关于无线路由器不得不说的一些事

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一、路由器的工作原理

1、首先来简单地解释一下这几个概念：软路由、硬路由、NAT

软路由：可以看做是带CPU、内存、硬盘的小电脑，并刷入了LEAD或OPENWRT的系统。特点是由第三方软件支持，功能强大，体积小，功耗低，内存和CPU处理能力比硬理由要强大得多。如果不考虑成本，普通的台式机、笔记本电脑都是可以当做软路由使用的。

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硬路由：我们平时所见到的无线路由器，都能当做是硬路由。

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**NAT:**Network Address Translation，网络地址转换。内网中的机器（内网，大多都是192.168.x.x网段）想要访问外网，必须通过路由器进行NAT进行地址转换（检查数据包的头部，而且对其进行修改，从而实现同一内网中不同主机共用更少的公网IP），才能连接互联网上的机器。这个NAT的转换，不同的路由极限性能不一样。

2、了解Mbit和MB之间的关系

我们常听到这么说：“我家拉了100兆的宽带，但是下载最大的下载速度也就10来兆，这是为什么？”

“拉了100兆的宽带” 指的是 100Mbit，“下载速度也就10来兆”指的是10MB

划重点：

100Mbit / 8 = 12.5 MB

也就是100兆带宽，理论最大下载速度只能达到12.5MB，时间单位是秒。即下载1GB（1024MB）的电影，耗时约 1024/12.5=81.92秒，一分半钟不到。

我们接下来讲的都是Mbit（除非指定），也就是百兆路口由器、千兆口路由器、互联网访问带宽等都是指速率是Mbit/s（简称Mbps）

3、路由器的芯片组成架构

我们现在使用的路由器，一般都是由主芯片组合无线芯片组构成，路由器的运作原理大概如下图：

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无线连接速度取决于信号强弱，芯片协议，天线聚合等；信号强弱取决于芯片，功率设置，天线，阻隔层度等；总体来说因素较多。

如果不考虑有线连接，电脑（或手机等设备）通过连接路由器的无线芯片组进行上网，数据发送接受的过程大概是这样：

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因此，如果不考虑路由器总线等这些微小的损耗，我们可以说，电脑无线上的带宽，取决于无线连接带宽及NAT带宽及互联网带宽之间最慢的那一个。响应延迟则为NAT延迟加无线延迟加互联网延迟。

取个例子：

假设访问互联网的带宽是100Mbps，路由器的NAT性能是50Mbps，无线带宽连接是866.7Mbps(5GHz)，那你的上网速率是50Mbps

4、影响上网带宽因素分析

下面我们对这三个大个环节进行逐一分析

4.1 互联网带宽

这里的互联网带宽，就是你每年或者每月需要缴费的上网带宽了。从几年前的4M、8M、12M这种常见的ADSL拨号上网，到现在的50M、100M、200M、500M、1000M都司空见惯光线入户。

光线用户一般都配有一台光猫，需要注意的地方是：

  • 光猫它本身也是一个路由器，不要自作聪明拿它来进行拨号上网，使用它自身默认的桥接模式即可，因为它的性能不好，使用你自己购买的路由器来拨号即可

  • 如果光猫带有两个网口，且你申请入户带宽超过100M，请看准网线接入的口是1000M的。

  • 确保网线是超五类或六类网线

这样，互联网带宽这块基本不会出什么问题，你申请多少兆带宽入户，那就是有多少带宽了。

4.2 NAT带宽

每一台路由器都会有一个NAT极限性能，如果这个极限性能低于互联网的速度，就会影响我们的网速。同样的NAT性能，小包越多，连接数越多，总的带宽越小，产生的延迟就越大

同一性能下NAT实际吞吐量（即每秒传输的速度）因连接数和数据包多少不同而不同。大概理解为每一个连接和每个数据包都要占用一定的CPU和RAM(硬件NAT则有最大连接数一说)。所以说小数据包越多，连接数量越多，NAT处理越占资源，性能不变下每秒能处理的数据越少（即速度越慢）

