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现代家庭局域网组网技术探讨摘要 随着网络普及率的提高，家庭需要组建局域网的人也越来越多。本文介绍了几种家庭局域网组网常见的技术，对其遵循的协议和工业标准进行分析，并对这些技术的特点进行比较，探讨现代家庭组网时技术的选择。关键词 快速以太网；无线wi-fi网络；电力线组网；电力猫21世纪是我国信息化建设高速发展的时期，中国的网民数量年年递增，网络的普及率也逐年增长。从2008年底我国网民人数2.98亿（其中宽带用户2.7亿），网络普及率为22.60%，首次超过世界平均水平，到2011年底，网民数量为5.13亿，网络普及率达到38.3%，中国的网民数量在迅速增长，网络的普及率也越来越高，网络在我们的生活中也扮演着越来越重要的角色。随着科技的进步，除了传统的台式电脑以外，笔记本电脑、平板电脑、智能手机以及iptv电视已经成了家庭中常见的需要使用网络的设备。网络设备增加，人们对家庭网络的需求也随之增加，网络搭建也出现了几种可选择的技术。1 几种家庭常见组网技术1.1 快速以太网家庭中使用的以太网为快速以太网，一般为100base-tx，它是一种类似星型结构的100bast-t双绞线标准，使用5类电缆中的2对线缆，理论速度可达到100mbps，最远距离是100米，是目前家庭局域网组网技术中最为稳定与普遍的一种，其遵循的是ieee（国际电气和电子工程师协会）制定的ieee 802.3标准。1.2 无线wi-fi局域网wi-fi的全称为wireless fidelity，意为无线保真，是wi-fi联盟所持有的一个无线网络通信技术品牌，应用在建立于ieee 802.11标准的无线局域网络（wlan）设备，目的是为了改善基于802.11标准的无线网络设备之间的互通性。由于两套系统的密切联系，常常有人把wi-fi作为802.11标准的同义词术语，但这并不是说所有符合802.11标准的设备都要申请wi-fi认证，也不意味着没有wi-fi认证的产品就与wi-fi设备不兼容。 通俗来讲wi-fi网络即是把手机、电脑、pad等无线终端络通过wi-fi技术连接到一起的无线电磁波的网络。1.3 电力线组网电力线组网是指通过使用 “电力猫”（即“电力调制解调器”、电力线以太网传输适配器）利用现有的传输电流的电力线作为通信载体进行组网的一种新兴组网技术。其基本的工作原理是利用电力猫将带宽为1.6 mhz30 mhz的载波信号通过民用电力线传输进行通讯，从而达到组网的目的。电力猫本身不会产生网络，它是一个延长、拓展、延伸网络范围的产品。目前主要生产电力猫的品牌有zinwell、tp-link、lechentek等，功能上有普通电力猫、带无线ap功能电力猫、带路由拨号功能电力猫等。电力猫产品支持homeplug系列协定，另外带有无线网络功能的电力猫还同时支持802.11系列协议。电力线组网技术作为一种新兴技术，是传统有线以太网和wi-fi无线网络的补充和延伸。2 家庭组网主要涉及的通信协议和工业标准2.1 ieee标准前面介绍几种组网方式的时候，我们常会提到一些802开头的通信协议和工业标准，这些协议和标准是由国际电子和电气工程师协会（英文缩写为ieee）制定的，主要规定了各协议中网络的频率带宽、传输距离、传输速率以及数据链路层等。1）802.3协议：一种网络协议。描述物理层和数据链路层的mac子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用csma/cd访问方式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。家庭组网中使用的百兆网线支持100base-tx协议，最大传输速率100 mbps，传输距离100米。2）802.11协议及扩展：802.11，1997年，原始标准（2mbit/s，2.4ghz频道）。802.11a，1999年，物理层补充（54mbit/s，5ghz频道）。802.11b，1999年，物理层补充（11mbit/s，2.4ghz频道）。