考研笔记

物理层设备：中继器与集线器

物理层只有两种设备：中继器和集线器（集线器就是多端口的中继器）。它们只处理信号的电气部分，不看帧、不看地址、没有存储转发能力——本页所有的边界都从这一句推出来。

本页 2 道错题：中继器扩大传输距离靠的是”再生”而不是”放大”，以及中继器能连接什么样的局域网。

机制

2.3.1 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。其原理是信号再生（而非简单地放大衰减的信号）。

中继器有两个端口，数据从一个端口输入，从另一个端口发出。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于网段的数据。

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网。中继器若出现故障，则对相邻两个网段的工作都产生影响。

王道的注意框：若某个网络设备没有存储转发功能，则认为它不能连接两个不同的协议。 中继器没有存储转发功能，因此它连接两个速率不同的网段可能会出现问题：若两个网段的速率分别为 10Mb/s 和 10/100Mb/s，则用中继器连接后，都只能工作在 10Mb/s 的速率。

从理论上讲，中继器的使用数量是无限的，网络因而也可无限延长。但事实上这是不可能的，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体规定，中继器只能在该范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过 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 规则”。

放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，其原理是放大衰减的信号，而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。

2.3.2 集线器

集线器（Hub）实质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，使之再生（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。若同时有两个或多个端口输入，则输出时将发生冲突，致使这些数据都无效。

从 Hub 的工作方式可以看出，它在网络中只起信号放大和转发作用，目的是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。

使用 Hub 组网灵活，它将所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，由 Hub 组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是总线网。Hub 的每个端口连接的是同一网络的不同网段，同时 Hub 也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

王道的注意框（中继器和集线器对冲突域/广播域的划分 2010、2020 年考过）：集线器不能分割冲突域，集线器的所有端口都属于同一个冲突域。 集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息，当一台集线器连接的机器数较多且多台机器经常需要同时通信时，将导致冲突，使得集线器的工作效率很差。例如，一个带宽为 10Mb/s 的集线器上连接了 8 台计算机，当这 8 台计算机同时工作时，每台计算机所真正拥有的带宽为 Mb/s Mb/s。

两种设备的对照

中继器集线器
层次物理层物理层
端口数通常 2 个4 个或更多
做什么放大、整形、转发（信号再生）同左，多端口版本
转发方式从另一个端口发出从除输入端口外的所有端口广播
冲突域两端属于同一个冲突域所有端口属于同一个冲突域
拓扑——物理上星形，逻辑上总线
双工——只能半双工

计算模板

集线器上每台主机的平均带宽

集线器以广播方式把信号从除输入端口外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入。理想情况（无冲突）下，每台主机的平均带宽集线器带宽主机台数10Mb/s 的集线器接 5 台计算机，平均带宽上限为 2Mb/s（王道 2.3.3 第 7 题）；接 8 台则为 1.25Mb/s。若有多台计算机同时发送数据，实际获得的平均带宽还会低于这个值。交换机则不同，每个端口独享带宽（3.8.2）。

边界

错题复盘：中继器扩大传输距离靠的是"再生"，不是"放大"

王道 2.3.3 第 1 题：下列关于物理层设备的叙述中，错误的是（A. 中继器仅作用于信号的电气部分　B. 利用中继器来扩大网络传输距离的原理是将衰减的信号进行放大　C. 集线器实质上相当于一个多端口的中继器　D. 物理层设备连接的几个网段仍是一个局域网）。答案 B。

中继器的原理是将衰减的信号再生（再生 = 放大 + 整形），而不是简单地放大。 单纯放大会把噪声一起放大，越接越差；再生是按原来的波形重新产生一个标准信号，所以中继器串起来仍能保持信号质量（受 5-4-3 规则等时延限制）。

对照第 2 题：为了使数字信号传输得更远，应采用中继器（答案 A）——放大器用于远距离传输模拟信号，但它同时会放大噪声，引发失真。A、C、D 三项都是本节的原文表述。

错题复盘：中继器只能连接不同介质的局域网

王道 2.3.3 第 6 题：中继器可以用来连接（A. 不同类型的局域网　B. 不同速率的局域网　C. 不同介质的局域网　D. 不同协议的局域网）。答案 C。

因为物理层设备没有存储转发功能，所以中继器不能连接不同速率的局域网，也不能连接不同数据链路层协议的局域网（连接后要能达到正常通信的目的）。中继器可以连接不同介质的局域网，如光纤和双绞线，只要它们具有相同的速率和协议。

一句话记住：中继器只换”介质”，不换”规矩”。能连接不同协议的是具有存储转发能力的设备——网桥、交换机（3.8）和路由器（4.7.2）。

中继器连接的几个网段仍是一个局域网。 它既不分割冲突域，也不分割广播域（4.7.1）。

集线器没有寻址功能。 一个端口接收到数据信号后，从其他所有端口转发出去，而不是”根据目的地址从合适的端口转发”（王道 2.3.3 第 8 题）。

集线器组网：物理上星形，逻辑上总线。 它不具备交换表，发送数据没有针对性（第 4 题）。

集线器互连的网段数量受限。 中继器不仅传送有用信号，还传送噪声和冲突信号，因此互相串联的个数只能在规定的范围内（第 9 题）。

口径差异：集线器与 5-4-3 规则的今天

教材口径：集线器是标准的共享式设备，只能半双工工作；10BASE5 中互连的中继器不超过 4 个，5 段中只有 3 段可挂计算机。

工程口径：5-4-3 规则属于 10BASE5/10BASE2 这类共享总线以太网，双绞线时代的 10BASE-T 网络虽然仍受中继器级数限制，规则已经不同；今天的以太网组网一律用交换机（全双工、端口独享带宽、隔离冲突域），集线器只在考题和老设备里出现。

考试按教材口径作答。

对照速查

说法对错
中继器的原理是把衰减的信号放大❌（信号再生 = 放大 + 整形）
中继器仅作用于信号的电气部分✅
中继器可以连接不同速率的局域网❌
中继器可以连接不同介质的局域网✅
中继器连接的几个网段仍是一个局域网✅
集线器实质上是一个多端口的中继器✅
集线器根据目的地址从合适的端口转发❌（除输入端口外全部转发）
集线器可以分割冲突域❌（所有端口同属一个冲突域，2010、2020）
集线器组成的网络物理上是星形、逻辑上是总线✅
集线器可以全双工工作❌（半双工）
10Mb/s 的集线器接 5 台主机，每台平均带宽至多 2Mb/s✅

考点

  • 中继器：信号再生、两个端口、只作用于电气部分、无存储转发
  • 只能连接不同介质，不能连接不同速率或不同协议的局域网
  • 放大器（模拟、放大）vs 中继器（数字、再生）；5-4-3 规则
  • 集线器：多端口中继器、广播转发、半双工、物理星形逻辑总线
  • 不分割冲突域（2010、2020）；平均带宽 = 总带宽 ÷ 主机数

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