科普向:WIFI,路由器,和网速

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ps:灵感来自 LOL 队友的一次掉线,感慨万千,故碎碎念之。

WLAN 与 WIFI

WLAN,全称是 Wireless Local Area Networks,无线局域网络,用于弥补有限局域网络延展性较差的缺陷,实现网络延伸的目的。WLAN 使用 ISM 无线电广播频段进行通讯。这里涉及三个 IEEE 协议:其中 802.11b 和 802.11g 标准使用 2.4 GHz 频段,而 802.11a 使用 5 GHz 频段。

WIFI 是 WLAN 的一种实现。WIFI 的全称是 Wireless Fidelity,原意为基于无线保真技术的无线局域网络。因为WIFI 主要采用 802.11b 协议,因此人们逐渐习惯用 WIFI 来称呼 802.11b 协议。随着技术的演进,WIFI 技术已经到了第 6 代。

国内曾提出了 WIPI 技术 ( WIFI 主要是美国及其欧盟的,这个可以理解为国产版 WIFI ),理论上来讲,WIPI 具有更佳的安全性能,不过因为各方面的利益原因没有得到国际认可,甚至还遭受打压。比如华为公司就被 Wi-Fi 联盟 “暂时” 撤销会员资格,暌违多年的 WAPI 才终于再次回到公众视野。

WiFi5与WiFi6相比,差在什么地方? - 知乎 (zhihu.com)

5G WIFI 和 5G 移动通讯?

现在的路由器都能够提供 2.4 GHz 和 5 GHz 频段的 WIFI 连接,名称一般为 XXX 和 XXX_5G。5G 频段具备更高的无线传输速率,更强的抗干扰能力,无线信号更强,稳定性更高。

而近几年流行的 “5G” 则代指以华为,中兴,爱立信等公司提出的第五代移动通信技术,这里的 G 是 'Generation' 的缩写。( 笔者曾有相当一段时间以为这两个 5G 是一个意思 )。1G是模拟技术;2G 是数字化语音通信;3G 是多媒体通信。4G 开始,人们正式迈入无线宽带的年代。和 3G 相比,4G 的通信速度有了跨越式的提升,在 2013 年左右开始逐渐兴起的短视频创作平台,高清视频平台,直播平台等也基本都是在 4G 技术推广之后快速发展起来的。

5G 通信是 4G 通信的又一次演进,在传输速率,延迟,连接数,连接性等方面都有巨大的提升。

WAPI到底是什么?为什么说它比Wi-Fi更安全? - 知乎 (zhihu.com)

无线网卡

现在的笔记本和手机自带连接 WLAN 功能,本质上是因为它们内置了无线网卡和对应的驱动程序 ( 硬件必须要由软件进行驱动才可使用,无论是连接鼠标,外部键盘,或者是连线或无线耳机 )。检查网络驱动软件的方式是设备管理器 -> 网络适配器一项中查看电脑安装的所有网络驱动。

偶尔,笔记本电脑会出现搜索不到网络的情况。注意,“断网” 是 ISP 服务运营商的事,比如施工队不小心把某处光缆挖断了;有网但连不上是设备本身的事,这可能是网卡对应的驱动程序损坏而导致的。以笔者的某肉机为例,负责连 WIFI 的无线网络驱动是 Killer Wireless-n/a/ac Wireless Network Adapter。在一段时期,电脑一开机,这个驱动程序就会报错从而搜索不到 WIFI 信号 ( 可能是这个驱动和当时的 Windows 10 系统水土不服 )。

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在网络适配器项中检查网络驱动程序的状况往往能省下很多精力,解决问题的方式也可以很 “简单粗暴” —— 那就是将损坏的驱动卸载,然后在电脑的品牌官网中下载新的驱动安装即可。Windows 的设备管理器是很实用的面板,电脑一切硬件设备对应的驱动都可以通过它来检查。在遇到硬件不灵的问题时,首先检查驱动是否正常,然后再试着检查硬件本身是否出现了毛病。毕竟驱动坏了可以重安装,硬件坏了就需要走售后了。

