Multigigabitethernet voor hogere netwerksnelheden Multigigabit-hardware

Kun je bij het tussentijds opslaan van videobestanden op de server steeds een kop koffie halen? Stel je geduld en je maag niet langer op de proef met multigigabit-ethernet: nieuwe hardware verkort de wachttijd tot een vijfde of minder.

Als je voortdurend grote bestanden zoals video’s, back-ups of VM-images naar of van een centrale server kopieert of er juist bestanden vanaf haalt, moet je bij de meeste netwerkinstallaties een flinke portie geduld hebben: het gangbare gigabitethernet via een twisted-pair-koperkabel verplaatst de gegevens in het beste geval met 115 MB/s over het netwerk.

Moderne massa-opslagmedia werken veel sneller: SATA-ssd’s halen een snelheid meer dan 500 MB/s en sommige NVMe-ssd’s zelfs meer dan 3000 MB/s. Gebruikers moeten daarbij wachten op het netwerk in plaats van andersom. Maar daar is iets aan te doen. Veel snellere ethernetverbindingen zijn al gangbaar in datacenters, zowel op basis van koper als op basis van optische kabels. Die halen 25, 40, 100 Gbit/s en meer voor het aansluiten van switches en servers in 19-inch

racks. Hiervoor zijn echter speciale kabels nodig. Maar zelfs op de standaard bekabeling naar de werkplekken is al enkele jaren veel meer doorvoercapaciteit mogelijk dan gigabit-ethernet kan bieden. Al in 2006 kwam 10GBase-T op de proppen, dat 10.000 Mbit/s transporteert via CAT-6a-kabels over de maximale ethernet-afstand van 100 meter. Met kortere kabels werkt 10GBase-T zelfs via CAT-5e kabels die niet meer up-todate zijn. Omdat geschikte adapters en switches in het begin erg duur waren, is 10GBase-T niet echt populair geworden.

Zo introduceerde fabrikant Aquantia, die sinds de herfst van 2019 deel uitmaakt van chipgigant Marvell, in 2014 zijn eigen NBase-T technologie. Die definieert transmissiemethodes via de kabel die behalve 1 en 10 Gbit/s ook de tussenliggende snelheden 2,5 en 5 Gbit/s bieden. Daarmee kan zelfs oude CAT-5e conforme bekabeling,over de volle lengte aanzienlijk versneld worden en vaak werkt zelfs een 10Gbps-verbinding halen er nog mee. Het mooie hiervan is dat de apparaten automatisch onderhandelen over de maximale datasnelheid. Als 10 Gbps over een lijn niet stabiel is, heb je met 5 Gbps toch nog steeds een vijf keer hogere datasnelheid in vergelijking met het oude gigabit-ethernet.

Dat is niet alleen nuttig voor bestandsoverdracht, maar ook in wifi-installaties op basis van de nieuwe WiFi-6-standaard, waarbij de totale datasnelheid van meerdere radiocellen waaruit een station bestaat, kan uitstijgen boven de gigabit-ethernet-limiet van 1000 Mbps. Dankzij de standaardisatie (IEEE 802.3bz) is multigigabit-ethernet compatibel met alle producten. De componenten en de adapters en switches worden door verschillende fabrikanten aangeboden (zie het volgende artikel), wat de prijzen verlaagt. Nu kunnen zelfs zelfstandigen en kleine bedrijven zich een sneller ethernet veroorloven voor meer snelheid in hun netwerk, zonder dat er een omslachtige en dure kabelvervanging nodig is.

ECHTE SNELHEDEN

We gebruikten iperf3 op twee hosts die onder Linux draaien om de netto datasnelheid met TCP-datatransfers te testen bij de verschillende snelheden. Dit geeft een benadering voor de te verwachten doorvoer met HTTP- en FTP-downloads of via Windows-shares. Een computer met een al wat oudere Core i3-6300 processor (waar we een Asus XGC100C NBase-T kaart in hebben gezet) diende als pc. Een al even antiek Xeon-E3-1240-systeem met een NBase-T interface (Intel X550T) hebben we ingezet als server. Beide hosts werden aangesloten via een Zyxel XS1930-10 NBase-T switch. Daarop stellen we direct op de netwerkpoort de link-rate naar de pc in voor de metingen.

