現(xiàn)代家庭局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)探討

摘#8195;要 隨著網(wǎng)絡(luò)普及率的提高，家庭需要組建局域網(wǎng)的人也越來越多。本文介紹了幾種家庭局域網(wǎng)組網(wǎng)常見的技術(shù)，對其遵循的協(xié)議和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，并對這些技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行比較，探討現(xiàn)代家庭組網(wǎng)時(shí)技術(shù)的選擇。

關(guān)鍵詞 快速以太網(wǎng)；無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)；電力線組網(wǎng)；電力貓

中圖分類號 TP 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)031-0114-02

21世紀(jì)是我國信息化建設(shè)高速發(fā)展的時(shí)期，中國的網(wǎng)民數(shù)量年年遞增，網(wǎng)絡(luò)的普及率也逐年增長。從2008年底我國網(wǎng)民人數(shù)2.98億（其中寬帶用戶2.7億），網(wǎng)絡(luò)普及率為22.60%，首次超過世界平均水平，到2011年底，網(wǎng)民數(shù)量為5.13億，網(wǎng)絡(luò)普及率達(dá)到38.3%，中國的網(wǎng)民數(shù)量在迅速增長，網(wǎng)絡(luò)的普及率也越來越高，網(wǎng)絡(luò)在我們的生活中也扮演著越來越重要的角色。

隨著科技的進(jìn)步，除了傳統(tǒng)的臺式電腦以外，筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)以及IPTV電視已經(jīng)成了家庭中常見的需要使用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增加，人們對家庭網(wǎng)絡(luò)的需求也隨之增加，網(wǎng)絡(luò)搭建也出現(xiàn)了幾種可選擇的技術(shù)。

1 幾種家庭常見組網(wǎng)技術(shù)

1.1 快速以太網(wǎng)

家庭中使用的以太網(wǎng)為快速以太網(wǎng)，一般為100BASE-TX，它是一種類似星型結(jié)構(gòu)的100BAST-T雙絞線標(biāo)準(zhǔn)，使用5類電纜中的2對線纜，理論速度可達(dá)到100Mbps，最遠(yuǎn)距離是100米，是目前家庭局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)中最為穩(wěn)定與普遍的一種，其遵循的是IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）制定的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 無線Wi-Fi局域網(wǎng)

Wi-Fi的全稱為wireless fidelity，意為無線保真，是Wi-Fi聯(lián)盟所持有的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)品牌，應(yīng)用在建立于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）設(shè)備，目的是為了改善基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互通性。由于兩套系統(tǒng)的密切聯(lián)系，常常有人把Wi-Fi作為802.11標(biāo)準(zhǔn)的同義詞術(shù)語，但這并不是說所有符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都要申請Wi-Fi認(rèn)證，也不意味著沒有Wi-Fi認(rèn)證的產(chǎn)品就與Wi-Fi設(shè)備不兼容。 通俗來講Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)即是把手機(jī)、電腦、PAD等無線終端絡(luò)通過Wi-Fi技術(shù)連接到一起的無線電磁波的網(wǎng)絡(luò)。

1.3 電力線組網(wǎng)

電力線組網(wǎng)是指通過使用 “電力貓”（即“電力調(diào)制解調(diào)器”、電力線以太網(wǎng)傳輸適配器）利用現(xiàn)有的傳輸電流的電力線作為通信載體進(jìn)行組網(wǎng)的一種新興組網(wǎng)技術(shù)。其基本的工作原理是利用電力貓將帶寬為1.6 MHz~30 MHz的載波信號通過民用電力線傳輸進(jìn)行通訊，從而達(dá)到組網(wǎng)的目的。電力貓本身不會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)延長、拓展、延伸網(wǎng)絡(luò)范圍的產(chǎn)品。目前主要生產(chǎn)電力貓的品牌有ZINWELL、TP-LINK、LechenTek等，功能上有普通電力貓、帶無線AP功能電力貓、帶路由撥號功能電力貓等。電力貓產(chǎn)品支持HomePlug系列協(xié)定，另外帶有無線網(wǎng)絡(luò)功能的電力貓還同時(shí)支持802.11系列協(xié)議。電力線組網(wǎng)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，是傳統(tǒng)有線以太網(wǎng)和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和延伸。

