De Raspberry Pi 4 als basis voor een NAS

Christof Windeck en Noud van Kruysbergen

De Raspberry Pi 4 voldoet aan de belangrijkste eisen voor een Network Attached Storage (NAS). Hij heeft een zeer snelle processor met ingebouwde Gigabit-controller en USB 3.0. Om van de Pi 4 een NAS te maken, hoef je alleen maar een opslagmedium aan te sluiten en het besturingssysteem te configureren. Maar welk besturingssysteem is het meest geschikt voor hoe je je NAS wilt gebruiken en welke opslagmedia moet je nemen: een ‘grote’ microSD-kaart, een usb-stick, een externe ssd of een klassieke magnetische harde schijf?

NAS-OS

Het besturingssysteem Raspbian, gebaseerd op Debian Linux, is ook te configureren als een NAS, bijvoorbeeld door het delen van mappen met Samba (SMB). Het instellen daarvan is geen probleem voor doorgewinterde Linux-gebruikers, maar voor beginners is dat vrij omslachtig en foutgevoelig. Eerst moet je het gewenste opslagmedium instellen en integreren in Linux en vervolgens moet je Samba installeren en configureren via een tekstbestand. Dat leidt snel tot fouten, omdat je alles met de hand correct moet instellen en ook moet nadenken over gebruikersaccounts en toegangsrechten.

Een kant-en-klare NAS-distributie zoals Openmediavault (OMV) is eenvoudiger en gebruiksvriendelijker. In het volgende artikel beschrijven we onze ervaringen daarmee. Maar er zijn ook andere besturingssystemen die data kunnen delen binnen het netwerk. Het mediacentersysteem LibreElec met ‘ingebouwde’ Kodi maakt het mogelijk om smb eenvoudig in te schakelen als optie, maar dan wel zonder gebruikersbeheer. Met LibreElec is een smb-share een eenvoudige manier om multimediadata te kopiëren naar de Raspberry Pi. Hetzelfde geldt ook voor Volumio, die kun je ‘misbruiken’ om er ook niet-muziekbestanden mee te delen.

Er zijn ook andere Linux-distributies die je kunt installeren op een Raspberry Pi [1]. Welke de optimale is voor een NAS hangt af van je eigen smaak en voorkennis – maar ook van welke andere taken die Pi behalve als NAS nog meer moet verrichten. OMV draait bijvoorbeeld gewoon onder de ‘normale’ Raspbian, je kunt er elke software naast gebruiken die je maar wilt – zolang de processorcapaciteit, het RAM en de opslagruimte toereikend zijn. LibreElec is daarentegen bewust afgeslankt. Je kunt LibreElec wel enorm uitbreiden, maar voor sommige toepassingen zul je met Raspbian sneller klaar zijn.

OPSLAGRUIMTE

Het opslagmedium is van cruciaal belang voor een betrouwbare, zuinige en stille NAS. De Raspberry Pi 4 heeft geen SATA-poorten, maar een USB 3.0-chip met twee poorten. In de laatste uitvoering werkt die chip met USB 3.2 Gen 1, dus met 5 Gbit/s. In de praktijk haalt de Raspberry Pi 4 daar meer dan 300 MB/s mee. Als het usb-medium snel genoeg is, kunnen de 100 MB/s die mogelijk zijn met Gigabit-Ethernet volledig benut worden – zolang de gegevens niet versleuteld zijn. Bij encryptie daalt de overdrachtssnelheid naar minder dan de helft, vooral bij het schrijven (meer daarover hieronder).

Op een Raspberry Pi 4 kun je een of twee usb-schijven of usb-sticks aansluiten. Als alternatief of als aanvulling is er ook nog de vrije ruimte op de microSD-kaart waar de Pi van opstart. Maar meer dan 1 TB is tot nu toe niet beschikbaar in dit kaartformaat. MicroSD-kaarten zijn zeer zuinig en stil. De in de Raspberry Pi 4 ingebouwde kaartlezer kan echter niet meer dan 50 MB/s aan, de oudere Pi’s zelfs maar 25 MB/s.

