第2章 物理层
2.1 考点归纳
【考纲指定考点】
【题型及考点分析】
本章概念较多，从历年的真题来看，都以选择题形式考查，考查的重点主要有奈奎斯特定理和香农定理的应用，编码与调制技术、数据交换方式，还有电路交换、报文交换与分组交换技术等。
一、通信基础
1信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
（1）数据、信号与码元
①数据
数据是指传送信息的实体。在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在计算机网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。话音信息、图像信息、文字信息以及从自然界直接采集的各种自然属性信息均可转换为二进制数字编码，以便于在计算机网络中存储、处理和传输。数据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据是连续变化的而数字数据是离散的。
②信号
信号是数据的电压或电磁编码，是数据在传输过程中的存在形式。在数据通信系统中常常使用电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号来表示各种不同的信号。
从时域的观点看，信号不是连续的就是离散的。如果信号的强度（电压或电流值）变化是平滑的，这种信号就是连续信号，也叫模拟信号。如果在一段时间内信号强度保持某个常量值，然后在下一个时间段又变化到另一个常量值，这种信号称为离散信号，也叫数字信号。数字信号可以通过调制解调器调制成模拟信号，同样的，模拟信号可以通过编码解码器编码成数字信号。
③码元
码元是信号编码单元。对于数字通信而言，一个数字脉冲就是一个码元；而对于模拟通信而言，载波的某个参数或某几个参数的变化就是一个码元。
（2）信源、信宿与信道
信源、信道和信宿是数据通信的三大组成部分。
①信源
信源是信息的来源，可以是人、机器、自然界的物体等。
②信宿
信宿是信息的接收者，可以是人也可以是机器，如收音机、电视机等。
③信道
信道就是信息传递的通道，是将信号进行传输、存储和处理的媒介。信道的关键问题是它的容量大小，要求以最大的速率传送最大的信息量。
如图2-1所示为一个单向通信系统的模型。实际的通信系统大多为双向的，即往往包含一条发送信道和一条接收信道，信道可以进行双向通信。
图2-1 通信系统模型
信道可以分为两类：狭义信道和广义信道。
a．狭义信道
狭义信道按照具体媒介的不同类型可分为有线信道和无线信道。
第一，有线信道是指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能够看得见的媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。
第二，凡不属于有线信道的媒质均为无线信道的媒质。无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠，但无线信道具有方便、灵活、通信者可移动等优点。
b．广义信道
广义信道也分为两种：调制信道和编码信道。
第一，调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发而构成的，它的范围是从调制器输出端到解调器输入端，从调制和解调的角度来看，我们只关心解调器输出的信号形式和解调器输入信号与噪声的最终特性，并不关心信号的中间变化过程。因此，定义调制信道对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。
第二，编码信道仅着眼于编码和译码问题。这是因为，从编码和译码的角度看，编码器的输出仍是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。
（3）速率与带宽
①速率
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
a．码元传输速率
码元传输速率简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B，码元传输速率也称为波特率。
b．信息传输速率
信息传输速率又称为信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。
比特率并不一定等于波特率，但它们在数量上有一定的关系。若一个码元携带n bit的信息量，那么M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。
②带宽
带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。
2奈奎斯特定理和香农定理
（1）奈奎斯特定理
奈奎斯特（Nyquist）定理又称为奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W Baud，其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若k表示每个码元离散电平的数目，则极限数据率为：C＝2Wlog2k （b/s）。
需要注意的是，奈氏准则是在理想条件下推导出的，在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小些。奈氏准则并没有对信息传输速率（b/s）给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息，需要有很好的编码技术。
根据奈奎斯特准则我们可以推断出：
①给定了信道的带宽，则该信道的极限波特率就确定了，不可能超过这个极限波特率传输码元，除非改善该信道的带宽；
②要想增加信道的比特传送率有两条途径，一方面可以增加该信道的带宽，另一方面可以选择更高的编码方式。
（2）香农定理
香农定理指出，在噪声与信号独立的高斯白噪信道中，假设信号的功率为S，噪声功率为N，信道通频带宽为W（Hz），则该信道的信道容量C有：C＝Wlog2（1＋S/N） （b/s），从公式中我们可以看出，对于一定的信噪比和一定的传输带宽，它传输速率的上限就确定了，这个极限是不能够突破的。由香农信道容量公式可得出以下结论：
①提高信道的信噪比或增加信道的带宽都可以增加信道容量。
②当信道中噪声功率N趋于0时，信道容量C趋于无穷大，这就是说无干扰信道的信道容量可以为无穷大。
③信道容量C一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以互换，即减小带宽，同时提高信噪比，可以维持原来信道容量。
④信噪比一定时，增加带宽W可以增大信道容量。但噪声为高斯白噪声时（实际的通信系统背景噪声大多为高斯白噪声），增加带宽同时会造成信噪比下降，因此无限增大带宽也只能对应有限信道容量。
【例】假设有一个信道的带宽是3000Hz，其信噪比为20dB，那么这个信道可以获得的理论最大传输速率是（ ）。