BT使用多来源病和的方式获取更大的带宽。迅雷则通过多连接的方式从每个来源获取更大的带宽，本质上都会增加连接数量。在连接数量不超限的情况下，速度增加，当连接数增多到NAT无法处理的时候（即每秒处理能力低于网速的时候），就会影响网速。这就是我们平时多人上网，都喊着要把下载关掉的原因，但实际上很大程度是路由器NAT能力不够影响的，而不是真的带宽不够造成的。

现在大部分的路由器对百兆的WAN to LAN（即NAT）处理，已经不存在问题了，100元的路由器NAT硬件都能做得很好了。但是如果连接数量太多，依然会影响使用体验（实际上更多情况是无线模块造成的影响，同样并发和小包是无线模块的杀手，而且更脆弱，后面我们会详细将）

实际上很多我们能买到的全千兆端口的路由器，NAT性能可能在300Mbps~700Mbps之间，并不能跑满千兆的WAN to LAN，且随着连接数增加（使用压力增大）的情况下，NAT吞吐量会有所下降，可能甚至无法跑满200M甚至100M的带宽，所以NAT性能建议在Iperf3测试中至少跑满甚至超过实际网速。

其实，一般家用的路由器比大多数的软路由NAT能力要强大得多。它芯片组内除了CPU外，有专门的NAT处理模块，由于是专用芯片，因此可以提供相更强的NAT性能。联发科的MT7261(小米路由器PRO)，博通BCM47189(腾达AC9博通版)等都可以提供千兆NAT的性能。

总结：

  • 如果是多人使用，想有好的上网体验，路由器不要买太差（几十块或一百出头的百兆路由器，就不要购买了），有能力的可以先辨别芯片的NAT处理能力再购买（NAT的处理速率一定要大于带宽），这样NAT带宽这块就不必太过担忧

  • 如果可以，尽量关闭后台不使用的程序，特别是网盘、腾讯视频、迅雷等

  • 使用人数少，连数据不大，小包数据量不多的情况下，NAT并不是路由器无线上网的瓶颈。

4.3 无线带宽

路由器的无线使用体验，是最让我们困扰、头痛的部分，因此将它拉出来单独一节讲解

二、影响路由器无线带宽的因素

每一个无线路由器的关键指标就是SoC（系统级芯片），它囊括路由器的NAT、CPU、RAM、无线模块等搭配的详细信息

SoC 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用广泛，很难给出准确定义。一般来说，SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统成功开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

如何查看一个路由器的SoC？这里拿测试小组使用的华硕 AC66U B1来举例：

小插曲：本来想看一下测试小组用的最多的华为荣耀HIROUTER-CD20路由器举例的，但是网上搜了一遍没能找到芯片的相关信息，JD貌似也下架了，可能这款路由器用户量很小，根本没能入了测评大师们的法眼。后来我想起那天特意看它盒子说明，标有一个“边缘路由器”字样（我当时很纳闷这是什么意思），然后重新搜了一下这个设备的组网信息，找到了这款的相关说明。它们是华为套装分布式路由器(一套三个卖)，每个都可以当做主体/分身路由使用，适用于家庭楼层间的无线组网。我认为，它不合适测试组较为高强度和连接数较大的工作，虽然说它们都是千兆级别；或者说我们使用的姿势不对，埋没了它组网的才能。

在这个神奇的Wiki中搜索AC66UB1，就能找到相关信息

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如果你在这里搜不到路由器型号，可以先查找SoC型号，然后再回到神奇的网站去搜索

在百度搜索 ASUS AC66U B1 SoC 就能立马知道使用的是博通的芯片BCM4708C0

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通过查看详情信息，我们抽取ASUS AC66U B1这台路由器的SoC关键数据如下（其他我也看不懂）：

  • CPU 双核 1GHz（不是软路由，不用太过关注）

  • RAM 256M（相对比较大的了）

  • 一个USB3.0，一个USB2.0

  • 4口1000M LAN

  • IEEE 802.11协议：a/b/g/n + ac

  • 无线MIMO技术：三根天线，2.4GHz 3x3 MIMO 最高450Mbps 5GHz 3x3 MIMO 最高 1300Mbps

  • 一个1000M WAN 口

  • 第三方固件支持梅林（老司机会懂的）

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很遗憾，暂时没能找到这块SoC的NAT（WAN-LAN Throughput）性能，只是在胡乱点开的国外论坛别人的对话里说是1Gbps，但不知实际性能如何。找机会测一测。

