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物理层设备
2026 大纲 二（三）1 中继器、二（三）2 集线器。冲突域与广播域的正式定义、各类设备隔离能力的成套讨论在《以太网与 IEEE 802.3》，本篇只建立概念与对照结论。
一、线不够长了怎么办
上一节讲介质时留下一个很实在的问题：信号在介质上会衰减，超过一定距离就读不出来了。铜缆几百米、光纤几十公里，再远怎么办？
最朴素的答案是在中间加一台设备，把信号重新弄干净再送出去。这就是本节的全部内容——物理层的两种设备，中继器和集线器。
但这一节真正的价值不在这两台设备本身（它们早已退出主流），而在于它引出了一个概念：集线器把多个网段连起来之后，"同一时刻只能有一个站发送"的范围也跟着变大了。这个范围叫冲突域，而怎么控制冲突域，正是下一章数据链路层整章的主线。
先立一条贯穿全课的判据：判定一台设备工作在第几层，看它在转发之前最多看懂了数据的哪一层结构。 中继器与集线器只认比特（收 1 转 1、收 0 转 0）；网桥与交换机认帧与 MAC；路由器认分组与 IP。
"只认比特"这一条会推出四个后果：不认识 MAC 地址（只能广播到所有其他端口）、不做差错检验、不做碰撞检测、没有缓存。最后一条尤其要记住——"没有缓存"是本节后面几乎所有结论的根。
二、中继器：为什么只有数字信号能"丢弃噪声"
| 放大器（Amplifier） | 中继器（Repeater） | |
|---|---|---|
| 处理对象 | 模拟信号 | 数字信号 |
| 做什么 | 把衰减的波形整体放大 | 整形 + 放大，重新生成一个干净的标准波形 |
| 噪声怎么办 | 与信号一起被放大，逐级累积 | 被丢弃，每过一级清零一次 |
| 级联的后果 | 信噪比逐级恶化，级数有硬上限 | 信噪比不恶化 |
关键在"有限个合法取值"——这一点在通信基础最后一节已经埋下了。中继器用判决门限读出这一位到底是 0 还是 1，然后按标准波形重新发一个出去；发出去的是全新的干净波形，之前叠加的噪声与失真被彻底扔掉。模拟信号没有"合法取值"这一说，放大器分不清哪部分是信号哪部分是噪声，只能一起放大。
所以"再生 = 放大 + 整形"这句口诀里，起关键作用的是"整形"。
还有一条边界要划清：中继器两侧不是两个网络，而是同一个网络的两个网段，共用同一网络地址、同一广播域、同一冲突域。这与路由器互连两个不同网络完全不同。
串联上限来自时间，不是信号质量
既然中继器能把信噪比清零，那是不是可以无限串下去？不能，但卡住它的不是信号质量而是时间。
CSMA/CD 要求发送站在发完最短帧之前检测到碰撞 ⇒ 端到端往返时延不得超过争用期。10 Mb/s 以太网最短帧 64 字节 = 512 比特，争用期
⚠️ "能串几个"有两种口径。 谢希仁教材的说法是任意两站之间最多经过三个电缆网段；另一种广泛流传的表述是 10BASE-5 的 5-4-3 规则（5 段电缆、4 个中继器、其中 3 段可挂主机）。两者约束的是同一件事，以题面给出的口径为准。
顺带一提：双绞线以太网成为主流后，扩展覆盖范围已很少使用中继器。现在更简单的办法是用一对光纤调制解调器加一段光纤把主机连到远处的集线器，几公里外都能连上。
三、集线器：换了布线方式，没换共享总线
集线器就是多端口的中继器：收到信号后整形再生并重新定时，转发到除输入端口外的所有端口，不做碰撞检测。
图源：谢希仁《计算机网络》（第 8 版） 图 3-20，p93
| 特性 | 说明 | 为什么 |
|---|---|---|
| 转发方式 | 广播到所有其他端口，无定向传送能力 | 不认 MAC 地址，无从选择端口 |
| 工作模式 | 半双工 | 同一时刻只允许一个站发送，边发边收会自己撞自己 |
| 带宽方式 | 共享带宽，所有端口平分 | 逻辑上是一条总线，总容量固定 |
| 物理拓扑 | 星形 | 各站都连到中心的集线器 |
| 逻辑拓扑 | 总线形 | 用电子器件模拟总线，各站共享逻辑总线、仍跑 CSMA/CD |
| 冲突域 / 广播域 | 都不能分割 | 只看得懂比特 |
