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家庭网络管理(4): 单网口安装 OpenWRT 实现单臂软路由

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软路由

为了进一步发挥 NAS 的作用，我决定在它上面部署一个软路由。因为软路由可以更好地管理流量，部署科学上网，特别是在主路由小米 AC2100 MT7621 方案性能有限的情况下，x86 架构的软路由能够进行的加解密运算能力远远超过主路由。我的 NAS 只有板载千兆单网口，实现起来没有多网口路由器那么优雅，好在还是能够用单臂路由的方法实现软路由。

网络拓扑规划

设备一览

在规划网络之前，需要先清点一下我有哪些设备，这些设备分别有哪些上网的需求。

路由器，我有

  • 一台联通的光猫
  • 一台小米 AC2100
  • 一台小米 R3
  • 一台老旧的小米 3C（大概就不用了）

终端设备我有

  • 若干 PC
  • 若干手机

IoT 设备我有

  • 遍布房间的传感器
  • 智能插座
  • 开关

因此，我打算将光猫作为拨号终端；小米 AC2100 作为主路由，保留小米原有系统（后来我把它刷成 OpenWRT 了）；小米 R3 无线桥接 AC2100，作为 IoT 的接入点（因为位置的原因，AC 2100 摆放在光猫边上，2.4G 没有办法很好地覆盖整个屋子，所以要用 R3 中继）。光猫的无线功能关闭，避免影响其他网络的速度。

拓扑规划

NAS 使用网线连接小米 AC2100。UNRAID 系统通过网桥（一般为 br0）让虚拟机和 Docker 上网，可以理解为一个二层交换机。我简单做个一个拓扑图，解释我打算规划的拓扑结构。

我的规划如图，光猫负责拨号，小米 AC2100 作为主路由处理流量，R3 通过无线中继服务 IoT 设备，NAS 虚拟化各种服务和软路由提供功能。其中，主路由的 IP 地址为 192.168.31.1，软路由的 IP 地址为 192.168.31.2。为了让所有流量在转发至公网时经过软路由处理，由 AC2100、R3 所有通过 AP 接入的设备和有线接入的设备都要以 192.168.31.2（软路由） 作为网关，而软路由要以 192.168.31.1（主路由） 作为网关。为了实现这个功能，整个 LAN 中只能由软路由一个 DHCP 服务端。即，让新加入的设备自动以软路由作为网关。

单臂软路由配置

选择系统

首先下载 OpenWRT 系统安装文件。进入 https://downloads.openwrt.org/releases/ 选择对应版本和对应系统架构。由于我是 x86，所以我下载了 x86 generic 版本（openwrt-19.07.3-x86-generic-combined-ext4.img）https://downloads.openwrt.org/releases/19.07.3/targets/x86/generic/。将其解压，复制到 NAS 上任意位置。由于该镜像已经打包好，可以作为硬盘使用，所以不用额外预留其他空间用于存放文件。

部署虚拟机

添加 VM - Linux，直通 CPU 建议全选上，毕竟处理网络流量比较耗费算力。BIOS 改为 SeaBIOS，主硬盘 Manual，指向 OpenWRT 镜像位置，其他保持默认即可。

创建虚拟机并自动运行。进入 VNC，先用 passwd 命令修改默认密码，然后进入 vi /etc/config/network 修改为预定的内网 IP 地址。保存配置文件， /etc/init.d/network restart 重启网络配置。浏览器访问内网 IP 地址，一切顺利的话，机器就能启动了。由于我是演示，使用 192.168.31.3 作为 IP。

如果 VNC 中观察到 Switching to clocksource tsc 或者其他错误导致按回车也没反应，可以考虑更换其他架构的镜像。

初期配置

安装完路由系统后，首先需要对系统进行一些初期配置。浏览器进入设置好的 IP，Network - Interfaces - Edit LAN，增加 gateway 为主路由（在我这是小米 AC2100）的 IP 地址，IPv4 broadcast
保持默认，DNS 随意设置（但是一定要设置）。切换到 DHCP Server 选项卡，将 Advanced Settings 的 Force 勾选。

SSH 登录路由，执行 sed -i 's_downloads.openwrt.org_mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/openwrt_' /etc/opkg/distfeeds.conf 更换国内 OpenWRT 源，更新软件包 opkg update ，执行 opkg install luci-i18n-base-zh-cn 安装中文 Web 界面。如果安装过程无法正常进行，请重新检查联网设置。