2 家庭組網(wǎng)主要涉及的通信協(xié)議和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 IEEE標(biāo)準(zhǔn)

前面介紹幾種組網(wǎng)方式的時(shí)候，我們常會提到一些802開頭的通信協(xié)議和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)是由國際電子和電氣工程師協(xié)會（英文縮寫為IEEE）制定的，主要規(guī)定了各協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)的頻率帶寬、傳輸距離、傳輸速率以及數(shù)據(jù)鏈路層等。

1）802.3協(xié)議：一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。描述物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層的實(shí)現(xiàn)方法，在多種物理媒體上以多種速率采用CSMA/CD訪問方式，對于快速以太網(wǎng)該標(biāo)準(zhǔn)說明的實(shí)現(xiàn)方法有所擴(kuò)展。家庭組網(wǎng)中使用的百兆網(wǎng)線支持100BASE-TX協(xié)議，最大傳輸速率100 Mbps，傳輸距離

100米。

2）802.11協(xié)議及擴(kuò)展：

802.11，1997年，原始標(biāo)準(zhǔn)（2Mbit/s，2.4GHz頻道）。

802.11a，1999年，物理層補(bǔ)充（54Mbit/s，5GHz頻道）。

802.11b，1999年，物理層補(bǔ)充（11Mbit/s，2.4GHz頻道）。

802.11c，符合802.1D的媒體接入控制層（MAC）橋接（MAC Layer Bridging）。

802.11d，根據(jù)各國無線電規(guī)定做的調(diào)整。

802.11e，對服務(wù)等級（Quality of Service， QoS）的支持。

802.11f，基站的互連性（Interoperability）。

802.11g，物理層補(bǔ)充（54Mbit/s，2.4GHz頻道）。

802.11h，無線覆蓋半徑的調(diào)整，室內(nèi)（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz頻段）。

802.11i，安全和鑒權(quán)（Authentification）方面的補(bǔ)充。

802.11n，導(dǎo)入多重輸入輸出（MIMO）和40Mbit信道寬度（HT40）技術(shù)，基本上是802.11a/g的延伸版。802.11n在20MHz帶寬時(shí)理論速度可以達(dá)到300Mbps，比802.11b快50倍，比802.11g快10倍左右，傳輸距離也更遠(yuǎn)。當(dāng)帶寬為40MHz時(shí)，理論速度更可高達(dá)600Mbps。

除了上述的擴(kuò)展之外，802.11家族還有k/p/ac/b+等新的擴(kuò)展，并且還會隨著網(wǎng)絡(luò)需求的變化不斷更新拓展。目前主流的家庭無線路由器主要支持的是802.11b/g/n協(xié)議，設(shè)置時(shí)選擇b/g/n混合模式可以更好的兼容老版本的無線網(wǎng)卡，但是如果網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)有802.11b和802.11n的無線網(wǎng)卡時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度會自動匹配到速度較低的802.11b模式下。

2.2 HomePlug協(xié)定

這是由家用電力線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance，縮寫為HPA）制定的一系列協(xié)定，應(yīng)用于家用電力線通訊。主要有HomePlug 1.0、HomePlug turbo、HomePlug AV 、UPA、HD-PLC幾種。HomePlug1.0速率為80Mbps，HomePlugAV 為 200Mbps。HomePlug 1.0與HomePlug turbo可以互通，其他規(guī)格的HomePlug設(shè)備無法互通。也就是說，市面上的不同廠商的電力貓，85Mbps的可以和85Mbps的混合搭配使用，200Mbps的可以和200Mbps的混合搭配使用，但85Mbps的和200Mbps的即使是同一廠商的也無法搭配使用。

以目前主要應(yīng)用的 HomePlugAV 為例，主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