小插曲： 路由器的时候，商家标题都会加上 1900M、2100M无线这种数字，这里其实是2.4GHz和5GHz速率的总和，如果硬件配置跟得上，数值越大当然越好。这么宣传有点误导的嫌疑，但人家说的并没有错。

拿AC66U-B1来说，2.4GHz 是450Mbps，5GHz是1300Mbps，总和是1700Mbps。这里值得一提的是，这里的速度是协议速度，由于距离等各种因素，实际工作时的速率大概是协议速度的60%~70%不等，不同的路由器，不同的无线功率，会有不同的表现

另外，JD上很便宜销量巨大的TP-LINK TL-WDR5620 无线速率1200M，但是WAN和LAN口都是百兆口，因此实际工作时，无线速率根本跑不到这么大。这个‘取巧’的宣传不知骗过了多少帅哥美女，包括我在内，承认当初是冲着这个1200M去的，悔恨不迭啊….

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1、无线连接协议

无线连接协议 IEEE 802.11

IEEE 802.11是美国电气和电子工程师协会IEEE在1997年6月颁布的无线网络标准。它是第一代无线局域网标准之一。IEEE 802.11规定了无线局域网在2.4GHz波段进行操作，这一波段被全球无线电法规组织定义为扩频使用波段。标准的802.11主要用户解决办公室局域网和园区网中用户与用户终端的无线接入，速率最高只能达到2Mbit/s

协议经过不断地更新，无线协议已经有 a/b/g/n/ac/ax这几个迭代了，其中ac/ax属于5GHz频段。而ax属于WiFi6的协议了，目前设备还没有普及。

无线连接频段

我们常用的路由器，使用的是 2.4GHz 和 5GHz两个频段

我们Wi-Fi常用的协议是 802.11 n 和 802.11 ac两种，其中n协议同时支持2.4GHz和5GHz两个频段的连接。

  • 802.11 b 极速是 11Mbps

  • 802.11 g 极速是 54Mbps

  • 802.11 n 极速是 150Mbps(1x1 MIMO 40MHz频宽)

  • 802.11 ac 极速是 433Mbps(1x1 MIMO 80MHz频宽)

更多信息可以在 IEEE 802.11维基百科 中查阅

2、无线MIMO技术

好了，下面我们来重点关注无线的MIMO技术。通过之前收集的信息，我们了解到AC66U支持 3x3 MIMO，可以简单理解为 三根天线可以同时传输数据，也就是路由器具备三条Streams

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我们以华硕AC66U B1为例，5GHz频段，三根天线，不考虑连接距离的情况，每根天线的理论极限速率是 433Mbps。

1. 2x2 MIMO的手机连接

假设支持 2x2 MIMO手机连接路由器的时候，只会用到其中两根天线，那手机连接路由器的极限速率就是 866Mbps

同理，如果是 1x1 MIMO的手机，速率就是433Mbps

2. 3x3 MIMO的电脑连接

假设支持 3x3 MIMO电脑连接路由器的时候，所有天线都会用到，它们之间的传输速率就是路由器5GHz的极限速率 1300Mbps

无线MIMO需要特别关注的地方

  1. MIMO技术并不是单方面的技术，除了路由器，也需要连接路由器的设备支持才可以建立高速的连接体验
  2. 不支持MU-MIMO技术的路由器，一块无线芯片，同时间内只能向一个设备发送数据,也就是说，如果手机跟电脑同时连接路由器，当路由器向手机发送数据的时候（即使当前的天线并没有全都使用），电脑也会处于等待状态，等到向手机发送数据完毕，才会向电脑发送，以此轮流交替传输。因此，当发送大量数据，特别是一个个小数据包（或者小文件）的时候，所有连接到了无线路由器的设备并不会有等候的感觉，指挥觉得传输速度减慢。
  3. 如果有一台设备距离路由器很远，那它的速率会变得很低，因此发数据给它会变慢甚至超时，从而会拉低其他设备的速度

