老房子WiFi布网攻略 篇八:路由器基础知识科普与家庭网络升级指南
之前写的双十一mesh路由器选购和组网指南,就有值友抱怨看不懂是什么意思。趁着最近值得买的千兆升级征文活动,说说一些路由器的基本知识,以及为了升级千兆做出的准备。
科普
路由器涉及硬件、网络知识较多较杂,主要面向的是家庭路由器,科普只会简单说说,有不准确的地方求大家指出。
路由器结构
路由器本质是网络进行互联的专用计算机,具有输入和输出端口,其职能是收集网络拓扑信息,对数据进行转发。
早期路由器基于X86架构,是单总线单CPU结构的计算机。由一个处理器加主板、内存和多个网卡(Line interface)组成。功能基本是靠软件层面实现,一般称之为软路由。
经过多年发展,转发过程已由ASIC来实现,CPU只起到一个维护系统运转的作用。专用化程度高,一般称之为硬路由。例如发哥的MT7623A SOC,里面就有网络加速器实现NAT转发。出于成本考虑,家用路由器CPU多基于ARM架构,早些年还有MIPS架构的。X86架构的硬路由也有,主要用于企业级。ASIC计算就相当于一堆小学生做算术题,CPU通用计算就相当于一个大学生做算术题。计算大量简单加减算术题的时候,一堆小学生会比一个大学生算的快。但是小学生能力有限,没法做更复杂的算术题。可以说是各有各自优势,不能一概而论。
目前常见家用路由器结构以网件RAX120为例,其处理器是高通IPQ8074,14nm工艺,四核Cortex A53,最高2.2GHz主频。512MB Flash,1GB RAM。Flash是非易失性存储器,相当于PC的硬盘。用于储存固件,一般是NAND或NOR芯片。Flash的大小与路由器固件rom有关,有些路由器运行的系统较为精简高效,不会有很大容量的Flash。RAM即随机访问存储器,相当于PC的内存。网络芯片就相当于网卡,千兆有线是QCA8075,5G有线是AQR111。2.4G无线是高通QCN5024,5G无线是高通QCN5054。还会连有功率放大器,以匹配无线天线的特性,获得更好的无线性能。
路由器基本用途是用于连接广域网WAN和局域网LAN,所以能看到其背后由WAN、LAN等标识的接口,家用路由一般为单WAN口多LAN口路由器。部分还会有USB接口等等,可以外接硬盘实现简单的网络文件存储服务。
路由功能
路由器最基本的功能就是数据转发,会涉及物理层、数据链路层和网络层。物理层是路由器从一个端口收到一个报文,上送到数据链路层。这个口可以是WAN,也可以是LAN。数据链路层是对数据进行拆包,去掉链路层封装,根据报文的协议上送到网络层。网络层根据报文的目的地址查找路由表,将报文送给相应端口的数据链路层,数据链路层封装后,发送报文。进行这个转换的,一般称为网关nat gateway。
物理层就是就是路由器利用网线将多个设备集结起来。数据链路层,就是路由器根据网口名称(MAC地址)自动寻址传输数据。交换机就是在数据链路层工作的设备,与路由的区别就是没有网络层。网络层面的路由表,就是路由器建立的网络拓跋信息。相当于地图,路由器会根据地图,查找目的地和计算最优路线。网络层面上,都会使用IP地址来作为设备标识。
为了解决局域网和互联网的冲突,不同的层会有不同的IP地址。层层网络的IP地址转换,就称为NAT。通常第一层是本机回环,就是单机。第二层称为局域网,即使家里设备组成的局域网。第三层是公网,也就是常说的互联网。
IP目前有两种格式,分别是IPv4和IPv6。IPv4格式是32位的,一般是xxx.xxx.xxx.xxx的格式,总数有43亿个左右。IPv6则是128位的,一般是xxxx.xxxx.xxxx.xxxx.xxxx.xxxx的格式,总数有IPv4数量的4次方个。IP地址复杂,我们还会用域名作为指代。将网站域名转换为IP地址的服务器一般称为DNS。常见是谷歌的8.8.8.8DNS服务器。