台式电脑除了水晶头直连路由器之外,还可以通过外置的无线网卡设备连接无线 WIFI。硬核玩家可以去搞一块 PCI 无线网卡自己安装,而对于非硬核玩家来说,一个 USB 无线网卡不仅简单易用,还不容易把电脑搞坏,唯一的缺点可能就是要常年占用一个 USB 口。

在一般情况下,机箱通过 USB 口插入无线网卡时就能够自行安装驱动软件,随后电脑就可以识别无线网络并连接了。这里以 TP-LINK 的网卡使用教程为例子,非常容易理解。

如何安装设置免驱版无线网卡? - TP-LINK 服务支持

带宽

带宽,实际上是数据传输的吞吐量,单位是 bit per sec,bps。显然,在 1 秒为单位时间内,数据传输量越大,我们则可称其吞吐量越大。

我们通常下载文件的速度的单位是 Byte/s。由于 8 bit = 1 Byte,因此理论上最快下载速度的值 ≈ 带宽吞吐量 / 8 ( 1 Mbit = 1000 Kbit,而 1 MB = 1024 KB,忽略了些许计算误差 )。当然,关于 "下载是否会更快" 的问题还取决于 "各种云盘或下载软件本身是否会限流",以及 "下载的方式是单线程还是多线程","是 P2P,还是 P2SP,P2S" 等因素,还和电脑的无线网卡硬件本身有关。笔者在家办理的是 200M 带宽业务,实际测试时,配置较高的游戏本的最大下行速度为 91Mbps,但是配置一般的商务本的最大下行速度仅有 50 Mbps。

除了用户比较关心的下载之外,上传其实也是频繁的行为。比如:

  1. 网络游戏。客户端需要实时将数据包发送给服务器,否则就会丢失 "打怪数据" 。这种数据量相对来说很小,部分游戏开发商会为此定义专门的协议,这类报文都是极其紧凑精简的二进制流 ( 用热点打完一盘 LOL 大概也就 20 ~ 50 MB 左右的数据量,大概取决于是膀胱局还是 15 投 )。
  2. 将本地文件上传到网盘,或者在聊天工具中向对方传输文件的行为。
  3. 后台服务定期向服务器发送日志报告等 ( 这种数据量相对来说应当也比较小,如果某个后台程序时刻都在占用大量带宽从你的电脑内偷偷地上传数据,那么它可能是病毒....... )。

下载速度取决于下行带宽,而上传速度取决于上行带宽。对于一般的家庭用户而言,对下载的需求要远远高于上传,因此运营商提供的下行带宽远远大于上行带宽。尤其在早期使用 ADSL 非对称数字用户线路拨号上网时,上下行的速度差异比可以到 20 ~ 30。直到光纤网络之后,这种不均衡有所改善:以笔者的网络环境为例,下行速度 / 上行速度 ≈ 2 : 1。

运营商如果只提 "带宽" 二字,一般都指代下行带宽,因为用户更加在意自己下载一部蓝光电影要花多少时间。

迅雷下载的原理? - 知乎 (zhihu.com)

测速网 - SpeedTest.cn

网速和网络延迟

网络不会引发暴力,网络延迟才会。

我们在生活中提到的 "网速" 实际上主要就是指网络延迟。如果网络延迟低,那么我们就会说 "网速很快"。反之,我们会抱怨 "网速太慢了"。网络延迟受诸多方面的影响,尤其是逻辑上的网络拓扑结构。带宽是其中一方面,但不是决定因素。