Zoals verwacht klimt de netto doorvoer lineair met de link-rate (zie staafdiagram). Met 2,5 Gbit/s over de kabel, en iets minder dan 2,4 Gbit/s ontvangen data in de applicatie (bijna 300 MB/s), gaat het verschil naar de protocolheaders op laag 2 en 3. Bij een link-rate van 10 Gbit/s was de netto doorvoer 9,4 Gbit/s. Dat is omgerekend meer dan 1100 MB/s. Dat kan geen enkele SATA-ssd bijbenen. De gemeten waarden laten ook zien dat verschillende parallelle TCP-stromen – oftewel gelijktijdige downloads of uploads – de doorvoercapaciteit op de huidige hardware niet verder verhogen. De moderne TCP-stacks zijn al op oudere hardware efficiënt genoeg om een 10Gbit/s-verbinding met een enkele TCP-stream volledig te benutten.

XL-PAKKETTEN

Met jumbo-frames, oftewel ethernetpakketten die meer dan de standaard 1500 bytes aan gebruikersdata transporteren, kan de datasnelheid iets worden verbeterd. Met 9000-byte frames wordt 9400 Mbps 9900, een winst van ongeveer 5 procent doordat er minder headers nodig zijn. De kleine winst is meetbaar, maar zal in de praktijk nauwelijks te merken zijn.

Jumbo-frames verminderen ook de cpu-belasting: de processor heeft minder vaak te maken met interrupts om de ethernet-interface aan te sturen. Op de Core-i3 pc daalt de cpu-belasting in de benchmark dus van ongeveer 15 procent naar 5 à 10 procent, afhankelijk van de richting van de transmissie.

Er waren echter ook lichte haperingen te zien in onze benchmarks bij de NBase-T snelheden 2,5 en 5 Gbit/s met jumbo-frames en een TCP-stream. Tijdens de ontvangst is de doorvoer waarschijnlijk even onderbroken door afzonderlijke verloren pakketten, waardoor het 30-secondengemiddelde onder het maximum bleef dat je bij de ontvangst ziet. Als je dat effect ook in jouw netwerk ziet, schakel dan terug naar de standaard framegrootte van 1500 bytes.

met verschillende link rates tussen NAS en switch. Die benchmark meet de doorvoersnelheid die een gebruiker haalt bij het kopiëren van bestanden van verschillende grootte.

Omdat de processor in de F5-422 slechts twee SATApoorten ondersteunt, moesten de ontwikkelaars SATA-multiplexerchips gebruiken om vijf schijven aan te sturen. Vanwege dit knelpunt kan het apparaat, zelfs met een RAID-5-array, slechts de maximale snelheid die een enkele SATA-schijf met een 6Gbit/s-interface kan bieden halen: 560 MB/s.

SNELLER ONDANKS BOTTLENECK

Het tweede knelpunt van de F5-422 zul je daardoor niet opmerken: de NBase-T chip Marvell Aquantia AQC107 is slechts met twee in plaats van vier PCI-Express-lanes op de processor aangesloten. Daarom kan vanuit die kant maximaal 7 Gbit/s worden overgezet, dus ongeveer 850 MB/s.

Zelfs als de besparingstrucs van de TerraMaster-ontwerpers geen tienvoudige datasnelheid toestaan ten opzichte van gigabit-ethernet, is een vijfvoudige snelheid voor grote bestanden nog steeds mogelijk (zie staafdiagram). Bovendien was de F5-422 in de c’t-test lekker zuinig met energie: met een 10 Gbpsverbinding en ssd-configuratie haalde hij een keurig zuinige 15 watt uit het stopcontact.

De benchmarks laten zien dat zelfs bij het overzetten van veel kleine en enkele middelgrote bestanden, er een lichte winst is te halen met multigigabit-ethernet. Dat zie je vooral bij het schrijven, omdat de NAS dan in zijn RAM kan bufferen.

Toch blijft de latentie bij de verwerking van bestandsoperaties (openen, schrijven, lezen, sluiten) door het besturingssysteem de datasnelheid afremmen: de doorvoersnelheid bij kleine bestanden is een orde van grootte lager dan bij grote bestanden. Dat plaatje zal er zelfs met duurdere NAS-modellen met snellere processors en meer RAM niet significant anders uitzien.

