路由器基础知识科普与家庭网络升级指南

作者: 画图仔Qsy | 来源:发表于2020-10-29 10:57 被阅读0次

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。

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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。

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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是他顶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就能是实现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。

第二部要关注的是网线，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拷贝文件到本地的熟度是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，会有一个奇偶校验信息的过程，所以速度提升不多。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。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。