A．1Kbps
B．32Kbps
C．20Kbps
D．64Kbps
【答案】C
【解析】使用香农定理可以得到信道的理论速率上限C＝Wlog2（1＋S/N），题目中W＝3000Hz，而S/N满足SNR＝10log10（S/N），SNR为信噪比，题目中SNR＝20dB，得S/N＝100。因此C＝Wlog2（1＋S/N）＝3000×log2（1＋100）≈20Kbps。
3编码和调制
数据无论是数字的还是模拟的，为进行传输都必须转变成信号，把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。数字数据可以通过数字发送器转换成数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输。这样就形成了下列四种编码方式。
（1）数字数据编码成数字信号
数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。常用的编码方法有以下几种：
①非归零码
一种二进制信息的编码，用两种不同的电压分别表示“1”和“0”，如用低电平表示0，用高电平表示1；或者相反。信息密度高，但需要外同步并有误码积累。
②曼彻斯特编码
用电压跳变的相位不同来区分1和0，即用正的电压跳变来表示0，用负的电压跳变来表示1。由于跳变发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此，这种编码也称为自同步编码。但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
③差分曼彻斯特编码
在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑"1"；在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0"。不论码元是1或者0，在每个码元正中间的时刻，一定有一次电平转换。
（2）数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的调制方法有：
①幅移键控调制（ASK）
把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。
②频移键控调制（FS）
即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。
③相移键控调制（PSK）
通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。
④高斯频移键控（GFSK）
在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。
（3）模拟数据编码为数字信号
将任何连续变化的输入如图画的线条或声音信号转化为一串分离的单元，在计算机中用0和1表示。转换需要三个步骤：抽样、量化和编码。
①抽样
抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。
②量化
量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。
③编码
编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成数字信号流。
这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。
（4）模拟数据调制为模拟信号
模拟-模拟调制的目的是将模拟信号调制到高频载波信号上以便于远距离传输。模拟-模拟调制可以通过3种方法实现：调幅（Amplitude Modulation, AM）、调频（Frequency Modulation, FM）以及调相（Phase Modulation, PM）。
4电路交换、报文交换与分组交换
在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的通信线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换”。
（1）电路交换
电路交换技术是指网络为每次通信会话建立、保持和终止一条专用物理电路。
①电路交换的优点
a．传输时延小。电路交换的主要延迟是物理信号的传播时延。
b．传输信道是独占的。通话双方一旦建立连接，便可独享物理信道，不会与其他用户的通话发生冲突。
c．电路是“透明”的，可以传送各种格式的数据。
②电路交换的缺点：
a．建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
b．线路独占，使用效率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
c．灵活性差。只要在通信双方建立的通路中任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。
（2）报文交换
报文交换是指信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。
①报文交换的优点
a．不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。
b．在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性。
c．在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通。
d．提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址。
e．通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。
②报文交换的缺点
a．由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延。
b．报文交换只适用于数字信号。
c．报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。
（3）分组交换
信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。分组是比报文还小的信息段，可定长，也可变长。
分组交换也是存储转发方式，具有报文交换的优点之外，与报文交换相比有以下优缺点：
①优点
a．加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式的传输方式减少了报文的传输时间。
b．简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