本机回环常用127.0.0.1表示,家用局域网一般用192.168.1.1-192.168.1.255表示,这个范围称为网段。IETF和IANA规定了一些IP地址专门用于私有地址,用于本地回环、局域网等。常见保留的私有地址还有192.168.0.0~192.168.255.255、10.0.0.0-10.255.255.255、172.16.0.0~172.31.255.255。局域网IP地址可以在路由器内部设定。但是不能乱设,如果你的私有地址和公网中某个地址重合,你就无法连接公网中这个地址的设备。由于实际中可能存在多层网络,得靠子网掩码,区分是否属于一个网段。
能在路由器广域网WAN信息中查看到自己的获取到的IP地址。如果你把获取到IP输入到IP地址查询中,得到的信息是保留地址。说明你处于宽带运营商或小区的局域网中,没有获得公网IP。
尽管IPv4格式下,有43亿左右个地址。但是我们加入互联网晚,分配到的IPv4地址只有3亿个左右。完全不能满足250多亿设备的需求。所以公网IP很珍贵,一般服务器才会有固定的公网IP,家庭网络大多数是局域网。由于公网地址不足,运营商可能还会加入多层局域网。对于服务器来说,局域网内任何一个设备连接上去,它都只能识别到你的公网IP。
公网IP都是由IANA分配给宽带运营商,再分配给个人用户,私网地址则常规是使用人工配置(静态IP)或DHCP服务器分配(动态IP)。DHCP服务是路由器的一个重要功能,能在路由器的局域网LAN设置中,设定是否开启DHCP服务器。DHCP服务器不一定运行在路由器上,可以是局域网中人工指定的一台设备。
经过多代发展,路由已经不仅仅是数据转发,地址转换等功能。还有很多网络控制功能,例如QOS等。这些功能一般消耗的是CPU性能,所以目前x86软路由这么受极客欢迎。
路由器系统
早期的路由器都是基于Unix系统,例如Tp-Link的VxWorks,不开源。2003年的时候,大家发现Linksys WRT54路由器的系统基于Linux。
根据Linux的GPL开源协议,Linksys将源码公布并称之为openwrt。自此开始了路由器系统的繁荣发展。
基于Linux的Openwrt,衍生出了LEDE(Openwrt v18)、DD-WRT、Gargoyle、LibreWRT(LibreCMC)、PandoraBox等系统。
基于Debian的Openwrt,则称为DebWRT。
在Openwrt源码基础上加入脚本控制等增强功能,开发出了HyperWRT。HyperWRT衍生出了Tomato、Padavan、Zeroshell等系统。其中Tomato分支最为繁茂,还衍生出了AdvancedTomato、Asuswrt、Teaman等。Asuswrt就是华硕路由器的系统,衍生出了梅林Merlin系统。
因为版权原因,原版Openwrt中没有ASIC相关驱动,数据包转发是靠CPU。也就说刷了Openwrt后,路由器就会变成软路由,没有硬件NAT。部分第三方修改后的Openwrt才有ASIC相关驱动,才能开启硬件NAT。
为了测试路由器的性能并进行性能比较,Openwrt会·使用OpenSSL加密测试进行跑分。在Openwrt官网中,有相关CPU的跑分排行。
基础组网
早年一般的家庭组网,都是单台路由器解决。由光猫进行拨号,路由器作为二级路由,以到一个有线网络转为无线网络的作用。
后来随着家庭WiFi的普及,大户型下会利用网线再接入一个路由器作为AP或三级路由。
这种模式下,一些人模仿商场或办公楼的商用Wifi布网模式,自己搭建AC+AP的网络。
没有预留网线的还会桥接,或者WDS组网。早些年值得买上很多这种桥接组网的教程,组网难度比较低。
但是桥接情况下网速损耗较大,延迟较大。开始出现了Mesh这种新技术进行组网。mesh相对于无线桥接的好处是,组网内部不具备层级关系,设备之间只要信号覆盖范围触及,均可以连接。共享一套配置文件,无需单独设置每一个路由器。