假设我们正在高速路上驱车,那么 "带宽大" 意味着路口有更多的车道,"延迟低" 则意味着从起点到终点只需花费更少的时间。

那么 "带宽大" 就意味着 "延迟一定低" 吗?不见得。比如说:我们本可以只经过 1 个站点从 A 地开往 B 地,但在某一天由于这个站点临时施工,因而我们不得不去选择那条需要途径 15 个站点的绕远路线,且这 15 个站点的拥堵情况各不相同。在这种情况下,我们在网上 "开车" 时就会发觉延迟显著增加,且延迟波动区间较大。而在路线固定的情况下,"带宽大" 就意味着不容易堵车,换句话说,网络延迟就会更低。

routes.png

凭借经验来看,在社区的用网高峰期时段,延迟确实会略微增加,这很容易用生活中的例子去理解:下班时段回家时,道更堵一些,回家就更慢一些。

再比如,笔者家的下载速度能突破 20 MB/s,WIFI 信号也没有问题,带宽也说的过去,打一些国际服游戏还得乖乖掏加速器 —— 因为本机离游戏服务器的逻辑路线太 "遥远" 了,因此延迟非常高,甚至还经常发生丢失连接的情况。而加速器的工作原理就是尽可能选择一条逻辑上从本机到游戏服务器的最短网络路径,从而达到降低游戏延迟的目的。

网络延迟还和网络协议存在关联。假设我们将自己和服务器的 "一来一回通讯" 称之为一个 RTT 往返时延,那么一个 TCP 连接需要 1.5 个 RTT 时延,一个 HTTP 1.1 连接需要 2.5 个 RTT 时延,一个 HTTP 1.1 + TLS v1.2 安全认证的 HTTPS 连接最多可需要 4.5 个 RTT 时延。这可以从两方面解决:一是协议本身采取更简短的握手方式减少 RTT 的倍数 ( 但是,简短意味着牺牲安全性和可靠性 ),二是采取加速器的套路降低 RTT 本身 ( 但是,得加钱 )。

“猫” 与路由

在该上下文中提到的 "猫",是调制解调器 Modem 的中文昵称,该设备负责模拟信号到数字信号的相互转换。我们现在都使用光纤通信 ( 对应的 "猫" 也叫 ”光猫“ ,正式的提法是光调制解调器 ),在数据传输时使用光信号取代了传统的模拟信号,在光纤信道中进行传输。光纤通信的一端是由运营商提供的 PON 设备,另一端则是用户使用的 ONT 设备,光猫就是后者。

光猫有两种接入口,一种是光纤接入口,另一种通过水晶头和路由器或者网络设备相连接。它有两个值得留意的指示灯:pon 灯和 los 灯。pon 灯亮代表光猫正常连接光纤,而 los 灯亮则表示光猫无法正常接收光信号。在正常工作的情况下,pon 灯应常亮,而 los 灯熄灭。

modem

( 图源网络,los 灯闪,说明这个光猫遇到了点问题 )

建筑商早在施工时,光纤就已经在房屋的墙壁内埋好了。那理论上说,如果大家能自备一个光猫,岂不是就可以直接 "白嫖" 联网了?这里就涉及到了一个 "认证" 的问题。一般来说,光猫由各运营商来免费提供,比如笔者在本科入学时去联通那里办理业务之后,会有专人在预约时间带着光猫来宿舍里安装,然后才接入自己的路由器。也可以自行购买光猫并配置,只不过要按照一定步骤手动配置服务商的 OLT 认证,很麻烦。且稍有不慎,就会因认证失败而无法联网,这时又要打电话请来维修人员,他们也觉得麻烦 ......

在断网时,如果光猫的 pon 灯在开启时不久自动熄灭,随后 los 灯闪烁一次,这种情况下就可能是认证出现了问题,需要向运营商咨询网络服务是否已经过期。而另一种常见情况则是 los 灯常亮,pon 灯不亮 —— 这多半是施工队干的好事吧 ( 滑稽 )。如果能确认是线路本身出现问题,只需要耐心等待线路恢复就可以了。

