（一）物理层网络设备达到的目标

物理层（第一层）网络设备的作用是实现物理层要完成的任务。物理层的任务是通过对电信号的处理，保证原始数据比特流的无误传输，最终将一台主机发出的信号送到其他主机上。

（二）第一层设备传递数据的方法

1.两台计算机的连接方法

通过两台计算机的双绞线的连接工作方式看物理层的任务。在局域网中的计算机中，每块网卡都分别有一个输入端和输出端，它们需要与另一台计算机的端口交叉连接，即将一端的输入端的电信号接入到另一端的输出端；反之亦然。这里的交叉连接部分就是物理层（协议第一层）的网络设备所要完成的任务。

2.多台计算机的双绞线连接

当网络由多台计算机组成时，作为物理层的网络设备，同样需要将任一端口的输出数据转发到其余各点的输入端门上，即将任一台主机的发出端的信号送到其他所有主机的输入端。

计算机都是用直通线接到集线器上的，而不是用交叉线，其原因就在于集线器的内部结构。在集线器的内部，线路经过电路的处理，每个端口的发送线路都交叉地传送到其他端的接收线路上，即在集线器内部实现了线路的交叉连接。所以在集线器端门外面只要用直通线就可以了。当然，集线器还包括了对电信号的放大、整形和过滤杂波等功能。

请注意这里的三个关键点：输出端、转发处理、输入端，就是第一层网络设备的基本组成。作为第一层（物理层）的网络设备，根据用途的不同，生产了不同的设备。常用的包括中继器和集线器。其中集线器用于连接多台计算机，中继器用于延长线路的使用距离。因为当线路过长时，必然引起信号的衰减，所以为增加线的允许使用距离，可在线路中间添加一个两端口的中继器，它对信号有放大、整形和过滤杂波的作用。另外，有的中继器还能实现不同介质的信号转换功能，如光—电转换或双绞线和同轴电缆的转换等。

总之，上述产品仅在物理层对信号进行处理，而不对传输的数据内容做任何改变，所以归为第一层的网络设备。

（三）物理层网络设备的特点

对于采用物理层网络设备连接的网络环境，由于网络设备不具备智能的处理能力，因此只能简单地将信号进行处理，即将输入端的信号发送到所有其他端口上。而且这种工作方式使得某一时刻只能有一条线路进行通信，任何一方要发送数据前先监听，只有当核实线路空闲时，才能发送数据。所以该结构的网络不能同时有两条以上的线路工作，使用效率不高。

另外，在这种用集线器构成的网络中，会出现传输冲突现象，从而影响网络的传输效率。产生冲突的原因是，由于以太网在每次发送数据前要检查是否有人占用线路，如果某时有两人同时测得电信号为零，即以为线路空闲状态，都发出数据，则产生冲突。解决的办法为：各自等候一段时间重发。

通过对集线器的工作特点分析，会发现使用集线器时，承载的用户应保证不超过满负荷的40%。例如，在一个要求视频点播的多媒体教室中，用吉比特集线器连接，假设同时使用，平均用户个数为（100×40%）/1.5，约为30人。计算式中，100Mbit/s为集线器总负荷，40%为平均效率，1.5Mbit/s为视频流要求的数据传输量。

集线器也称为共享式网络设备，即所有网络用户共享一条通信线路。为提高网络设备的负载能力，人们设计了第二层的交换式网络设备，它能同时传送多条通信线路。

（四）中继器的原理与实现(www.daowen.com)

LAN环境下用来延长网络距离的互联设备中最简单、最廉价的是中继器。这种设备操作在OSI的物理层，只具有信号放大再生之类的功能，因此只能连接使用相同媒体访问法和相同数据传输速率的LAN。中继器在执行信号放大功能时不需要任何智能或算法，只是将来自一侧的信号转发到另一侧（当为双口中继器时）或将来自一侧的信号转发到多个口。然而应当指出，使用中继器连接LAN的电缆段是有限制的，遵循一定的网络标准。标准以太网络中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。当为上述最大通路时，最多只能使用3个同轴电缆段，其余必须为链路段。当5个段都存在时，每个链路段不得超过500m。当通路由3个中继器、5个段组成时，链路段最大长度为2500m。