1）接口：Powerline；10/100 Base-TX Ethernet Port。

2）電源網(wǎng)絡(luò)調(diào)變技術(shù)：OFDM（QAM 8/16/64/256/1024，QPSK，BPSK，ROBO）。

3）電源網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率：1.6 MHz~ 30 MHz。

4）資料傳輸速率（實(shí)體層傳輸）：電源網(wǎng)絡(luò)200 Mbps；以太網(wǎng)路 10/100 Mbps。

5）QoS：智慧型QoS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先機(jī)制。

6）安全機(jī)制：128bit AES資料加密。

3 幾種組網(wǎng)技術(shù)的對比

3.1 靈活性

快速以太網(wǎng)使用雙絞線，需要在家庭裝修時(shí)預(yù)先在墻壁內(nèi)埋線并預(yù)留接口，這樣就限制了終端設(shè)備使用的地點(diǎn)。如果需要增加一個(gè)接口，或者想換個(gè)舒服點(diǎn)的位置使用，就必須另外拉一條網(wǎng)線，這樣一來，既不美觀又麻煩。

無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則不同，理論上，只要在信號的覆蓋范圍內(nèi)的任意位置，都可以方便的上網(wǎng)，使用起來非常的靈活。

電力線組網(wǎng)由于依賴電力線網(wǎng)絡(luò)，只要在有插座的地方插上適配器，就可以方便的使用網(wǎng)絡(luò)，雖然不如無線網(wǎng)絡(luò)那樣自由，但相對于以太網(wǎng)來說，使用的靈活性和方便性也增加了很多。

3.2 安全性

快速以太網(wǎng)以進(jìn)戶的網(wǎng)絡(luò)端口為起點(diǎn)，在局域網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，只有連接了網(wǎng)線的設(shè)備才可以使用網(wǎng)絡(luò)，從物理上隔斷了其他人盜用網(wǎng)絡(luò)的可能，網(wǎng)絡(luò)的安全性很高。

無線網(wǎng)絡(luò)則不同，由于是用電磁波作為載體，只要在覆蓋范圍內(nèi)，所有能搜索到信號的設(shè)備理論上都可以連接并使用到該無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源被盜用的風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，Wi-Fi聯(lián)盟制定了一系列的安全標(biāo)準(zhǔn)來對符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：WPA/WPA2、WMM、WMM Power Save、WPS、ASD、CWG以及EAP等。目前家庭所使用的路由設(shè)備主要使用的是WPA/WPA2-EAP認(rèn)證方式，用戶在連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須輸入對應(yīng)的密鑰，通過認(rèn)證后才可以使用對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)，從而大大的增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

電力線組網(wǎng)由于是新生事物，很多人對它還很陌生，有人就懷疑這種技術(shù)組網(wǎng)是否安全？實(shí)際上，根據(jù)HomePlug協(xié)定的規(guī)定，在電力線中傳遞的信號是工作在一定的帶寬內(nèi)的，我們家庭中的電表和帶有濾波功能的插座都能過濾掉這個(gè)頻段內(nèi)的信號，也就是說，利用電力線組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息是無法穿越家庭電表的，因此，不在同一電表內(nèi)的用戶也無法使用到這個(gè)電力線網(wǎng)絡(luò)的資源。理論上來講，電力線網(wǎng)絡(luò)和快速以太網(wǎng)是同樣安全的。

對于一些特殊情況，比如集體宿舍或與他人合租使用公用電表的用戶，我們可以通過以下方法來增加網(wǎng)絡(luò)安全性：一是安裝電力貓產(chǎn)品的應(yīng)用程序，將自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置私有化，并將對應(yīng)的電力貓?zhí)砑拥阶约旱木W(wǎng)絡(luò)中來。二是將自己的電力貓進(jìn)行配對加密。在電力貓上有相應(yīng)的配對按鍵，按住一臺電力貓的配對鍵幾秒，當(dāng)指示燈閃爍時(shí)，再按住另一臺的配對鍵幾秒，指示燈閃爍幾下，然后兩臺電力貓的指示燈會熄滅然后變成常亮，重啟之后兩臺電力貓之間就通過128位的AES加密配對成功了。如果還有其他的電力貓需要加入，只要按照上面的方法和第一臺電力貓進(jìn)行配對，就可以了，十分方便。通過這兩種方法，即使公用電表的電力線組網(wǎng)也變得安全可靠。

3.3 上網(wǎng)速率

前面提到過，每種組網(wǎng)方式遵循的協(xié)議都定義了其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，但那只是在理想狀態(tài)下的理論速率最大值，實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾适欠袢绱四?實(shí)際測試中我們發(fā)現(xiàn)，使用百兆網(wǎng)線的快速以太網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率能達(dá)到90 Mbps（如圖1），損耗約10%。