| 能否缓存 | 不能 | 无缓存 → 无法做速率适配 |
这张表里最要紧的是物理星形、逻辑总线形这一行。集线器用电子器件模拟总线，各站仍共享逻辑上的总线、仍跑 CSMA/CD、同一时刻至多一个站发送。它换掉的只是布线方式，没换掉"共享总线"这个本质。
由"无缓存"直接推出的两条结论也常被单独考：
连接不同速率网段时全网降到最低速。 速率适配的唯一办法是"快的一侧先存进缓存再按慢速吐出"，而集线器是比特进比特出的直通设备。无缓存 → 不能变速。
集线器半双工、交换机全双工。 集线器逻辑上是共享总线，自己发的信号会传遍总线回到自己，必然自己撞自己；而共享总线上必须跑 CSMA/CD（前提就是同一时刻至多一个站发送）。交换机则是每个端口与一台主机构成只含两个实体的独立冲突域，双绞线收发两对线各行其道，碰撞不可能发生，CSMA/CD 也就不再需要。
还有一条距离限制别与前面那条混起来：10BASE-T 规定每站到集线器不超过 100 m，故同一集线器下两主机最远 200 m。这条来自衰减，与那条来自时延的 5 km 是两回事，做题两条都要过。
四、冲突域合并：互连的代价
把三个系各自的 10BASE-T 以太网用一台主干集线器连起来，会发生什么？
图源：谢希仁《计算机网络》（第 8 版） 图 3-24，p100
推理链条只有三步：集线器把从任一端口收到的比特转发到其余所有端口（不做任何过滤，因为它不认识地址）→ 一系某站发送时这些比特会穿过所有集线器传遍全网 → 这时二系、三系任何站只要也开始发送，两路信号就在共享的逻辑总线上相遇，碰撞。
于是"同一时刻只能有一个站发送"的范围从一个系扩大到三个系：互连让三个系能跨系通信、覆盖范围也扩大了，代价是总吞吐量从 30 Mb/s 掉回 10 Mb/s。 换成交换机则每端口一个冲突域，同样三个系连起来总吞吐量是 30 Mb/s，而且随端口数增长。这是集线器被交换机取代的直接原因。
分割能力的推导逻辑
冲突域 = 同一时刻只能有一个站发送的那片范围；广播域 = 一个广播帧能到达的所有站。哪种设备能切开哪一个，不用记，可以推：
要隔离什么，就得先看懂什么。 分割冲突域要能把帧收完再转发（存储转发 ⇒ 至少链路层）；分割广播域要能识别并拦截广播帧（⇒ 网络层）。集线器只看得懂比特，两样都分不了。
| 设备 | 层次 | 转发依据 | 有无缓存 | 分割冲突域 | 分割广播域 | 端口带宽 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 中继器 | 物理层 | 无（比特直通） | 无 | 否 | 否 | 共享 |
| 集线器 | 物理层 | 无（比特直通，广播到所有其他端口） | 无 | 否 | 否 | 共享 |
| 网桥 | 数据链路层 | 目的 MAC | 有 | 能 | 否 | 独占 |
| 交换机 | 数据链路层 | 目的 MAC（硬件查表） | 有 | 能（每端口一个） | 否 | 独占 |
| 路由器 | 网络层 | 目的 IP | 有 | 能 | 能 | 独占 |
这张表只有一条主线索：层次越高，看懂的结构越多，能做的隔离就越多。
数冲突域与广播域：一套可复用的数法
设某网络：一台路由器的两个端口分别接一台交换机；每台交换机各有 5 个端口——1 个上联口接路由器，2 个端口各接一台集线器，另外 2 个端口各直接接一台主机；每台集线器各接 3 台主机。
先数广播域。 只有路由器能分割广播域，它有 2 个端口 ⇒ 2 个广播域。交换机和集线器都不分割，所以路由器每一侧（1 台交换机 + 2 台集线器 + 全部主机）合起来算一个。
再数冲突域。 交换机的每个端口是一个独立冲突域；集线器整体只算一个冲突域，而且它并入所连的那个交换机端口的冲突域、不再另计。
| 交换机的端口 | 接什么 | 冲突域 |
|---|---|---|
| 端口 1 | 集线器（下挂 3 台主机） | 1 个（集线器与它下面 3 台主机共享） |
| 端口 2 | 集线器（下挂 3 台主机） | 1 个 |
| 端口 3 | 主机 | 1 个 |
| 端口 4 | 主机 | 1 个 |
| 上联口 | 路由器 | 1 个 |