使用中继器扩充网络距离是最简单、最廉价的方法，但当负载增加时，网络性能急剧下降，所以只有当网络负载很轻和网络时延要求不高的条件下才能使用。

（五）集线器功能及原理

用网络术语来说，集线器（HUB或Concentrator）是基于星型拓扑的接线点。10Base—T、10Base—F及许多其他专用网络都依靠集线器来连接各段电缆及把数据分发到各个网段。集线器的基本功能是信息分发，它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号重新生成，一些集线器整理信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。

集线器是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器在OSI/RM中的物理层。集线器产品发展较快，局域网集线器通常分为3种不同的类型，它将对LAN交换机技术的发展产生直接影响。在10Base—T网络中，所有设备需要用非屏蔽双绞线连接到一个或多个集线器，集线器应该有多个端口甚至多种类型的端口。有时需要把多个集线器连接起来，这时，你可能想用高速端口来建立网络的主干，各集线器与服务器应直接连到高速主干上。因为多数LAN的主要通信是在工作站和主服务器之间的，主干对网络的整体性能意义重大。图5-1是简单的集线器的连接示意图。

图5-1　集线器连接示意图

集线器按功能进行分类主要有被动集线器、主动集线器和智能集线器。

1.被动集线器

顾名思义，被动集线器是相对静止的。它们没有专门的动作来提高网络性能，也不能帮助检测硬件错误，只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口分发。这是集线器可以做的最简单的事情。被动集线器是星型拓扑以太网的入门级设备。被动集线器通常有一个10Base—2端口和一些RJ—45接头。10Base—5是使用粗缆的以太网，这个10Base—2接头可以用于连接主干。有些集线器还可以连到收发器的AUI端口以建立主干。

2.主动集线器

主动集线器拥有被动集线器的所有性能，此外还能监视数据。它们是在以太网实现存储转发技术的重要角色，它们在转发之前检查数据，它们并不区分优先次序，而是纠正损坏的分组并调整时序。如果信号比较弱但仍然可读，主动集线器在转发前将其恢复到较强的状态。这使得一些性能不是特别理想的设备也可正常使用。如果某设备发出的信号不够强，使得被动集线器无法识别，那么主动集线器的信号放大器可以使该设备继续正常使用。主动集线器还可以报知那些设备失效，从而提供了一定的诊断能力。有些线缆可能有电磁干扰使分组不能按正常时序到达集线器，主动集线器可以将转发的分组重新同步。有时数据根本就到不了目的地，主动集线器通过在单个端口重发分组来弥补数据的丢失。主动集线器可以调整时序以适应较慢的、错误率较高的连接。此外时序调整实际上可以减少局域网中的冲突次数，数据不需要重复广播，局域网就可以传输新的数据。主动集线器提供一定的优化性能和一些诊断能力，它们比简单的被动集线器贵，可以配以多个、多种端口。

3.智能集线器

智能集线器可以使用户更有效地共享资源。其技术近些年才出现，很多地方还没有机会享受到它的好处。除了主动集线器的特性外，智能集线器提供了集中管理功能。如果连接到智能集线器上的设备出了问题，可以很容易地识别、诊断和修补。在一个大型网络里，如果没有集中的管理工具，那么常常需要一个线盒一个线盒地跑，寻找出问题的设备。智能集线器的另一个出色的特性是可以为不同设备提供灵活的传输速率。除了上联到高速主干的端口外，智能集线器还支持到桌面的10/16Mbit/s和100Mbit/s的速率，即以太网、令牌环和FDDI。支持多重协议、多种媒体，具有不同类型的端口。智能集线器所具有的交换功能，是集线器与交换机功能的组合。