Externe magnetische harde schijven in 2,5-inch formaat met USB 3.0-aansluiting hebben momenteel een capaciteit van maximaal 5 TB, maar dat zijn alleen ‘dikke’ schijven met een hoogte van 15 millimeter. Sommige van doe 4 en 5 TB drives [2] hebben tot 4 watt voeding nodig. Twee van die schijven zouden de stroomvoorziening van de Raspberry Pi 4 overbelasten. De ‘normale’ 7- of 9,5-millimeter schijven hebben een maximum van 2 TB. Die zijn zuiniger en daarom zijn er geen problemen met de Pi-voeding te verwachten. De weinige externe 2,5-inch schijven van meer dan 5 TB zijn intern geconstrueerd als een RAID 0 van twee schijven en kunnen te veel vermogen voor de Pi-aansluiting opnemen – beide poorten mogen samen niet meer dan 6 watt leveren. Een USB 3.0-schijf in 2.5-inch formaat met 2 TB is verkrijgbaar vanaf ongeveer 65 euro, voor een dikke 4TB-versie betaal je ongeveer 100 euro. Dergelijke schijven leveren meer dan 140 MB/s in hun snelste zones, in de binnenste sporen is dat nog steeds 50 tot 60 MB/s.

Het gebruik van externe 3,5-inch schijven raden we voor een Raspberry Pi dringend af. Die hebben wel capaciteiten van meer dan 10 TB, maar ook een externe voeding nodig – en die is vaak zo inefficiënt dat er continu 10 watt of meer doorheen gaat. Als je zoveel NAS-capaciteit nodig hebt, kun je beter een ‘echte’ NAS kopen, bijvoorbeeld de Buffalo LinkStation 520D voor twee 3,5"-schijven vanaf 90 euro. De meerprijs ten opzichte van een Pi maakt dan vergeleken met de kosten voor de harde schijven nauwelijks nog wat uit.

Externe ssd’s aan de andere kant zijn veel sneller dan harde schijven. Ze zijn stil en bestand tegen harde stoten, maar ook duur. Een 1TB-versie kost minstens 130 euro, 2 TB zelfs 300 euro. De hogere ssd-snelheid heeft zelden invloed op een Raspberry Pi-NAS. Een ssd is vooral bij willekeurige benaderingen sneller dan een magneetschijf, maar bij een NAS is de snelheid van sequentiële benaderingen belangrijker en wordt die sowieso beperkt door het netwerk. In tegenstelling tot wat sommige mensen denken, zijn ssd’s niet per se zuiniger dan magneetschijven van 2,5 inch. Sommige ssd’s verbruiken bij het schrijven zelfs aanzienlijk meer energie [3].

Usb-sticks zijn niet zo geschikt als opslagmedia voor een Pi-NAS. Aan de ene kant werken veel sticks

extreem langzaam, aan de andere kant verbruiken sommige sticks al 1 tot 1,5 watt wanneer ze alleen maar aangesloten zijn. Usb-schijven in het 2,5”-formaat en usb-ssd’s hebben meestal energiebesparende modi, waardoor ze zuiniger zijn op de stand-bystand.

RAID-VALKUILEN

In principe is het mogelijk om op een Raspberry Pi 4 twee usb-schijven in een RAID 1 met redundante gegevensopslag te koppelen. Dat is wel een beetje gecompliceerd en leidt tot een hoger energieverbruik en meer kabels. Bij een Pi-NAS gaat het om zuinigheid, lage kosten en een zo eenvoudig mogelijke configuratie – voor een centrale netwerkopslag met het laagst mogelijke risico op uitval is het daarom beter om een fatsoenlijk NAS-apparaat te gebruiken. Als je sowieso redundantie voor de gegevens die op de Pi-NAS opgeslagen zijn wilt, dan kun je dat ook doen zonder RAID door bijvoorbeeld (via een cronjob) tijdgestuurde back-ups op een tweede usbschijf of op een tweede Pi-NAS te maken. Met dat laatste kun je je gegevens zelfs beschermen tegen encryptie-trojans.