无线连接总结：

  • MIMO技术并不是单方面的技术，除了路由器，也需要连接路由器的设备支持才可以建立高速的连接体验
  • 购买路由器，尽量选购千兆路由器，NAT和无线速率稳定的路由器。路由器测评网站：ACWIFI
  • 连接设备数量越多，传输速度越容易受影响。
  • 避免远距离的设备连接路由器，它会拉低其他所有设备的速度，影响整体的体验
  • 2.4GHz无线连接，我们只需要考虑信号和稳定性就好了，因为它的连接速度比较慢。我们要养成连接5GHz无线SSID的习惯来提高我们的用网体验。
  • 无线连接是非常玄学的东西，影响它的因素非常多，距离、使用人数、电视电磁炉干扰、墙壁阻隔、不同良心厂商生产出来的无线功率等等。不要相信什么穿墙王的描述。不要想象有一台超级路由器，可以无数人连接使用，当达到路由器瓶颈时，我们应该考虑通过有线+新的路由器的方式将压力分担出去。

三、关于公司整改无线网络的想法

网络需要整改的缘由是：WiFi设备数量越来也多，互相干扰导致终端设备出现断开连接、数据丢包、上网速率下降等问题，影响正常工作。

这里的相互干扰，表现的最明显的就是2.4GHz频段了，我们来看看无线路由多了之后，为什么会相互干扰。

1、WiFi 干扰问题的分析

无线WiFi数据传输是依赖于电磁波的，2.4GHz频段拢共有14个频道（信道）来承载数据发送，每个频道带宽20MHz(有些路由器可以动态调整为40MHz)，带宽大的，速率也就越大。

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IEEE 802.11 2.4GHz的频率范围是2412MHz~2484MHz,其中容纳了14个频道，就会发送重叠，进而产生干扰。百度维基中对信道列表的干扰问题描述是这样的：

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总结起来就是：有多个WiFi同时使用时，为了避免发生信号干扰，两两路由器之间的距离要小于-50dBr(这个是信号强度)，或者两两路由器之间的信道至少要有22MHz的间距。

同时，很人性化地给出来互不干扰的信道推荐（注意看使用的协议和带宽）：

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2、我臆想的无线网络整改方案

2.1 方案一：重新布线组网，统一管理

1.AC + AP组网

AP 可以理解成没有WAN口（或只使用LAN口）并关闭了DHCP的路由器

这种方式是使用一个软路由进行DHCP分配，其他无线路由器当做AP

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这个方案的优点：

  • 全程布线，带宽的瓶颈仅仅在于无线部分

  • 能有效分担多人连接同一个无线产生的压力

  • 成本相对较低，现有的路由器都能当做一个AP使用

这个方案的缺点：

  • 即使每个AP的SSID名称一样，从一个AP走进另一个AP，并不能自动无缝切换网络，可能会出现你在很强的AP范围，却连上了很弱的那个AP
  • 在有特殊需求的开发人员或者测试人员区域，AP热点可能比较密集，问题又回到 了原点
  • 无法满足模拟指定SSID的特殊需求（当然每个AP的SSID可以自定义名称，这个就不是问题了）

这个方案，投入成本相对较少，也对整体无线网络有了一定优化。但我个人觉得这个方案合适办公隔离教性强（即多个房间隔离），有没有特殊开发测试需求，仅仅需要能够上网的环境

2.MESH组网

支持Mesh组网的无线路由器，可以看做是两台路由器之间进行了无线桥接，从而在不需要布线的情况下，扩大信号覆盖的范围。

我个人不太推荐这种方案，理由是：

  • 投入较大，市面上的套装一般较贵。并不是贫穷限制了想象，毕竟没有尝试过，如果花了大成本，达不到想要的效果，心痛是必然的。
  • 这种组网是无线组网。而无线又是很玄学的东西(受影响干扰的因素实在太多)
  • 我认为这个合适大家庭，不合适企业用，特别是有开发和测试需求的我们。
3.KVR无线漫游组网