802.11c，符合802.1d的媒体接入控制层（mac）桥接（mac layer bridging）。802.11d，根据各国无线电规定做的调整。802.11e，对服务等级（quality of service， qos）的支持。802.11f，基站的互连性（interoperability）。802.11g，物理层补充（54mbit/s，2.4ghz频道）。802.11h，无线覆盖半径的调整，室内（indoor）和室外（outdoor）信道（5ghz频段）。802.11i，安全和鉴权（authentification）方面的补充。802.11n，导入多重输入输出（mimo）和40mbit信道宽度（ht40）技术，基本上是802.11a/g的延伸版。802.11n在20mhz带宽时理论速度可以达到300mbps，比802.11b快50倍，比802.11g快10倍左右，传输距离也更远。当带宽为40mhz时，理论速度更可高达600mbps。除了上述的扩展之外，802.11家族还有k/p/ac/b+等新的扩展，并且还会随着网络需求的变化不断更新拓展。目前主流的家庭无线路由器主要支持的是802.11b/g/n协议，设置时选择b/g/n混合模式可以更好的兼容老版本的无线网卡，但是如果网络中同时有802.11b和802.11n的无线网卡时，网络的传输速度会自动匹配到速度较低的802.11b模式下。2.2 homeplug协定这是由家用电力线网络联盟（homeplug powerline alliance，缩写为hpa）制定的一系列协定，应用于家用电力线通讯。主要有homeplug 1.0、homeplug turbo、homeplug av 、upa、hd-plc几种。homeplug1.0速率为80mbps，homeplugav 为 200mbps。homeplug 1.0与homeplug turbo可以互通，其他规格的homeplug设备无法互通。也就是说，市面上的不同厂商的电力猫，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的即使是同一厂商的也无法搭配使用。以目前主要应用的 homeplugav 为例，主要设计标准：1）接口：powerline；10/100 base-tx ethernet port。2）电源网络调变技术：ofdm（qam 8/16/64/256/1024，qpsk，bpsk，robo）。3）电源网络传输频率：1.6 mhz 30 mhz。4）资料传输速率（实体层传输）：电源网络200 mbps；以太网路 10/100 mbps。5）qos：智慧型qos网络优先机制。6）安全机制：128bit aes资料加密。3 几种组网技术的对比3.1 灵活性快速以太网使用双绞线，需要在家庭装修时预先在墙壁内埋线并预留接口，这样就限制了终端设备使用的地点。如果需要增加一个接口，或者想换个舒服点的位置使用，就必须另外拉一条网线，这样一来，既不美观又麻烦。无线wi-fi网络则不同，理论上，只要在信号的覆盖范围内的任意位置，都可以方便的上网，使用起来非常的灵活。电力线组网由于依赖电力线网络，只要在有插座的地方插上适配器，就可以方便的使用网络，虽然不如无线网络那样自由，但相对于以太网来说，使用的灵活性和方便性也增加了很多。3.2 安全性快速以太网以进户的网络端口为起点，在局域网络范围内，只有连接了网线的设备才可以使用网络，从物理上隔断了其他人盗用网络的可能，网络的安全性很高。无线网络则不同，由于是用电磁波作为载体，只要在覆盖范围内，所有能搜索到信号的设备理论上都可以连接并使用到该无线网络，网络资源被盗用的风险很大。因此，wi-fi联盟制定了一系列的安全标准来对符合802.11标准的设备进行认证。这些标准包括：wpa/wpa2、wmm、wmm power save、wps、asd、cwg以及eap等。目前家庭所使用的路由设备主要使用的是wpa/wpa2-eap认证方式，用户在连接wi-fi网络时，必须输入对应的密钥，通过认证后才可以使用对应的无线网络，从而大大的增加了网络的安全性。