测试联网情况

为了测试软路由工作情况，我们可以手工设置本地网关，修改网关至软路由对应的 IP 地址，查看连接情况。如果一切正常，就可以关掉主路由上的 DHCP 服务，让软路由提供 DHCP 服务了。一般来说，只要初期配置中路由命令行能够正常更新软件包，这一步也不会有太多问题。

在软路由提供 DHCP 服务后，新接入的设备和需要更新 DHCP 租约的设备都会以软路由作为网关访问外网。从路径上看，就是 终端 - 主路由 - 软路由（处理流量） - 主路由 - WAN。

性能测试

延迟

我使用高精度延迟测试工具 hrping 进行测试，这个工具可以从 http://www.cfos.de/en/download/start-download.htm?file=/hrping-v507.zip 下载。我将一台电脑连接至联通光猫 192.168.1.1 ，关闭防火墙，进行长时间 ping 测试。

软路由作为网关

tracert

ping

主路由作为网关

ping

可以看到，使用软路由作为路由，仅增加了 0.5ms 的延迟，稳定性也没有较大的变化。相对于软路由的好处来说，这个延迟增加是可以接受的。

带宽和功耗

TCP

我使用 iperf3 作为带宽测试工具，测试终端间、终端到软路由、软路由和 NAS 之间的带宽和功耗。以下简单列出一些测试结果

AC2100 的网口为千兆

NAS 静止功耗

29.59W

PC（软路由网关）- PC（光猫 LAN）

由于联通的光猫只有一个千兆口，剩下全是百兆口，所以实际测速只有百兆。此时的 NAS 功耗为 37 - 40W

PC（软路由网关） - 软路由

800Mb 49W

PC（软路由网关） - NAS

930Mb 53W

软路由 - NAS （网桥内网）

6.5-7.5Gb 58W

软路由 V2Ray 加密带宽和功耗

我通过 OpenClash 挂 V2Ray 的梯子，远程访问我的服务器，测试经过 V2Ray 加密之后的功耗。实际测试结果为

100Mb 37W
260Mb 43W

TCP with V2Ray

上述 V2Ray 的测试让我突发奇想，打算测试一下 NAS CPU 在满载 V2Ray 时的负载，看看这块 CPU 对 V2Ray 流量的处理能力。为了让 iperf3 通过代理，我简单编写了一个（自攻自受）的反向代理，让 V2Ray 在此期间进行一轮加密和一轮解密。iperf3 的流量穿过一层 V2Ray 的隧道，在网桥内网中测试。

软路由 - NAS （没有 V2Ray）

6.5-7.5Gb 58W

软路由 - NAS （V2Ray 一次加密，一次解密 + 反向代理）

2.5-3Gb 58W

结果表明这块 CPU 的性能和功耗还是非常棒的，在满载的情况下可以同时处理 2.5Gb 带宽以上的 V2Ray 流量（实际情况应该和这个不同，实际情况中不需要一次加密和一次解密，但是需要考虑其他运算，例如 ws，tls），应付日常使用绰绰有余。

展望

一切看起来都很美好，但是也有美中不足的地方。UNRAID 运行的 Docker 无法以软路由作为网关，即 UNRAID Docker 的流量无法经过软路由。目前我并不知道为什么会这样，可能是由于启动顺序不同导致的问题。因为如果要修改 UNRAID 的默认网关，需要停止整个阵列。一旦阵列停止，Docker 和 VM（包括软路由）也需要停止。如果修改完设置，启动阵列时，Docker 会因为没有 DHCP 服务器而无法分配到 IP 地址（一般来说 VM 启动优先级更慢）。我正在继续寻找解决方案。

由于 CPU 性能足够，我打算下一步上万兆网卡和万兆交换机，让内网进一步加速。同时，我打算直接在 NAS 上安装万兆网卡。这块主板还有一个 PCIE x16 插槽，可以插一张多口万兆网卡实现软路由硬件直通，进一步提高效率。

References

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License: BY-NC-SA 4.0
Link: https://wasteland.touko.moe//blog/2020/06/home-network-4-soft-router-at-unraid/
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