集线器作为多端口中继器，在继承基础功能的同时，创造了共享式网络的新范式。其建立的冲突域概念和带宽共享机制，成为理解早期局域网设计理念的关键。特别值得关注的是，商用设备通过集成化创新（如介质转换、双速交换模块），实现了理论与实践的创造性结合。

💡 实践启示

物理层设备虽然功能相对简单，但其设计思想具有深远影响：

• 奠定了网络扩展的基础理念
• 冲突域概念为后续交换技术发展铺平道路
• 理论规范与工程实践的辩证关系贯穿网络技术发展始终

📚 学习价值

掌握这些基础设备的工作机制，不仅有助于构建完整的网络知识体系，更能培养“从基础原理理解复杂系统”的思维方式，为深入学习更高层次的网络技术奠定坚实基础。

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