一台交换机侧共 5 个，两侧对称得
可复用的口诀：数冲突域就是数"有几片共享介质"——交换机的每个端口挂出去的那一片算一个，集线器不切分、只是把它那一片撑大。
⚠️ 有一处判卷口径要留意：交换机↔交换机、交换机↔路由器之间的链路是全双工点对点的，两端可以同时发、物理上不可能碰撞，真题里通常不把它计入冲突域。上面这道例题按教材"每个端口和连接到端口的主机构成一个碰撞域"的口径算，把上联口也数了进去；若题面的拓扑里交换机之间还有互连链路，就要回到定义本身判断——冲突域是"同一时刻只能有一个站发送"的那片范围。完整辨析与真题实例见交换机工作原理第七部分。
本节小结
- 判定层次的唯一判据是"转发前看懂了哪一层结构"：中继器与集线器只认比特，因此不认 MAC、不做差错检验、不做碰撞检测、没有缓存——没有缓存直接推出不能存储转发、不能速率适配、不能隔离冲突。
- 中继器做的是再生而不是放大（数字信号有有限合法取值，可重新生成干净波形丢弃噪声），两侧是同一网络的两个网段；它的串联上限来自 CSMA/CD 的时间预算（争用期 51.2 µs ⇒ 单程 25.6 µs ⇒ 跨距约 5 km），不是信号质量。
- 集线器是多端口中继器，物理星形而逻辑总线形：共享带宽、半双工、无缓存，冲突域与广播域都分不了；互连多个以太网后总吞吐量不叠加，连接不同速率网段时全网降到最低速。这两条正是它被交换机取代的直接原因。
考点速记
中继器与集线器本身在真题里不单独成题，但本节推出的那套判据被反复使用——用它的题在练习区跟着各自的知识点走，这是本节没有独立练习区的原因。真题里被考过的形式有三类：
① 数冲突域与广播域。给一张含路由器、交换机、集线器的拓扑，问有几个冲突域、几个广播域。用本节第四部分那条口诀：数冲突域就是数"有几片共享介质"，集线器不切分只是把一片撑大；数广播域只数路由器的端口。⚠️ 交换机之间、交换机与路由器之间的全双工链路上不可能碰撞，真题里通常不计入冲突域。题目在以太网交换机的自学习与以太网的练习区。
② 判定设备实现的最高功能层。给一张拓扑问路由器、Switch、Hub 分别工作到第几层，判据就是本节开头那一条——转发决策要读哪一层的字段。题目在体系结构与参考模型的练习区。
③ 集线器与交换机的对照。共享带宽还是独占带宽、半双工还是全双工、需不需要 CSMA/CD、互连后吞吐量叠不叠加——这几条几乎总是成组出现。题目在以太网、以太网交换机的自学习与 CSMA/CD 的练习区。
易错：集线器的物理拓扑是星形，逻辑拓扑是总线形。 它换掉的只是布线，各站仍共享一条逻辑总线、仍跑 CSMA/CD。"用了集线器就不冲突了"是错的。
易错：集线器不能连接不同速率的网段，硬要连就全网降到最低速。根子是它没有缓存——速率适配必须先存后吐。
易错：5 km 和 100 m 是两条不同来源的限制。 5 km 来自 CSMA/CD 的时间预算（争用期），100 m 来自双绞线的衰减。做题两条都要过，别用其中一条去否定另一条。
易错：中继器两侧是同一个网络的两个网段，不是两个网络。共用同一网络地址、同一广播域、同一冲突域。
易错：交换机能分割冲突域但不能分割广播域（除非划 VLAN）。要隔离广播域必须上到网络层。
教材出处
- 谢希仁《计算机网络》（第 8 版）p48（2.3.1 导引型传输媒体）：把放大器与中继器的分工并排写出——"距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）"。本篇"再生 vs 放大"一节即据此。
- 同书 p91（3.3.2 CSMA/CD 协议）：给出本篇时间约束的全部数据——"以太网规定了一个最短帧长 64 字节，即 512 比特……对于 10 Mbit/s 以太网，发送 512 比特的时间需要 51.2 µs，也就是上面提到的争用期"；"信号在以太网上传播 1 km 大约需要 5 µs。以太网上最大的端到端时延必须小于争用期的一半（即 25.6 µs），这相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km"；并明确指出争用期的取值"不仅考虑到以太网的端到端时延，而且还包括其他的许多因素，如存在的转发器所增加的时延"。