电力线组网由于是新生事物，很多人对它还很陌生，有人就怀疑这种技术组网是否安全？实际上，根据homeplug协定的规定，在电力线中传递的信号是工作在一定的带宽内的，我们家庭中的电表和带有滤波功能的插座都能过滤掉这个频段内的信号，也就是说，利用电力线组网的网络信息是无法穿越家庭电表的，因此，不在同一电表内的用户也无法使用到这个电力线网络的资源。理论上来讲，电力线网络和快速以太网是同样安全的。对于一些特殊情况，比如集体宿舍或与他人合租使用公用电表的用户，我们可以通过以下方法来增加网络安全性：一是安装电力猫产品的应用程序，将自己的网络设置私有化，并将对应的电力猫添加到自己的网络中来。二是将自己的电力猫进行配对加密。在电力猫上有相应的配对按键，按住一台电力猫的配对键几秒，当指示灯闪烁时，再按住另一台的配对键几秒，指示灯闪烁几下，然后两台电力猫的指示灯会熄灭然后变成常亮，重启之后两台电力猫之间就通过128位的aes加密配对成功了。如果还有其他的电力猫需要加入，只要按照上面的方法和第一台电力猫进行配对，就可以了，十分方便。通过这两种方法，即使公用电表的电力线组网也变得安全可靠。3.3 上网速率前面提到过，每种组网方式遵循的协议都定义了其网络传输速率，但那只是在理想状态下的理论速率最大值，实际应用中，网络传输的速率是否如此呢?实际测试中我们发现，使用百兆网线的快速以太网络的传输速率能达到90 mbps（如图1），损耗约10%。图1 百兆网线单 pair下行速率平均值90.305 mbps而标称速率为200mbps的电力猫表现又如何呢？以tp-link公司生产的200m速率电力猫实验，测得的结果让我们大跌眼镜，居然只有不到45mbps（如图2），损耗高达77.5%。图2 tl-pa201单pair下行速率 平均值 44.237mbps（以上图表数据均来自/202/2021841.html）造成这样的结果有两个原因：1）电力猫的200 mbps传输速率指的是信息在电力线上的理论传输速率，但是电力猫采用的接口为10/100 mbps的rj45接口，这说明，电力猫和电力猫之间的理论传输速率最大值为200 mbps，但电力猫和网络设备之间的传输速率理论最大值只有100 mbps。2）电力线网络中的信息是在电力线上传输的，电力线上同时还负载了很多家用电器，比如冰箱、空调、微波炉、电饭锅等等，这些电器会对网络信号造成干扰，从而影响网络的传输速率。目前最新型的电力猫产品的理论传输速率已经达到了500 mbps。wi-fi网络兼容的协议较多，隔一堵墙时，在802.11b协议下，其实际速率约为3 mbps-6 mbps，802.11g协议下为16 mbps-30 mbps，802.11n协议下为50 mbps-90 mbps，但无线网络抗干扰能力差，如果设备性能不稳定或者相隔的墙多几堵，拐角多一点，无线信号会迅速衰减，网络速度也就大幅下降。无线网络适用于对网速和网络延迟要求不高的网页浏览、即时通讯等，而对网络延迟要求较高的iptv、网络游戏等则适合使用快速以太网或者电力线组网的网络。3.4 组网成本1）路由器：无论选择哪种组网方式，现代家庭局域网都少不了使用路由器，一个路由器的价格从几十到一百多元不等，带有无线功能的路由器要比不带无线功能的贵几十元。2）快速以太网：因为需要专门布线，所以材料加上人工费一条线路的费用大约是90元。3）无线wi-fi网络：如果家里的路由带有无线功能，而上网设备比如笔记本电脑或者手机又自带无线网卡，则所需的组网费用为0。否则也只是多了几十元的无线路由差价和一块无线网卡的价格，加起来100元以内。4）电力线组网：不计算电力线的铺设费用，一个电力猫的市场售价在150元左右，如果带有无线ap功能的大约200元左右。由于电力猫是要配对使用的，因此至少需要2个，最低也要在300元左右。由此看来，电力线组网的成本还是相对较高的。4 结束语通过本文，我们了解到目前适用于家庭组网的网络技术以及他们各自的优缺点。快速以太网的网络质量相对最好，但灵活性不高；灵活性最高的无线上网方式抗干扰能力差，网络延迟严重；电力线组网的网络质量好