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如何搭建从零到放弃的家庭网络

引言

楼主家中网络从最初的一个路由器,从WIFI问题开始折腾到软路由,最终实现到了目前一个比较满意的程度,写篇文章记录一下,启发大家组建自己的家庭网络系统。

同时也练练写文章如何搭建从零到放弃的家庭网络

从需求出发

首先一个优良的家庭网络系统需要解决什么问题,或者说我期望家庭网络能做啥?

功能脑图功能脑图

家庭网络系统最先解决的是通网问题:把外部电信移动网络接入内网;保证内网里WIFI的高速和稳定。

在网络环境稳定的情况下需要支持一些常用的应用:可以常年挂机下载东西,下载的数据需要存储在可靠并且方便扩容的地方,下载的内容需要能在电视、pad、手机等任意设备上播放。

在搭建了常用的应用程序后,大体上已经能满足大部分人的需求,还希望实现一些高级功能,能从任意地点访问内网搭建的服务,同时也希望家里设备不用配置即可留学上网。

网络拓扑设计

为了实现最基本的通网功能,先分析一下网络拓扑怎么设计。

通常来说最简单的方式就是一只路由器干所有的活:1. 负责接入外部网络,拨号上网;2. 做NAT,负责内网网络运行,并且可以直接插上电口上网;3. 无线WIFI功能,把电缆信号转换成无线信号。

如下图所示:

最简单网络拓扑最简单网络拓扑

上图的网络拓扑结构的问题是:1. 家用路由器的口太少,设备一多线插不下;2. 单一无线路由性能受限,接入设备一多容易变卡顿(家里有土豪路由器请忽略这条);3. 房子大或者户型复杂时单一路由器无法覆盖全屋。

直接上楼主家里的网络拓扑:

楼主的网络拓扑楼主的网络拓扑

图示,楼主愿称之为最复杂家庭网络。

先来讲一下核心几个部件:

1. 拨号路由器用了移动送的光猫,负责PPPoE拨号,并把光纤转化为光口。

2. 入口路由器选用了刷了梅林的思科EA6200(性能较弱),该路由主要担任IP静态地址分配、网内流量监控。

3. 中央的交换机采购了一个8口普联带Web管理、VLAN功能交换机,用来解决入口路由器插口不够的问题,插上即用没啥好说(虽然最后Web管理、VLAN功能也没用上。。。)。

现在讲讲其他几个额外的东西:

4. 几个Mesh路由器用来扩展无线信号(解决户型转角多信号不好问题),采用了3个TL-WDR7650接入交换机做有线回程。实测这款便宜的Mesh路由器除了是WIFI5以外,并没有明显缺点,网络也比较稳定。为防止网络冲突,入口路由器的WIFI信号关闭。

5. 软路由也是老生常谈的东西了,能实现一些有趣的功能如留学、去广告,实际使用了一个闲置的树莓派4B(2G内存版),文章后面再谈。

6. 集群交换机本来不需要,但是两台NAS之间部署了分布式存储系统,使用集群交换机可以隔离网络,这里使用了一个库存的网件千兆交换机。相关内容后面会再讲。

作为轻度垃圾佬,本着能用就用的原则,采用了低性能入口路由器+单网口树莓派作旁路由,而不是直接用多口软路由接入网络。如果大家手头有软路由,可以直接用单一软路由换掉入口路由器。

NAS

NAS(Network Attached Storage:网络附属存储)是可以连接在网络上,具备存储功能的设备。

常见存储方式分为单机单磁盘、单机RAID(RAID 1、RAID5、RAID10)、单机ZFS、分布式文件系统(Ceph)。

存储方式对比存储方式对比

最终楼主采用了Ceph 2分片集群作为分布式存储,使用两台性能一高一低的机器组合高可用服务器。

硬件方面

先从万能某宝买了个15U机柜(500多点)再加两个服务器空壳(带电源,大约300多一个),如图:

某宝的二手服务器机箱某宝的二手服务器机箱

然后发挥垃圾佬精神,把之前淘汰的老机器零件重新组装一下,具体配置如下:

主服务器:i5-4570+Z87主板+32G杂牌内存

副服务器:J4105-ITX集成CPU主板+16G杂牌内存

两台机器+ 14个新旧硬盘+1个集群交换机,总功率在130W左右。粗测主服务器在70W左右,副服务器50W左右。

软件

基础系统:主副服务器都安装Debian 10 Buster。

软件系统:主副服务器都安装OMV5(OpenMediaVault)、Ceph,主服务器上安装Docker,副服务器因性能略差不再安装其他软件。

OMV用于方便管理系统,毕竟手敲shell命令容易失手(手动狗头)。

Ceph是一套较为复杂的系统,使用了luminous(stable)稳定版本以免踩不必要的坑。鉴于大多数人对Ceph比较陌生,这边贴一个简单的Ceph网络架构图:

