在基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，物理層器件是將以太網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)（站點(diǎn)）設(shè)備連接到物理介質(zhì)上不可缺少的關(guān)鍵部件。在開放式互連（OSI）參考模型中，將系統(tǒng)間互連所要執(zhí)行的全部通信功能按一定原則劃入其七個(gè)功能層中。
有線以太網(wǎng)的主要設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)接口控制器或稱網(wǎng)絡(luò)接口適配卡、中繼器、網(wǎng)橋和交換機(jī)及路由器等。各種設(shè)備接口必須通過(guò)物理層器件才能與網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)相連。這幾種設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能和作用既有區(qū)別又有聯(lián)系。
一、中繼器
中繼器最基本的功能是從一個(gè)端口接收信息，并將其復(fù)制到其他端口上發(fā)送出去，中繼器在收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)站）發(fā)出信號(hào)的同時(shí)，將其拷貝到其他端口上。中繼器內(nèi)部要對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，即除去噪聲干擾，優(yōu)化信號(hào)功能。
中繼器被稱為以太網(wǎng)的核心網(wǎng)元設(shè)備。它可將多個(gè)網(wǎng)段連接成多段以太網(wǎng)系統(tǒng)，并使整個(gè)系統(tǒng)像一個(gè)大網(wǎng)段一樣工作。為保證整個(gè)網(wǎng)段長(zhǎng)度上信號(hào)的質(zhì)量，各個(gè)小網(wǎng)段的長(zhǎng)度受到限制。中繼器將各網(wǎng)段連在一起，對(duì)以太網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行操作，重發(fā)信號(hào)并存儲(chǔ)計(jì)時(shí)，確保每個(gè)幀完好地通過(guò)以太網(wǎng)系統(tǒng)，使以太網(wǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)站點(diǎn)都能準(zhǔn)確地收到幀。中繼器不是站點(diǎn)，所以不需要使用具有地址的以太網(wǎng)接口來(lái)運(yùn)行。然而，為了與中繼器上的管理軟件進(jìn)行通信，中繼器也可配有接口。
一般來(lái)說(shuō)中繼器是形成碰撞域的核心，IEEE802.3u規(guī)范了兩類中繼器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則分為I類中繼器和II類中繼器。而兩種類型中繼器不允許在同一碰撞域網(wǎng)絡(luò)中使用，即不能混用。
二、網(wǎng)橋
以太網(wǎng)網(wǎng)橋（Ethernet Bridge）是屬于OSI參考模型七層結(jié)構(gòu)的第二層（鏈路層）設(shè)備，因此它操作的不是數(shù)據(jù)包而是成幀的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)網(wǎng)橋?qū)τ趲盘?hào)的操作包括幀信號(hào)的收/發(fā)、幀信號(hào)內(nèi)各區(qū)域的識(shí)別、解釋，并且"散列"出節(jié)點(diǎn)MAC地址并將其記錄到相關(guān)的節(jié)點(diǎn)MAC地址表中。
通過(guò)網(wǎng)橋的各端口可將同一類型的局域網(wǎng)全透明的連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸、網(wǎng)段間數(shù)據(jù)的傳輸及數(shù)據(jù)幀在多節(jié)點(diǎn)間的傳輸。
網(wǎng)橋的基本功能框圖如圖所示。
其工作過(guò)程是：首先對(duì)某個(gè)網(wǎng)橋端口來(lái)的數(shù)據(jù)幀的完整性進(jìn)行判斷，然后將合法的數(shù)據(jù)幀存入數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)單元，將非法的數(shù)據(jù)幀丟棄。對(duì)于合法的數(shù)據(jù)幀，由"MAC地址散列單元"將源節(jié)點(diǎn)MAC地址散列出來(lái)，并且在節(jié)點(diǎn)MAC地址表中核查是否有此節(jié)點(diǎn)地址。若表中無(wú)此節(jié)點(diǎn)MAC地址，則按輸入端口編號(hào)將其節(jié)點(diǎn)MAC地址寫入地址表中相應(yīng)端口編號(hào)網(wǎng)段的空地址位置中，并將其壽命計(jì)數(shù)器清零，開始計(jì)算此新地址的壽命；若表中已有此節(jié)點(diǎn)MAC地址，則將此節(jié)點(diǎn)MAC地址壽命計(jì)數(shù)器清零，重新開始計(jì)算此新地址的壽命。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)MAC地址與源節(jié)點(diǎn)MAC地址在MAC地址表中處于同一個(gè)端口時(shí)，執(zhí)行過(guò)濾操作；否則執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。而對(duì)于廣播幀和多播幀，則要將此數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口、節(jié)點(diǎn)或一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子集。
網(wǎng)橋是多設(shè)備端口，從上述功能分析可看出其硬件組成至少應(yīng)包括CPU、RAM、EEPROM、轉(zhuǎn)發(fā)與過(guò)濾控制機(jī)構(gòu)和若干端口器件等。端口硬件應(yīng)包括MAC控制與物理層功能芯片，并可工作于混合模式之下。