先来看一下苹果官方的KVR详解

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简单地说

K：无线路由器告诉我们设备，周围可用的接入点

R：快速认证，节省接入点的认证时间

V：监控设备与无线路由器负载判断最接接入点以及控制切换时机

这个组网方案类布线跟AC+AP方式一样，但能解决AC+AP组网无缝漫游切换的问题。

但是对路由器有一定要求：

  • 需要支持KVR协议

  • 需要第三方固件支持

  • 部署入门门槛比较高，合适技术控折腾

这里不再展开讨论。

2.2 方案二：局部优化，整体协调

公司除了研发和测试组，能够感觉到Wi-Fi信号的干扰外，我相信大多数人并没有察觉，即使他们处于信号严重覆盖的区域。因为他们仅仅是有上网的需求，偶尔的慢速可能并不影响他们的满意度，或者他们会归咎于电脑的卡顿问题。

因此我这里先把人群进行归类：

  • 测试小组人员 重灾区，也是亟待优化解决的那部分人。他们可能需要人手一台路由器，可能一台路由器挂在十几个设备。特别是摄像头的P2P是占用连接数、上传带宽的，非常容易遇到塞车的情况。
  • 开发调试人员 次灾区，可能不需要挂在多台设备，但需要路由器就在近前
  • 其他员工人员 能有不错的上网体验就会心满意足。

法则：我们以测试人员为核心，进行局部优化，其他人员避让协调

我们来解决测试人员的问题：

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1. 使用时，尽量不要超出路由器5M的范围
2. ASUS-AC66U-B1保留，重新购买新的两台合适的路由器。4/5人共用这三台。（因为合适的2.4GHz g/n协议信道不干扰的只有1/6/11 三道，所以先暂时购买三台试水）。平时测试时请自行合理分配连接的路由器，比如：平均分担连接设备的数量到各个路由器；当遇到问题需要排查网络原因时，适时地清空出一台路由器单独连接测试；对路由器连接控制进行归类，长期连接的归一台，经常测试的归类一台等等。
3. 可以给测试小组搭建 1AC+3AP组网，使他们的无线路由器都处于同一个网段，提高平时测试的上网体验
4. 测试时，手机仅连接5G，2.4G留给摄像头，不使用的设备就关掉不要连接。
5. 进行老化测试或者其他测试的设备，可以拿之前不用的路由器去屏蔽房、研发室搭建2.4GHz b协议的 4信道组网，也要尽可能不要再在一台路由器连接过多的设备。这种测试比较贴切用户的使用情况，就是路由器品牌不一，连接数较少的情况
6. 每一台路由器测试人员都应该有专人管理，实时把控连接数，不允许其他相关的人连接。

我们来解决开发人员的问题：

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1. 在测试小组周围的，请避开测试小组使用的信道,并如果可以，放置位置远离测试人员的路由器
2. 3~4人共用一台设备，特殊情况可以2人共用一台，例如远离测试小组的地方。原则是先多人共用，如果不满足开发需求，再增加路由器，避免资源浪费和路由器的信号干扰
3. 平时使用时，手机或者笔记本电脑连接5G网络，摄像头使用2.4GHz频段。不使用的设备就关掉不要连接。能连接网线的优先使用网线进行连接。
4. 不需要2.4GHz的人员，请不要打开此频段，保留5G频段即可（例如后台开发人员）
5. 每一台路由器测试人员都应该有专人管理，实时把控连接数，不允许其他相关的人连接。

我们来解决其他人员的问题：

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1. 在测试小组周围的，放置位置远离测试人员的路由器
2. 路由器只允许打开5GHz频段，有特殊需要时，再打开。
3. 可以的话，已部门为单位，使用一台路由器即可。
4. 不要连接弱网的Wi-Fi，对自己，对他人都是不好的体验。

以上方案纯属臆想，并未真正实践。

四、参考

Spoto Tsui

认识无线路由的运作原理，教你如何选择无线路由器

多个无线路由(AP)为何能提升家庭无线网络体验？