一般双频无线路由器的mesh工作原理是其中一个频道无线网络用于和其他路由器通讯,一个频道和手机、笔记本等设备通讯。这种模式下,几乎没有延迟和带宽损耗。而且路由器之间的通讯不一定使用无线回程,还可以使用有线回程。有线模式下,路由器两个无线频道都能用于移动设备,体验更佳。为了增强无线组mesh时的用户体验,还有三频的无线路由器。
目前来说家庭最推荐的组网方式是组mesh,比AC+AP配置简单,布网灵活性也更佳。
有线网络
有线网络的关注点是有线网卡和网线,最基础的是网线。网线主要有双绞线、同轴电缆、光缆三种,家庭使用的主要是双绞线。标准规格的网线上都有个标识,写着自己是什么类型的线。例如实例图写的CAT5E,就说明是超5类线。目前网线的标识还是比较混乱的,某宝还充斥大量假线,让人防不胜防,单纯根据标识来识别是比较有困难的,还得根据线的数量和接口决定。
一类线称为CAT1,未被TIA/EIA承认,用于传统电话网络(POTS)。二类线CAT2也未被TIA/EIA承认,用于传统4Mbps的令牌环网中。
三类线CAT3是第一款被TIA/EIA承认和界定标准的线,能提供16MHz的带宽。10Mbps以太网使用的就是这种规格的网线。一般还会称呼这个为四芯网线,许多人折腾老电话线、语音线改网线,也是达到这种标准。目前已经被淘汰,不常见。
四类线CAT4,能提供20MHz的带宽,用于16Mbps的令牌环网中,伴随令牌环网的没落,这个规格的网线已经没有人生产。一般我们使用的都是五类CAT5,使用RJ45接口,一般称之为8芯网线。能提供100MHz的带宽,常常用于100Mbps以太网。
五类CAT5就是可以用于千兆网络的,美规24AWG规格线芯的CAT5可以短距离实现1Gbps。为了更好支持千兆,五类CAT5还有个升级版超五类CAT5e。抗干扰能力更强,能提供125MHz的带宽,用于1Gbps以太网。区别CAT5的TIA/EIA-568-A接线标准,CAT5e是TIA/EIA-568-B接线标准。
六类CAT6是为10Gbps网络准备的标准,能提供250MHz的带宽。和CAT5e一样是8p8c的8芯网线,线径规定22AWG至24AWG。改进双铰技术的超六类线称为CAT6A,能提供500MHz的带宽。
传统RJ45接口已经不能满足带宽需求,改进出了使用GG45接口的网线。七类CAT7就是使用GG45或者TERA接口的网线,能提供600MHz的带宽,15米内可实现100Gbps传输,50米内可实现40Gbps传输。新网线标准下,七类CAT7又称为Class F规格,另外还有Class I(CAT8)和Class II(CAT8.2)规格。
网线可以自己制作的,关于网线的制作,可以参考值友haimingNR的文章,非常详细。
大部分人网卡都是使用主板上集成的,很少另外选购。集成网卡需要注意是虚标问题,一些路由器或主板网卡存在偷工减料的情况,网口可能不是8针的。网线具有向下兼容的特性,就是可以使用CAT6网线,接入CAT3标准接口中,虽然能用,但是总会差了一点。
折腾网卡,首选肯定是今年大热的cx341a,靠着转接卡一般电脑也能使用。简单DIY下,就能实现双网口。
玩不转万兆网卡,可以试试USB口的5G或2.5G网卡,例如绿联的产品。
5G基于AQC111U芯片,2.5G基于RTL8156芯片。
没有type-c接口,不想折腾洋垃圾,可以使用pcie接口AQC107的网卡。价格较贵,性价比较低。
或者是基于RTL8125芯片,2.5G的TP-LINK TL-NG421,非常便宜,二手在50-60元左右。
无线网络
家庭无线网络局域网,一般称为Wi-Fi。其标准由WFA所制定,基于IEEE802.11标准。IEEE是电气和电子工程师协会,旗下有多个标准,IEEE 802.11是他定下的一个无线网络标准。多年发展,IEEE 802.11已经有多个版本,不同版本在抗干扰和速度上都有所提升。