在由幾個(gè)網(wǎng)段組成的以太網(wǎng)中，用網(wǎng)橋來(lái)代替中繼器，就會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)獨(dú)立的以太局域網(wǎng)，或者獨(dú)立的沖突域。通過(guò)網(wǎng)橋連接的各個(gè)網(wǎng)段或LAN，將作為獨(dú)立的沖突域進(jìn)行操作。
網(wǎng)橋另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能限制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中信號(hào)錯(cuò)誤或幀錯(cuò)誤造成的影響，從而提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性。
三、交換機(jī)
以太網(wǎng)交換技術(shù)是網(wǎng)橋技術(shù)的發(fā)展與升華。它的主要功能是完成數(shù)據(jù)幀的交換。高級(jí)交換機(jī)與網(wǎng)橋之間在采用的技術(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能、造價(jià)等有明顯區(qū)別，主要有如下幾方面：
1. 結(jié)構(gòu)安排
通常，網(wǎng)橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)中只裝入單一的CPU控制整個(gè)網(wǎng)橋工作；而交換機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能完全不同，其中多采用專用集成電路或多個(gè)CPU并行工作，因而交換機(jī)有更高的處理信息能力。
2. 交換模式
通常，網(wǎng)橋多采用單一過(guò)濾與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式；而交換機(jī)可有快捷模式、準(zhǔn)快捷模式、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式和混合模式等多種交換方式。
3. 過(guò)濾與轉(zhuǎn)發(fā)決策
網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)決策性能由單一的CPU性能決定，轉(zhuǎn)發(fā)決策的速度比較慢；而交換機(jī)則可在所有端口上并行收/發(fā)多個(gè)幀信號(hào)，并對(duì)其快速識(shí)別、解釋，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新地址表，迅速地作出過(guò)濾或轉(zhuǎn)發(fā)的決策。
4. 端口間的路徑
網(wǎng)橋端口間的路徑一般地說(shuō)只有單一的路徑信道；而交換機(jī)端口間可有多條路徑信道，因此可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀在端口間更快的交換。
5. 端口數(shù)量
網(wǎng)橋的端口數(shù)量較少，單一CPU的網(wǎng)橋數(shù)量一般地說(shuō)只有5個(gè)，最多不超過(guò)24個(gè)；而交換機(jī)的端口數(shù)量可多達(dá)128個(gè)。
交換機(jī)改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)操作的主要方式是控制通信量流動(dòng)。控制通信功能使交換機(jī)成為面對(duì)不斷增加的站點(diǎn)數(shù)量和通信負(fù)載的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的有用工具。
交換機(jī)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能連接以不同速度運(yùn)行的LAN網(wǎng)段。
四、路由器
路由器作為以太網(wǎng)的一個(gè)重要物理部件，可在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層上實(shí)現(xiàn)遵守不同協(xié)議的各種類型局域網(wǎng)的連接。所謂路由器也是一種網(wǎng)關(guān)，可將若干個(gè)城市甚至一個(gè)國(guó)家內(nèi)各類型的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。例如，因特網(wǎng)就是遍布于世界的巨型路由器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上包含無(wú)數(shù)個(gè)有各類型接口路由器。
作為以太網(wǎng)的一個(gè)重要物理部件存在，其中必然要有遵守以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng)接口。路由器主要是完成對(duì)于數(shù)據(jù)包的操作，并利用協(xié)議報(bào)頭中的網(wǎng)址作為其轉(zhuǎn)發(fā)決策。路由器種類很多，按其應(yīng)用可分為普通和專用兩類路由器；按其結(jié)構(gòu)規(guī)模又可分為低端、中端、高端路由器以及超大型路由器；按其工作速度又分為低速、中速、高速和超高速幾類。
路由選擇技術(shù)是在由路由器組成的網(wǎng)絡(luò)中使用的幀信息轉(zhuǎn)發(fā)方式即利用第3層協(xié)議報(bào)頭中的網(wǎng)址信息作為其幀信息的轉(zhuǎn)發(fā)決策；而在網(wǎng)橋和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中則是使用第2層信息即MAC地址信息作為其幀信息的轉(zhuǎn)發(fā)決策。在有線以太網(wǎng)的網(wǎng)橋和交換機(jī)中，通常都設(shè)置路由選擇控制表用于控制路由的選擇。
綜上所述，以太網(wǎng)系統(tǒng)中物理部件在功能和應(yīng)用上各有特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)和價(jià)格如表所示，在設(shè)計(jì)中，在滿足技術(shù)需要和可靠性的情況下應(yīng)合理選擇，使其達(dá)到較高性價(jià)比。
