2.3 物理层设备

在这个视频中，我们要学习工作在物理层的两种网络设备，分别是中继器和集线器。首先来看中继器。在计算机网络中两个节点之间，需要通过物理传输媒体或者说物理传输介质进行连接。像同轴电缆、双绞线就是典型的传输介质，假设A节点要给B节点发送一些数据。这些数据经过各层协议逐层处理之后，最终在物理层这儿会把这些二进制数据转换成信号，然后发送到这个传输介质上。比如物理层可以采用曼彻斯特编码的规则，把二进制数据编成电信号，并发送到同轴电缆或者双绞线上进行传输。这些信号传输的距离越远，它就越有可能会失真。本来刚开始你传的是最左边的图，传着传着这个信号就变成最右边的图了，这就会导致信号的接收方可能无法准确的解析这些信号的含义。传输距离越长，信号失真越严重，这个应该不难理解。比如采用同轴电缆传输这种电信号的时候，同轴电缆本身就有电阻，只要它有电阻，就意味着当电压信号或者电流信号在同轴电缆上传输的时候，这些电压值和电流值肯定会受到电阻的影响，逐渐的失真，传输的距离越长，这种失真也会越严重。也正因如此，以太网技术中才会对这些传输介质提出一些标准规范。比如符合 10Base5 这种标准的同轴电缆，最远可以支持 500 米距离的传输。而10Base2这种标准的同轴电缆只能支持 200 米以内的这种信号传输。总之，为了确保在传输过程中信号失真别太严重。我们需要限制传输介质的长度。在这些条件的限制之下，如果我们想要让网络的覆盖距离更长，怎么办呢？

此时我们就可以使用中继器这种设备。中继器有两个端口，假设左边这个端口连接A，右边的端口连接B。现在A节点的物理层把二进制转换成数字信号，发送到信道上，在信号传输的过程当中，难免出现失真的情况，只要信号失真别太严重，这个中继器就可以正确的识别出信号的含义，并且把信号整形再生，然后再发送到下一段链路上。这样就可以确保最终的目的节点，收到的信号失真不会特别严重，至少可以正确的解读出信号的含义，比如说物理层的电气特性，可能会规定：零点五到一点五是低电平，四点五到五点五是高电平，而如果超出这两个范围之外的电压值或者说信号值会视为无效。这也就意味着在信号传输的过程中，如果信号的失真没有超出这两个范围。那么，我们依然可以正确的识别出信号的真实含义。在这种物理层协议之下，我们假设五伏是最标准的高电平信号。一伏是最标准的低电平信号，那在信号传输的过程中，一伏的这种低电平信号可能会出现失真。但是只要中继器这边它收到的电压范围在零点五到一点五伏之内，也就是符合物理层的协议规定。那么，中继器就会认为这是一个低电平信号，虽然它偏离了标准值一伏，但是只要偏离的别太过分，失真的别太过分，中继器就可以把这个低电平信号再一次整形成标准的一伏低电平信号，然后把它发送到下一条传输介质上。这就是中继器的工作原理，中继器只有两个端口，其中一个端口接收信号。中继器把失真的信号整形再生之后，再转发到另一个端口，信号的整形再生这个过程会产生一定的时延，当然中继器的信号传输方向并不是单向的，它可以从左往右传输，也可以从右往左传输，只不过两个方向的传输不可以同时进行。因此，中继器只支持半双工通信。如果两个方向的通信可以同时进行，这类通信就是所谓的全双工通信。如果中继器连接的两个节点同时都想发送数据，那么就会导致信号的冲突。另外中继器的两个端口分别对应两个网段。左边是一个网段，右边是另一个网段。

接下来看第二种设备集线器，集线器本质上是多端口的中继器。右下方的图，这款集线器总共有四个端口。集线器的工作原理和中继器是一样的，它会把其中一个端口收到的这个信号进行整形再生，然后转发到其他所有的端口。集线器的这些端口不可以同时发送数据，如果同时发，也会导致信号冲突。这个跟中继器是一样的。集线器的一个端口对应的就是一个网段，而所有的这些网段都处于同一个冲突域。

接下来我们解释一下冲突域的概念，如果说两台主机同时发送数据会导致信号冲突。那么，这样的两台主机就处于同一个冲突域当中，比如说这有三台集线器。每一台集线器连接了四台主机，对于第一台集线器连接的这四台主机来说。这几台主机，只要其中两个或者其中几个同时发送数据，那一定会导致信号的冲突，所以这几台主机就组成了一个冲突域，同样的道理和第二台集线器相连接的这些主机组成了第二个冲突域，第三个冲突域也是类似的道理。冲突域有时候也会翻译成碰撞域。为了解决这种冲突的问题，处于同一个冲突域的这些主机之间，任何一台主机在发送数据之前，都需要进行信道征用。关于信道征用的技术，我们会在下一章进行学习。