协议版本的升级,最明显差异速度提升和多用户支持数量增加。速度是和mimo有关的,例如单流最高1201Mbps的话,8x8 mimo就能实现9.6Gbps的速率。MIMO常用XRXT或X×X的形式表现(X代表数字),R代表接受数据,T代表发送数据。
多用户支持称为MU-MIMO,支持MU-MIMO技术的时候,就能同时和多个设备通讯。MU-MIMO和路由器的天线数量有关,不是说协议最大支持8x8,路由器就一定能8x8工作。
近年WFA为了更好区分区分IEEE 802.11的不同版本,将其改名为Wi-Fi加数字的形式。而且制定了图标,方便区分。
无论Wi-Fi 6还是Wi-Fi 5,都有2.4G和5G两个工作频率,这些频率还会细分为不同的信道。
2.4G频率被划分了14个信道。5G频率划分更细,一共有42个信道。不同地区由于其官方通讯需要,一些信道不会开放给民用路由器使用。所以购买水货,或者刷美版欧版日版路由器固件的时候要看好。手机的支持信道和路由器使用的信道不一样,就会出现搜索不到路由器的情况。
划分信道是为了减少干扰问题。常规而言,路由器都会自动调整信道,无需用户自行设定。自定设定,往往会导致路由器无法快速适应外界的变化,减弱路由器的抗干扰能力。
现在的路由器都支持手机快速设定,用户一般对于无线网络,就是简单设定一下WiFi信号名字和密码,其他无线网络的设定不建议过多干预。
光猫
升级家庭带宽,最多人忽略是光猫,基本是运营商给啥就用啥。光猫的标准名称是Optical Network Terminal,简称ONT,中文名光网络终端。分为GPON、EPON和10G PON,其中PON指的是无源光网络Passive Optical Network。无源光网络指在光线路终端OLT(光猫)和光网络单元ONU之间的光分配网络ODN没有任何有源电子设备,是一种纯介质网络。
不同的PON技术有不同的速率和规范,千兆光猫一般使用GPON,万兆光猫一般使用10G PON。在路由器的背部可以看到光猫使用的是什么PON技术,大部分地区使用的是GPON和EPON。
严格意义的千兆宽带应该使用10G PON接入,国情所限国内多是使用GPON1:64分光或EPON网络1:32分光接入多个千兆用户。所以除去PPPoE路由损耗(每个数据包额外多8字节),实际速度是800Mbps左右。
光猫可以使用宽带服务供应商的产品,也可以自己购买。目前最推荐的光猫是华为HS8145 v5,1电话+3千兆+1iTV+1USB+2.4G&5G Wi-Fi。老版本的支持EPON和GPON双模,补全shell后可以后台通过修改obj.id实现模式切换。
千兆组网
升级千兆网络,第一步需要保证的是光猫。目前新装宽带都能要到10G PON的光猫,如果不是10G PON设备,向宽带运营商投诉就好。如果运营商送的光猫不满意,可以自行购买。关于光猫更换的相关信息,可以查看之前写的文章。
确定光猫后就是路由器的选购,目前市面上大部分路由器为千兆接口。如同百兆网口的设备不能跑满百兆,如果要使用千兆宽带,建议上2.5G网口的路由器。
第二步要关注的是网线,尽量挑选CAT6规格的产品。
路由器方面,由于家里有NAS设备威联通TS-453Dmini,我选购的是网件AX120路由器。
光猫目前电信还未帮我换新猫,依旧是旧的华为HS8145 v5。HS8145 v5接口所限,是跑不满千兆的。为了突破接口限制,需要使用网件RAX120的双wan技术。可以将标识为Aggregate的两个网口聚合变成WAN口,再由5G接口连接威联通TS-453Dmini。
计划组网接线如图所示。
由光猫双线聚合连接网件RAX120路由器;网件RAX120路由器的2.5G口和威联通TS-453Dmini的一个2.5G口连接,另一个2.5G口和电脑连接。