c．减少了出错率和重发数据量。因为分组较短，其出错率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
②缺点
a．尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
b．每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
c．当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
5数据报与虚电路
分组交换网络有两种不同的组网方式，分别是虚电路和数据报。
（1）数据报
在数据报网络中，每个报文（在数据报网络中也常称为数据报）携带目的节点地址，这样，网络中的任何一台交换机接收到数据报时都能根据数据报中的目的节点地址来决定如何到达目的节点。由于每个分组选择的路径时延可能不同，它们到达目的节点的顺序也就可能不同了。
（2）虚电路
虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，虚电路所对应的物理路径也就固定了。整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。
在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个没用过的虚电路号分配给该虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、检验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号。在虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表，它的每一项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。
虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，它也可能同时与多个结点之间具有虚电路。每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不相同。
虚电路的优点之一就是源节点在发送数据之前已经知道网络的许多信息。例如，源节点知道网络中存在一条到目的节点的路径，目的节点也愿意接收数据。另外，在建立虚电路时，可以把资源分配给虚电路。X-25网、帧中继网以及ATM网都是采用虚电路组网的，它们采用了以下两种策略：
①在建立虚电路时，要为每条虚电路分配必要的缓冲区；如果节点没有足够的缓冲空间，则建立虚电路的请求就被拒绝。
②在相邻节点之间进行流量控制，这种策略称为均衡流量控制。
（3）数据报与虚电路的比较。
表2-1 数据报与虚电路的比较
【例】不同的数据交换方式有不同的性能。为了使数据在网络中的传输时延最小，首选的交换方式是（1）（ ）；为保证数据无差错地传送，不应选用的交换方式是（2）（ ）；分组交换对报文交换的主要改进是（3）（ ），这种改进产生的直接结果是（4）（ ）；在出错率很高的传输系统中，选用（5）（ ）更合适。
（1）
A．电路交换
B．报文交换
C．分组交换
D．信元交换
（2）
A．电路交换
B．报文交换
C．分组交换
D．信元交换
（3）
A．传输单位更小且有固定的最大长度
B．传输单位更大且有固定的最大长度
C．差错控制更完善
D．路由算法更简单
（4）
A．降低了误码率
B．提高了数据传输速率
C．减少传输时延
D．增加传输时延
（5）
A．虚电路方式
B．数据报方式
C．报文交换
D．电路交换
【答案】（1）A，（2）A，（3）A，（4）C，（5）B
【解析】①电路交换方式的优点是传输时延小、通信实时性强，适用于交互式会话类通信；但其缺点是对突发性通信不适应，系统效率低，不具备存储数据的能力，不能平滑网络通信量，不具备差错控制的能力，无法纠正传输过程中发生的数据差错。
②报文交换和分组交换都采用存储转发方式，传送的数据都要经过中间结点的若干次存储、转发才能到达目的地，因此传输时延较大。报文交换传送数据单元长度不固定且较长，分组交换中，将要传送的长报文分割成多个为固定有限长度的分组，因此传输时延较报文交换要小。
③分组交换在实际应用中又可分为数据报和虚电路两种方式。
数据报是面向无连接的，它提供的是一种不可靠的服务，它不保证分组不被丢失，也不保证分组的顺序不变以及在多长的时限内到达目的主机。但由于每个分组能独立的选择路由，当某个结点发生故障的时候，后续的分组就可另选路由，另外通过高层协议如TCP的差错控制和流量控制技术可以保证其传输的可靠性、有序性。
虚电路是面向连接的，它提供的是一种可靠的服务，分组交换网可以通过差错控制和流量控制保证数据的可靠性和有序性。但是由于所有分组都按同一路由进行转发，一旦虚电路中的某个结点出故障了，它就必须重新建立一条虚电路。因此，对于出错率高的传输系统，这项任务显得相当艰巨。所以，采用数据报方式更合适。
二、传输介质
传输介质通常分为有线介质（或有界介质）和无线介质（或无界介质）。有线介质将信号约束在物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤；而无线介质则不能将信号约束在某个空间范围之内。有些传输介质支持单工传输方式，而有些支持半双工或全双工传输方式。
1双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
（1）双绞线
双绞线是一种最常用的传输介质。双绞线是由两根相互绝缘的铜线组成的，从而形成一个可以传输信号的电路。把两根绝缘铜导线，按一定的密度互相绞在一起，可以减少串扰。将一对或多对双绞线安置在一个套桶中，便形成了双绞线电缆。
双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两种。如图2-2所示：
图2-2 屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线
①屏蔽双绞线（STP）的优点是抗电磁干扰效果比非屏蔽双绞线好；缺点是屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线更难以安装，因为屏蔽层需要接地。如果安装不当，屏蔽双绞线对电磁干扰可能非常敏感，因为没有接地的屏蔽层相当于一根天线，很容易接收各种噪声信号。
②非屏蔽双绞线（UTP）具有直径小、安装容易（不需要接地）、价格便宜等优点。非屏蔽双绞线的主要缺点在于它抗电磁干扰能力比较差，而且它的最大传输距离一般比较小。
双绞线既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。当双绞线用于传输数字信号时，其传输速率与双绞线电缆的长度有关。
（2）同轴电缆
同轴电缆中用于传输信号的铜芯和用于屏蔽的导体是共轴的，同轴之名由此而来。同轴电缆的屏蔽导体（外导体）是一个由金属丝编织而成的圆形空管，铜芯（内导体）是圆形的金属芯线，内外导体之间填充绝缘介质，而整个电缆外包有一层塑料管，起保护作用，如图2-3所示。
