物理层设备

前言

计算机网络的物理层是OSI模型中的第一层，主要负责在物理媒介上进行数据传输。物理层设备在网络中起着至关重要的作用。本文将详细讲解了两种常见的物理层设备：中继器和集线器。

1 中继器

1.1 基本定义

中继器是一种用于扩展网络传输距离的设备。它的主要功能是接收来自一个网络段的数据帧，并在物理层重新生成信号，从而将其转发到另一个网络段。中继器能够有效克服信号衰减的问题，确保数据能够在较长的距离内可靠传输。

1. 2 工作原理

中继器工作在物理层，它不对数据进行任何形式的处理或解析。具体工作流程如下：

• 信号接收：中继器接收来自一个网络段的电子信号。
• 信号再生：它会放大和再生这些信号，以恢复信号的强度和质量。
• 信号转发：最后，中继器将增强后的信号发送到另一个网络段。

【注意】

• 中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一个端口。
• 仅支持半双工通信。两端连接的结点不可同时发送数据，否则会导致“冲突”。
• 中继器两个端口对应两个“网段”。

2 集线器

2.1 基本定义

集线器是一种多端口设备，本质上是多端口中继器，用于连接多个网络设备（如计算机、打印机等），并在它们之间转发数据。集线器可以被视为一种“数据集中器”，在局域网中提供了简单的网络拓扑结构。

2.2 工作原理

集线器同样工作在物理层，其工作流程如下：

• 信号接收：当一个设备向集线器发送数据时，集线器会接收到这个信号。
• 信号转发：集线器会将接收到的信号以广播的方式发送到所有连接的端口。这意味着所有连接到集线器的设备都会接收到这个信号。

集线器连接的网络，物理上是星形拓扑结构。

集线器将所有设备（如计算机、打印机等）通过独立的线缆连接到一个中心点，每个设备都有自己的专属连接线，若某个设备出现故障，不会影响其他设备的通信。

逻辑上是总线型拓扑结构，数据“广播式”传输，存在信道争用问题。

当一个设备发送数据时，集线器会把这个数据包广播到所有其他端口，所有连接到集线器的设备都能接收到这个数据包。因为所有设备共享同一个冲突域，在同一时间只能有一个设备进行数据传输。如果多个设备同时尝试发送数据，就会发生信道争用，导致数据碰撞（冲突）。

由于集线器采用广播方式转发数据，可能会导致网络拥塞和冲突，因此在现代网络中逐渐被更加智能的交换机所取代。

2.3 冲突域

冲突域是指网络中一组设备能够相互通信并可能发生数据碰撞的区域。在一个冲突域内，任何两个设备同时发送数据时，都会造成数据冲突，导致数据无法正确传输。

由于集线器是一个简单的物理层设备，它将所有连接的设备置于同一个冲突域中。因此，在同一个集线器上的所有设备共享相同的带宽，并且只能在某一时刻有一个设备发送数据。

例如：带宽为10Mbps的集线器，连接了8台主机，每台主机平均只拥有1.25Mbps带宽。

3 中继器与集线器的比较