- 同书 p92（3.3.3 使用集线器的星形拓扑）：说明集线器与双绞线以太网的配套关系——"这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫作集线器……双绞线以太网总是和集线器配合使用的。每个站需要用两对无屏蔽双绞线（放在一根电缆内），分别用于发送和接收"；并给出 10BASE-T 的距离限制"每个站到集线器的距离不超过 100 m"。
- 同书 p93（集线器的特点，及图 3-20）：本篇引用的两条核心原文——"从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于集线器使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍像一个传统以太网那样运行。也就是说，使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是 CSMA/CD 协议……网络中的各站必须竞争对传输媒体的控制，并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据"；"因此，一个集线器很像一个多端口的转发器"；"集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单地转发比特——收到 1 就转发 1，收到 0 就转发 0，不进行碰撞检测。若两个端口同时有信号输入（即发生碰撞），那么所有的端口都将收不到正确的帧"。同页并说明"每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时"。
- 同书 p100（3.4.1 在物理层扩展以太网，及图 3-24）：给出中继器扩展范围的历史做法与标准限制——"在过去广泛使用粗缆或细缆以太网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围。那时，两个网段可用一个转发器连接起来。IEEE 802.3 标准还规定，任意两个站之间最多可以经过三个电缆网段。但随着双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展以太网的覆盖范围已很少使用转发器了"；并给出本篇冲突域合并与吞吐量代价的原始论证——"在三个系的以太网互连起来之前，每一个系的 10BASE-T 以太网是一个独立的碰撞域（collision domain，又称为冲突域），即在任一时刻，在每一个碰撞域中只能有一个站在发送数据。每一个系的以太网的最大吞吐量是 10 Mbit/s，因此三个系总的最大吞吐量是 30 Mbit/s。在三个系的以太网通过集线器互连起来后就把三个碰撞域变成一个碰撞域……而这时的最大吞吐量仍然是一个系的吞吐量 10 Mbit/s。这就是说，当某个系的两个站在通信时所传送的数据会通过所有的集线器进行转发，使得其他系的内部在这时都不能通信（一发送数据就会碰撞）"。本篇所引的图 3-24 两幅即出自此页。
- 同书 p101：给出速率适配的结论与其根因——"如果不同的系使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不可能用集线器将它们互连起来……那么用集线器连接起来后，大家都只能工作在 10 Mbit/s 的速率。集线器基本上是个多端口（也称为接口）的转发器，它并不能把帧进行缓存"；同页并给出交换机的对照结论——"每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域，具有 N 个端口的以太网交换机的碰撞域共有 N 个"、"以太网交换机的每个端口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式"、"对于传统的 10 Mbit/s 的共享式以太网，若共有 10 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有 1 Mbit/s"。