圖1 百兆網(wǎng)線單 pair下行速率平均值90.305 Mbps

而標(biāo)稱速率為200Mbps的電力貓表現(xiàn)又如何呢？以TP-LINK公司生產(chǎn)的200M速率電力貓實(shí)驗(yàn)，測得的結(jié)果讓我們大跌眼鏡，居然只有不到45Mbps（如圖2），損耗高達(dá)77.5%。

圖2 TL-PA201單pair下行速率 平均值 44.237Mbps

（以上圖表數(shù)據(jù)均來自http://net.zol.cn/202/2021841.html）

造成這樣的結(jié)果有兩個(gè)原因：

1）電力貓的200 Mbps傳輸速率指的是信息在電力線上的理論傳輸速率，但是電力貓采用的接口為10/100 Mbps的RJ45接口，這說明，電力貓和電力貓之間的理論傳輸速率最大值為200 Mbps，但電力貓和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的傳輸速率理論最大值只有100 Mbps。

2）電力線網(wǎng)絡(luò)中的信息是在電力線上傳輸?shù)?，電力線上同時(shí)還負(fù)載了很多家用電器，比如冰箱、空調(diào)、微波爐、電飯鍋等等，這些電器會對網(wǎng)絡(luò)信號造成干擾，從而影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。目前最新型的電力貓產(chǎn)品的理論傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了500 Mbps。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)兼容的協(xié)議較多，隔一堵墻時(shí)，在802.11b協(xié)議下，其實(shí)際速率約為3 Mbps-6 Mbps，802.11g協(xié)議下為16 Mbps-30 Mbps，802.11n協(xié)議下為50 Mbps-90 Mbps，但無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力差，如果設(shè)備性能不穩(wěn)定或者相隔的墻多幾堵，拐角多一點(diǎn)，無線信號會迅速衰減，網(wǎng)絡(luò)速度也就大幅下降。

無線網(wǎng)絡(luò)適用于對網(wǎng)速和網(wǎng)絡(luò)延遲要求不高的網(wǎng)頁瀏覽、即時(shí)通訊等，而對網(wǎng)絡(luò)延遲要求較高的IPTV、網(wǎng)絡(luò)游戲等則適合使用快速以太網(wǎng)或者電力線組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

3.4 組網(wǎng)成本

1）路由器：無論選擇哪種組網(wǎng)方式，現(xiàn)代家庭局域網(wǎng)都少不了使用路由器，一個(gè)路由器的價(jià)格從幾十到一百多元不等，帶有無線功能的路由器要比不帶無線功能的貴幾十元。

2）快速以太網(wǎng)：因?yàn)樾枰獙ｉT布線，所以材料加上人工費(fèi)一條線路的費(fèi)用大約是90元。

3）無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)：如果家里的路由帶有無線功能，而上網(wǎng)設(shè)備比如筆記本電腦或者手機(jī)又自帶無線網(wǎng)卡，則所需的組網(wǎng)費(fèi)用為0。否則也只是多了幾十元的無線路由差價(jià)和一塊無線網(wǎng)卡的價(jià)格，加起來100元以內(nèi)。

4）電力線組網(wǎng)：不計(jì)算電力線的鋪設(shè)費(fèi)用，一個(gè)電力貓的市場售價(jià)在150元左右，如果帶有無線AP功能的大約200元左右。由于電力貓是要配對使用的，因此至少需要2個(gè)，最低也要在300元左右。

由此看來，電力線組網(wǎng)的成本還是相對較高的。

4 結(jié)束語

通過本文，我們了解到目前適用于家庭組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。快速以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量相對最好，但靈活性不高；靈活性最高的無線上網(wǎng)方式抗干擾能力差，網(wǎng)絡(luò)延遲嚴(yán)重；電力線組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好于無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，靈活性也高于快速以太網(wǎng)，但成本又比較高。因此，在現(xiàn)代家庭組網(wǎng)中，僅僅選擇一種組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足我們對網(wǎng)絡(luò)的需求，我們可以根據(jù)家庭的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求，多種組網(wǎng)技術(shù)相互補(bǔ)充，搭建最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用與靈活的現(xiàn)代家庭網(wǎng)絡(luò)。

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作者簡介

糜蘇（1981—），女，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)安全。