图2-3 同轴电缆
按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆
①50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用。
②75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
（3）光纤
光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽范围极大。
光纤主要由纤芯和包层构成（见图2-4），光波通过纤芯进行传导，而光线碰到包层时候就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
图2-4 光波在纤芯中的传播
实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可以产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤（见图2-5），光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离传输。
图2-5 多模光纤
若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤（见图2-6）。单模光纤的纤芯很细，其直径只要几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，但单模光纤的衰耗较小，适合远距离传输。
图2-6 单模光纤
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，还具有其他一些特点：
①传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
②抗雷电和电磁干扰性能好。
③无串音干扰，保密性好，不容易被窃听或截取数据。
但光纤连接需要专用设备，目前设备还比较贵。
（4）无线传播介质
可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信叫做无线传播。无线传播方法有无线电波、微波和红外线等。
①无线电波
在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。
②微波
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。微波通信的信号是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限，超过一定距离后就要用中继站来接力
③红外线
红外线是太阳光谱中红光的外侧的看不见的光线。红外线传播不易被人发现和截获，保密性强、几乎不会受到电气、电雷、人为干扰，抗干扰性强。
2物理层接口的特性
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层感觉不到这种差异，只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体地传输媒体是什么。可以讲物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：
（1）机械特性
主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。常见标准接口有ISO 2110、ISO 2593、ISO 4902和ISO 4903。
（2）电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
（3）功能特性
主要定义各条物理线路的功能。线路功能包括数据、控制、定时等。
（4）规程特性
指明不同的各种可能事件的出现顺序。
三、物理层设备
1中继器
中继器（RP，Repeater）工作于OSI的物理层，是连接网络线路的一种装置，支持远距离的通信，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。
中继器主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，使数据保持与原数据相同。
采用中继器所连接的网络，属于同一个网络。中继器仅仅起了扩展距离的作用，但它不能提供隔离功能。中继器的主要优点是安装简单，使用方便，几乎不需要维护。
一般情况下，中继器两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。
2集线器
集线器，简称Hub，用它可以将多台计算机连接在一个网络中，工作在OSI模型的最低层物理层。集线器是中继器的一种，其区别在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多端口中继器。集线器的主要功能是集中电缆并再生放大信号、扩大网络的规模和传输距离。每个工作站都用双绞线连接到集线器上，由集线器对工作站进行集中管理。
集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。集线器只是一个信号放大和中转的设备，它不具备交换功能。集线器能与网络中的打印服务器、交换机、文件服务器或其他的设备连接。它是一个标准的共享设备，不具备定向传送信号的能力。
从工作方式来看，集线器是一种广播模式，所有端口都是共享一条带宽。它从某个端口接收信号，整形放大后广播到其它端口，即其他所有端口都能够收听到信息，在同一时刻，只能有两个端口传送数据，其它端口处于等待状态。集线器主要应用于星型以太网中，如果一个工作站出现问题，不会影响整个网络的正常运行。
（1）集线器的作用
①在所有网段上强制冲突；
②恢复信号幅度；
③信号重计时（本身有计时电路）；
④恢复信号对称性；
⑤重构同步信号（帧前64位同步信号）；
⑥分段扩展（扩展少于96位信号）；
⑦故障隔离。
（2）集线器的缺陷
①用户带宽共享，带宽受限
集线器的每个端口并没有独立的带宽，而是所有端口共享总带宽，用户端口带宽较窄，且随着集线器所接用户的增多，用户的平均带宽不断减少，不能满足当今许多对网络带宽有严格要求的网络应用。
②广播方式，易造成网络风暴
集线器是一个共享设备，它只是一个信号放大和中转的设备，不具备自动寻址能力，即不具备交换作用，所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口，由于无法分割冲突域，所以容易形成网络风暴，造成网络堵塞。
③非双工传输，网络通信效率低
集线器同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信，而不能像交换机那样进行双向传输，网络执行效率低，不能满足较大型网络通信需求。