Over encryptie gesproken, onder Linux kun je schijven met LUKS versleutelen, maar dat vergt processorvermogen. De BCM2711-chip van de Pi 4 heeft hardware-units voor AES-encryptie, maar de huidige versie van Raspbian kan ze niet gebruiken. Daarom daalt de datasnelheid voor het schrijven van versleutelde gegevens aanzienlijk.

OVERVERHITTING

Met een enkele 2,5-inch usb-schijf heb je aan een USB-Cvoeding van de Raspberry Pi Foundation, of een soortgelijke 5V-voeding die 15 watt (5V/3A) levert, voldoende voor de stroomvoorziening. De twee USB 3.0-poorten leveren samen maximaal 1,2 A, oftewel 6 watt.

In principe kun je ook een USB 3.0-hub met een eigen voeding aansluiten op een Raspberry Pi 4 en meerdere usb-schijven. Dergelijke gecompliceerde constructies kun je echter beter vermijden omwille van een hogere betrouwbaarheid. We raden altijd het KISS-principe aan: hou het zo simpel mogelijk. Hoe minder componenten en kabels, des te minder problemen, defecten en losse contacten er kunnen optreden.

De Broadcom BCM2711-chip van de Raspberry Pi 4 wordt behoorlijk heet bij een hoge belasting. Na slechts 10 tot 30 seconden continue belasting van alle vier de cpu-kernen kan hij zo heet worden dat hij zijn klokfrequentie terugschroeft. Bij puur NAS-gebruik is dat zeer zelden te verwachten, omdat daarbij vrijwel nooit alle kernen tegelijkertijd belast worden. Een extra koeler op de BCM2711 [4] is daarom overbodig – tenzij je voortdurend versleutelde gegevens kopieert of de Raspberry Pi tegelijkertijd ook voor andere doeleinden gebruikt. Ook in een slecht geventileerde behuizing kan een extra koeler nuttig zijn.

Om een Pi-NAS betrouwbaar te laten werken, is naast een betrouwbare stroomvoorziening, koeling en bekabeling ook een geschikte locatie van belang. Direct zonlicht, andere warmtebronnen, stof en trillingen hebben een negatief effect. Eigenlijk zou het raadzaam zijn om de Raspberry Pi samen met de schijf in een stevige behuizing te bouwen, maar dan gaan de kosten uit de hand lopen. Zoals al gezegd is een complete NAS voor twee 3,5”-schijven al verkrijgbaar vanaf circa 90 euro.

ZELFBOUW

Voor een NAS op basis van een Raspberry Pi kun je snel meer dan 100 euro uitgeven als je de voeding, microSDkaart en usb-schijf meerekent. Daar komen dan nog de kosten voor de elektriciteit bij: 5 watt bij continu gebruik telt in een jaar op tot 44 kilowattuur, waarvoor je ongeveer 10 euro betaalt. Voordat je met de configuratie begint, moet je je goed afvragen wat je eigenlijk wilt. Als je een bestaande usb-schijf op het netwerk wilt aansluiten, dan is de NAS-functie van een router vaak al voldoende. Maar als je meerdere terabytes aan betrouwbare netwerkopslag met redundantie wilt, kun je beter een kant-en-klaar NAS-apparaat met volwassen firmware van bedrijven als Buffalo, Qnap of Synology nemen. De Pi-NAS vult het gat daar tussenin, zeker als je zelf bouwen leuk vindt en alles met opensource zelf in de hand wilt houden.

Literatuur

[1] Thorsten Leemhuis en Noud van Kruysbergen, Mainstream

Linuxdistributies voor de Raspberry Pi, c’t 6/2020, p.130

[2] Lutz Labs en Alieke van Sommeren, Mobiele harde schijven met 4 TB

opslag, c’t 5/2020, p.70

[3] Lutz Labs en Daniel Dupré, Externe ssd’s met usb-aansluiting,

c’t 9/2019, p.52

[4] Ingo T. Storm en Noud van Kruysbergen, Koeloplossingen voor de

Raspberry Pi 4, c’t 3/2020, p.132