Ceph网络架构Ceph网络架构

虽然官方不建议,但是公共网络与集群网络仍然可以配置到同一个网络。从这张图可以看出,外部访问文件走了public network(公共网络),而Ceph的PG(可以理解为分片)恢复需要通过cluster network(集群网络)通信。即在硬盘发生故障自动恢复时,如果公共网络与集群网络相同,那么恢复数据的流量会挤压客户端正常访问数据的流量。

好了,上面说了这么多,其实就是手头多了一个交换机,正好拿来用下而已(狗头)。

那么Ceph到底如何使用?一般来说在家用场景,直接用Ceph的RBD映射成块设备,挂载到机器上像普通硬盘使用即可。

Docker直接使用了源安装,目前跑了一个数据库、Seafile、WizNote、某sync软件。通过Docker映射目录到Ceph的挂载点保障数据高可用。

这边还有个问题,Docker启动的服务怎么才能让外网访问到,后面再针对这个问题进行说明。、

远程下载

因为上面介绍了NAS,远程下载变得比较容易了,主要介绍几个软件。

BT下载:Transmission(直接从Debian源里安装),偷懒了,没有docker化

Transmission(BT客户端)Transmission(BT客户端)

某Sync:类似PT,安装在了Docker里,并挂载了Ceph盘用于下载

Resilio SyncResilio Sync

普通下载:直接使用OVM5里带的Downloader功能

OMV Downloader模块OMV Downloader模块

视频投影

因为有OMV5界面管理,文件分享变得比较简单。首先把OMV里的公开的共享目录通过DLNA、NFS或SAMBA(以客户端支持为准)开放访问,楼主只映射了NFS(因为比较熟悉NFS);非公开的共享目录通过FTP加密码访问。

手机端/pad端使用nplayer通过ftp访问资源。

TV端使用了小米盒子,手动装了Kodi,仅访问NFS。如图:

Kodi访问NFSKodi访问NFS

远程访问

外部网络接入大概能分为两种,一种是带独立IP的接入,另一种是不带独立IP的接入。一般来说带独立IP的接入是最好的,但是现在越来越少,而且通常来说没得选择。如果有独立IP,可以通过DNSPOD域名解析,并通过网上广为流传的DNS自动上报DNSPOD脚本更新,这样域名可以直接访问进来。

因为楼主家里是移动运营商并且没有独立IP,所以后面都是以没有独立IP的背景介绍。

以楼主的网络为例,同时采用了双个网络穿透方案:Frp与Zerotier。

Frp与Zerotier

Frp原理(Frp github文档原图):

Frp原理Frp原理

Zerotier原理(自己手画):

Zerotie原理Zerotie原理

Zerotier使用了P2P穿透原理,使用一个叫名称Planet的中心服务器记录两个Leaf(可理解为客户端)的路由每一跳的NAT信息。优点主要是无需公网服务器做流量代理,缺点是网络之间容易受网络波动影响,且每个客户端都需要一个Zerotier client运行着。

远程访问最终方案

那么楼主最终采用了两种方案结合:

混合远程访问方案混合远程访问方案

这里有几个要点:

Frp提供了公网IP访问NAS上的服务,可以实现类似wx公众号的回调需求。因为会暴露内网的服务到公网端口,需要非常注意安全性。

信任的设备之间主要通过Zerotier访问,在两端都使用Zerotier的情况下,互相访问变得很容易,甚至可以互相访问全部端口,用于一些诸如Seafile、WizNote等服务的访问。只要不暴露Zerotier的Network ID,一般来说黑客很难进攻,安全性极佳。

在内网,也希望使用相同的访问方式,但是希望直接走内网(晚期懒癌),不用到zerotier planet绕一圈了。这时候域名的作用就发挥出来了,访问服务时都使用域名访问。不同点是在外网,域名解析到了Zerotier的IP;在内网,因为在路由器处设置了域名拦截,域名直接指向了内网服务器IP地址。

综上,完成了一套支持内网公网访问、需要回调地址特殊场景的远程访问方案。

留学上网

压轴放在最后讲。

实现方式就是设置一个树莓派软路由(旁路由),所有流量自动走进软路由里,并在软路由里实现网内所有流量留学。

众所周知软路由需要两个以上的口才能运作,但是如果把软路由当作旁路由,就只需要一个口,闲置的单网口树莓派就能用上了!

使用suling哥哥的镜像,直接用Etcher工具写入SD卡即可使用。略过安装过程。

设置订阅配置

如何搭建从零到放弃的家庭网络

设置客户端配置

如何搭建从零到放弃的家庭网络

然后配置入口路由器(刷了梅林系统的EA6200),调整DHCP配置:

如何搭建从零到放弃的家庭网络

总结

费用情况:

费用清单费用清单

整体费用接近2500,但是在可扩展性、稳定性上都达到了较好的状态。

感谢大家观看。上述的网络设计充分利用了手头各种器件,基本满足一般家庭需求。后续在万兆网络、WIFI6设备普及的情况下,可以逐步替换升级掉一些设备,此时可以进一步提升网络的性能。

当然楼主不得不承认,为了充分利用手上的硬件,方案有些地方还是过于复杂了,机柜有些买贵了。不想折腾的同学可以试下r2s软路由+WIFI6路由器+白群晖的方案。

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