假设我们在这三台集线器之上，再连接一台更大的主干集线器。那此时原本三个独立的冲突域就合并为了一个更大的冲突域。比如现在最左边这台主机往集线器上发送信号。那么这个集线器会把信号首先是转发给与之直接相连的，另外三台主机。另一方面，他还会把这个信号转发给这个主干集线器，主干集线器收到这个信号之后，又会把它转发到右边这条线以及正下方这条线，而下面这两台集线器又会进一步的把这些信号进行转发。所以可以看到当左边这台主机发送信号的时候，它的信号会被转发到每一条线路上，此时如果有另一台主机也在发送信号。，那么这两台主机就发生了信号冲突，所以当我们用一个集线器连接了多个节点之后，所有的这些节点都会处于同一个冲突域。换句话表述，我们可以说集线器这种设备不能隔离冲突域。

看一个真题，2020的35题，问下面这张图表示的网络当中，冲突域和广播域个数分别是几个？我们暂时还没有学习广播域的概念，所以我们只关注冲突域到底有几个？可以看到，在考研真题当中表示，集线器的图标通常是这种立方体，上面加一个箭头。表示以太网交换机的图标通常是立方体上面加双向的几个箭头，而路由器通常会用这种圆柱体上面加各个方向的箭头来表示。可以看到在这个网络中总共有四个集线器。所谓100BaseT集线器的意思是说这种集线器型号它可以连接符合 100BaseT标准的以太网网段。这个T的意思是说采用双绞线作为传输介质，而100的意思是说这个传输介质的极限传输速率是100Mbps，总之，100BaseT属于以太网技术中的一个标准，只要符合这种标准的网段，就可以在这个型号的集线器上进行连接。之前我们强调过集线器不可以隔离冲突域。所以在同一个集线器上连接的这些主机肯定是属于同一个冲突域，另外集线器的上面连接了以太网交换机，现在我们还没有学过交换机具体的原理。但我们先提前预告一下交换机这种设备是可以隔离冲突域的。比如说最左边这台主机，它给集线器发送信号，那么这个集线器会把这个信号转发到其他的端口。但是到以太网交换机这儿，它并不会无脑的把这个信号再转发到与之相连的其他端口。这就意味着这台主机发送的信号并不会影响右边这台集线器上连接的这些设备。所以以太网
交换机把左边和右边这两个冲突域进行了隔离，使得二者之间不会相互干扰，所以对于这个题目来说，两台交换机都可以隔离冲突域，那么剩下的冲突域个数肯定是四个。因此这个题目可以排除A 选项和B选项，由于我们现在还没有学习广播域的概念。所以到底选C还是选D，我们暂时先不探究。通过这个题目，希望让大家体会到冲突域的这个概念，以及体会到什么叫隔离冲突域。冲突域是集线器这个考点最喜欢考察的一个方向，需要特别注意。

接下来我们还需要补充一些关于集线器和中继器边边角角的一些特性。

首先看第一个特性：集线器和中继器不能无限串联。之前我们说过，无论是中继器还是集线器，它可以把多个网段串联起来，从而扩大网络的覆盖范围。所以如果两个结点之间的距离特别远，那么我们是不是可以在两个结点的中间就是接上很多很多个中继器？这是一种很可爱的想法，只要中继器或者集线器用的足够多，那么两个结点的距离就可以足够远。事实上，这种想法是错误的。比如，在以太网的标准当中。对同轴电缆和中继器、集线器的使用进行了约束。我们把它称为5-4-3原则。第一个5的意思是说，当我们使用集线器或者中继器去串联这种同轴电缆的网段的时候，最多只能串联五个网段，串联五个网段最多只需要使用到四台集线器或者四台中继器，在这五个网段当中，只有三个网段可以挂接计算机。这就是所谓的五四三原则，也就是说以太网技术限制了这个集线器以及中继器的最大的串联数。

这样的一张示意图，可以辅助大家理解，在这张图当中，上面的这个东西是Repeater，也就是中继器。可以看到总共只有四个中继器，这四台中继器总共串联了五个网段。其中只有三个网段挂接了计算机。看到这个图，大家可能会比较奇怪，就是这样的一根线上怎么能挂多台计算机呢？其实这是早期计算机网络当中才会使用的连接方式。这样的一个网段，对应的就是一根同轴电缆。

而一根同轴电缆上可以通过这样的接口把它分接到多台计算机上。回到5-4-3原则，可以看到中间的这两个网段，我们是不允许挂计算机的。像这种一根同轴电缆连了多台计算机的，这种连接方式就是很典型的总线型网络。还记得我们第一章学过网络的拓扑结构吗？

总线型的网络有这样的特点：就是当一台计算机往总线上发送信号的时候，这个信号会充斥整个总线，会无差别的发送给与这个总线相连的所有计算机。与此同时，如果一台计算机也在往总线上发
送数据，那么这两台计算机就会出现冲突。

 类似的道理，如果我们采用集线器去连接多台计算机那么在物理上看，这个拓扑结构应该是星形的。但是，基于集线器的工作原理，逻辑上这个拓扑结构应该是总线型的。对于集线器来说，如果其中一个节点正在发送信号，那么它的这些信号会被无脑的传送到每一条线路上。所以从逻辑上看，集线器组成的这个网络，它依然是总线型的拓扑结构。一台计算机，它的信号会打到总线上，
然后这个总线又会把这些信号无差别的传送给各个节点。与此同时，就会导致信道征用的问题，也就是如果同时有多个节点都想要发送数据，那么他们之间会争抢着使用这个信道。这一点需要注意，集线器连接的网络物理上看和功能逻辑上看，它的拓扑结构是不一样的。物理上属于星型结构，逻辑上属于总线型结构。