下一个问题。为什么一定要接入路由器?有些光猫本身就提供 WIFI 功能,但一般也仅在调试时临时开启。理由很简单,那就是光猫本质上只是调制解调器。

路由器是网络层设备,比纯交换机要复杂和智能,负责的事情也更多。比如说:无论是什么网络设备,都至少需要一个 IP 地址来和局域网乃至公网保持联系。这个 IP 地址由路由器的 DHCP 功能来自动分配。在一个楼宇中,每个住户的网络环境都应该是相互隔离的,所以每个住户的网络环境都是一个独立,专用的局域网络。

因此不难发现,家里所有的设备 IP 地址都在 192.168.0.1192.168.255.255 ( 路由器和光猫还要在其中分别借走一个 IP 地址 ) 之间,这正是 C 类专用局域网 IP 地址所处的范围。同时,张三家的 192.168.3.1 和李四家的 192.168.3.1 两者毫无关联,也毫不冲突,也无法直接通信 ( 必须得走路由器 ),因为这是两个局域网络下的 IP 地址。

local_net.png

路由器的 DHCP 工作是动态分配 IP 的。意味着其他设备在不同的时段,拿到的 IP 地址会在这个区间浮动,而非固定 ( 这不影响我们平时上网打游戏,除非我们本身是对外提供访问的服务商 ),但路由器总能保证同一时刻下,在一个局域网下的不同设备之间拿到的虚拟 IP 是互不冲突的。路由器自身会使用一个固定的低位 IP 地址来充当家庭内虚拟网络的默认网关 ( Gateway ) ,职责是处理局域网设备到公网的数据收发和 NAT 地址转换等。该 IP 地址在机身处应该会有标记,但是也可以通过电脑的 ipconfig 命令 ( Windows 系统 ) 查看到默认网关的 IP 地址。

无线局域网适配器 WLAN:
​
   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::19c4:764a:b37d:4fad%19
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.0.108
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.0.1   ← 路由器的网关地址。

用户可以在浏览器输入网关地址跳转到路由器的本地设置页面,在输入管理员 admin 密码后,可在管理面板中自定义连接设备权限,连接数量,各设备上下行限速,设置 WIFI 密码,名称,管理设备连接等操作。如果用户忘记了路由器的密码,一般情况下需要用卡针长按路由器上的重置按钮进行 reset。

话说回来,很多路由器都会标注自己是 "千兆路由" 或者是 "万兆路由" ( 包括市面上其他的 "千兆网卡" 等 )。具体选择哪个吞吐量的路由器需要根据自己实际的带宽来定,否则就是浪费预算和性能。比如笔者家里的带宽是 200 Mbps,那么显然没必要购买一个万兆路由。

或许,很多人似乎觉得 "数字越大的路由" 就一定快。除非我们办理的带宽的确跟得上路由器的吞吐量,否则用着和 "百兆路由" 没有太大区别。抛出带宽而言,笔者认为影响网速 ( 延迟 ) 的主要因素是:电子设备是否能流畅地接受 WIFI 信号,或者反过来说,路由器是否能够发送持续,稳定的 WIFI 信号。

仅凭借生活经验,我们都知道信号越差,那么延迟就越大。这一点其实 TCP 协议要背一部分 "黑锅" —— 信号越差,数据包越容易失真出错或丢失。在早期,带宽是很珍贵的资源,TCP 的设计者在当时认为:丢包越频繁,一定是网络越拥堵 ( 当时还没有无线网络技术,以现在的眼光来看,这种想法已经过时了 )。这导致发生丢包现象时,TCP 协议不会采取激进的洪泛措施,反而会采取更保守的拥塞控制 + 超时重传等策略。因此在无线网络普及的今天,反而引发了这样的怪象:信号越差,丢包越多,TCP 协议反而使网络传输变得更加 "畏畏缩缩",以此形成一个恶性循环。

如果是 WIFI 信号较差,可以考虑购买中继器,信号放大器等方式来解决。如果在信号满格的情况下仍旧出现延迟过大的问题,这时才应该好好考虑一下是不是带宽导致的网速瓶颈。