进入光猫后台,将端口都给网络使用。网件RAX120中,将WAN选择为Aggregate即可。
实际体验
无线连接
iPhone 11连接网件RAX120,使用NAS自建speedtest服务器进行测试。iPhone 11 为2x2mimo配置,最高通道宽度80Mhz,无线网络极限是1201Mbps。测试数据是944Mbps下载,650Mbps上传,很接近其极限。
iPhone 11实际联网测试,和自搭建speedtest服务器数据接近。这个测试是单线并发的,不能完全测试出双线聚合后的宽带速度。
使用网卡为Intel AX200 WiFi6无线网卡的笔记本电脑宏碁新蜂鸟Fun 14测试,从NAS拷贝文件到本地的速度是114MB/s。
威联通TS-453Dmini使用的是4个8TB的希捷酷狼硬盘,单盘连续写入速度是100MB/s左右。组的是RAID5,速度应该在200Mb/s左右。使用网卡是Intel AX200 WiFi6无线网卡为2x2mimo配置,最高通道宽度160Mhz,无线网络极限是2402Mbps。目前连接是跑在80Mhz上,无线网络极限是1201Mbps,912mbps的速度已经接近其无线传输极限。
应该是无线传输限制了其速度,可惜目前能买到的Wi-Fi6网卡无论是Intel ax200还是高通QCA6391,都是2R2T的产品。4R4T的高通QCN9074国内还未能买到。我通过万能的某宝代购了一块高通QCN90749(仅有Linux驱动)。转运很慢,本来是10月初拿到,目前还在拖。等卡到手了,再测试联网情况。
有线连接
有线连接测试使用的电脑主机,安装的是Tp-link的TL-NG421网卡。基于RTL8125B芯片,支持10/100/1000M/2.5G速率。
连接speed测试得到的数据和手机连接的接近,连接上已经选择是多线程,不知道是光猫问题还是电信限制,双线聚合效果不是很明显,。
实际体验测试,电脑主机单纯连接威联通TS-453Dmini,拷贝文件测得的数据是242MB/s左右。
目前路由器和光猫的聚合体验不佳,下一次新猫到后,试着买多几个usb千兆网卡将路由器和威联通TS-453Dmini组双线聚合。
后记
千兆宽带的组网策略基本是以上这些。基本策略是保证光猫支持10G PON,网线挑选CAT5e以上,路由器支持2.5G网口,NAS支持2.5G网口,无线设备支持Wi-Fi6即可。目前我使用GPON光猫,即使是用有网件RAX120的双线聚合还是没能突破接口极限,晚点新猫和USB网卡到了再折腾一波,喜欢的可以关注一下。
PS:另外第一次参加值无不言,希望大家都来支持一下啦。
水木木
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hasuboy
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大西西比
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孙权斌
七类CAT7就是使用GG45或者TERA接口的网线,能提供600MHz的带宽,15米内可实现100Gbps传输,50米内可实现40Gbps传输
在我看来是忽悠人的,因为我们知道的电口网卡根本就没有超过10G的 有40G的也是4口叠加的到40G 单网口也还是10G 至于单口40G的网卡有,我有单位也在用,但是是光口的 并且也比正常的10G的光口要大了很多。
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井中呱
其实这玩意以前不懂真好,有什么用什么没感觉差,现在半懂不懂还总想着瞎折腾
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