接下来还需要注意的一点是，集线器连接的各个网段会共享带宽，比如这儿有一台集线器。它的吞吐量是呃10Mbps，如果它连接了八台主机，这八台主机平均每台只会分配到1.25Mbps 的带宽，集线器的总带宽被与之连接的各个节点共享。

最后关于集线器还有两个点需要注意，先声明在前，接下来的这两个特性和大部分国内教材所描述的情况是不太一样的。第一个特点集线器可以连接不同的传输介质，好直接上图，这是惠普公司生产的28691A集线器。可以看到这台集线器上面可以接一个同轴电缆的接口。同时，还配备八个双绞线接口，同轴电缆和双绞线属于不同的传输介质，它们的物理层接口特性也各不相同，两种传输介质的物理层接口特性。不一样就意味着这台集线器的左边这个端口采用的物理层协议和双绞线的这些端口采用的物理层协议肯定就不同。这一点和国内大多数教材描述的是有区别的，很多国
内教材都会说，无论是中继器还是集线器，都不能连接物理层协议不同的网段。但在现实世界中，国内教材的这种说法其实是站不住脚的，所以我个人会坚持上面这种观点。集线器可以连接不同的传输介质，也可以连接不同的物理层协议。其实连接两个不同的物理层协议并不难做到，假设有一个节点A通过同轴电缆接口和这个集线器进行连接，与此同时，有一个节点B通过双绞线接口与之连接，假设A节点和这个同轴电缆接口之间采用的物理层协议规定，这个数据的传输采用归零编码。另外双绞线的这种接口采用的物理层协议可能会规定采用曼彻斯特编码，在这种情况下A节点通过归零编码给集线器发送了一些0101二进制比特串，那么这个集线器通过内部的芯片，内部的处理。可以把归零编码转换成与之等价的曼彻斯特编码，然后再把这个曼彻斯特编码的信号，从双绞线的接口发出，是不是就OK了？所以在刚才的例子中，这台集线器可以支持两种物理层的协议，并且在数据转发的过程中，它可以把其中一种物理层协议标准转换成另一种物理层协议标准。所以事实上集线器是可以连接不同的物理层协议的。

接下来还有一个点和国内教材会不太一样，就是现实生活中的这种集线事实上是可以连接速率不同的网段，只不过会导致速率向下兼容而已。比如说八号接口连了一个10M的网线，然后七号接口连了一个 100M的网线，其他接口也可以连各种速度的网线，比如1000M。如果说一台集线器上连接的这些网段，它们的速率都各不相同，那么会采取速度向下兼容的这种处理方案。也就是说以最低的这种速率为标准，让更快的这些接口统一采用最低的这种速率来进行数据的接收和发送。所以现实生活中，集线器连接的这个网段速率各不相同是 OK 的，只不过会浪费一些性能而已。在这一点上，大多数的国内教材，它会说中继器和集线器不能连接速率不同的网段。事实上，这种说法也是经不起推敲的。这是现实情况和国内教材的描述不太一致的两个点。

这个视频中我们介绍了物理层设备，分别是中继器和集线器。中继器只有两个端口，它会把一个端口接收到的信号整型、再生之后转发到另一个端口。集线器的原理和中继器类似，只不过它属于多端口的中继器，会把一个端口接收到的信号整形，再生之后转发到其他所有的端口。无论是中继器还是集线器，同一时间内只可以有一个与之相连的端口正在发送数据。如果有多个端口同时发送数据，就会导致信号冲突。我们介绍了一个很重要的概念，叫做冲突域，由中继器和集线器连接的各台主机，属于同一个冲突域。也就是说，这些主机同时发送信号的时候，会发生信号冲突，那为了解决冲突的问题，我们就需要采取一些策略，让这些主机完成信道争用，具体怎么实现信道征用我们会在后续的章节进行探讨。
除了中继器和集线器的基本原理之外，我们也补充了一些边边角角的特性。首先，中继器和集线器不可以无线串联。五四三原则有个大致的印象就可以，不需要过度深究，那个不是重点，另外我们强调集线器连接的网络物理上是星型拓扑，而逻辑上属于总线型的拓扑。以及集线器连接的各个网段需要共享集线器的总带宽。

最后我们还补充了两个和国内教材，可能会不太一样的特性。首先，集线器可以连接不同的传输介质，这就意味着它可以连接不同的物理层协议。另外，在现实生活中，集线器也可以连接速率不同的网段，只不过会导致速率向下兼容。在做题的时候，大家可以以教材描述的为准，就是说这两种设备不能连接不同的物理协议，也不能连接速率不同的网段。做题的时候，大家可以按照这个标准来，但与此同时，希望大家带着一些批判性去看待这个知识点。你要知道现实世界的真实情况和书本里说的并不一样。
以上就是这一小节的全部内容。