NAS MET MEER RAM

Met de 4 GB RAM die af fabriek beschikbaar is, is de TerraMaster F5-422 volgens de huidige maatstaf krap uitgerust. Met een extra 4GB-module (SODIMM DDR3L) die we hebben toegevoegd, is de doorvoer van kleine bestanden niet veranderd. Maar de overdracht van grote bestanden profiteerde wel aanzienlijk van de Ethernet-snelheid van 5 Gbit/s: iets meer dan 200

MB/s bij het schrijven werd ongeveer 300. Bij het lezen via een 10Gbit/s-link steeg de datasnelheid soms tot iets meer dan 600 MB/s omdat de NAS meer kon bufferen en een deel van de data niet van de ssd’s hoefde te halen. Als test hebben we van de 400MB-bestanden jumbo-versies van 2 GB gemaakt om te meten of de netwerkoverdracht wat efficiënter verloopt. De leesdoorvoer daalde daarmee echter licht (444 in plaats van 546 MB/s bij de 10G-verbindingssnelheid).

Dit kan nog wat verbeterd worden met de RAM-uitbreiding (498 in plaats van 444 MB/s). Houd er daarom rekening mee dat je NAS of server zich anders gedraagt met bestanden van verschillende grootte.

ALTERNATIEF VOOR GLAS

Voor de volledigheid moeten we ook kijken naar 10-gigabit/ s-verbindingen over glasvezel. Bij optisch ethernet lopen de twee transmissierichtingen traditioneel over twee media, namelijk optische vezels, langs elkaar in een kabel. Voor de te overbruggen afstanden in lokale netwerken worden multimode-kabels (OM) en SFP+ optische modules voor 10GBase-SR (Short Reach) gebruikt. Die laatste zijn verkrijgbaar vanaf 30 euro, als paar soms voor 40 euro.

Multimode-patchkabels van de kwaliteitsklasse OM3 (300 meter bereik bij 10 Gbit/s) met LC-connectoren die overeenkomen met de SR-modules, worden kant-en-klaar als eindproduct aangeboden in lengtes tussen 0,5 en 50 meter. Een kabel van 10 meter kost ongeveer 15 euro, 50 meter heb je voor rond 40 euro. In principe kunnen deze kabels net als koperen kabels worden gelegd, maar ze verdragen minder mechanische belasting: je mag er niet heftig aan trekken of ze meer buigen dan de toegestane buigradius, anders kunnen de haardunne vezels binnenin breken.

Bidirectionele optische modules (bidi) zijn ook al enige tijd op de markt. Die transporteren in beide richtingen via één vezel, op verschillende golflengten. Dit maakt het mogelijk om de bandbreedte van een gelegde kabel te verdubbelen, omdat er niet slechts één ethernetverbinding overheen kan worden geregeld, maar twee.

Als er een keer vezelbreuk optreedt, kan de ethernetverbinding weer tot leven gewekt worden door de conventionele modules te vervangen door modules die geschikt zijn voor bidi. Een paar voor 10-gigabit-geschikte bidi-modules, bijvoorbeeld Ubiquiti’s UFSM-10GS, zijn er voor ongeveer 160 euro. Dat is misschien geen koopje, maar het is vaak goedkoper en sneller dan het trekken van een nieuwe kabel.

Vanwege de spectrale scheiding moet je de bidi-modules altijd in paren met bijpassende ‘kleuren’ gebruiken: daarbij zendt de ene op 1270 nanometer, de andere ontvangt daarop. Voor de tegenovergestelde richting gebruiken beide een tweede golflengte, bijvoorbeeld 1330 nm. Er is iets wat glasvezels zeker niet kunnen. In tegenstelling tot koperdraden transporteren ze geen energie. Snelle wifi-accesspoints hebben dus een aparte voeding nodig, in plaats van dat dit direct vanuit de switch gebeurt via de netwerkkabel. Accesspoints met SFP+-slots zijn daarom zeldzaam.

ENERGIEVERBRUIK

NBase-T heeft meer energie nodig dan gigabit-ethernet, en het energieverbruik is ongeveer lineair met de snelheid. Bij de maximale datasnelheid van 10 Gbit/s moet je ongeveer 3 watt per actieve poort rekenen, terwijl dit bij gigabit-ethernet ongeveer een tiende is. Een goed benutte NBase-T-switch zal dus meer warmte produceren dan zijn gigabit-tegenhanger. Die warmte moet wel weer weggewerkt worden, dus meestal habben ze een min of meer lawaaierige ventilator. En die ventilator schroeft de energierekening nog wat meer op.

Of het energieverbruik op de middellange termijn nog zal afnemen, is nog maar de vraag. Het kost DSP-rekenkracht in de PHY (fysieke laag, elektronische circuits) en dus energie om 10 Gbit/s door een koperen kabel te persen. Wie de bestaande kabelinfrastructuur wil blijven exploiteren, zal deze pil moeten slikken.

10GE optische modules voor SFP+ daarentegen zijn met ongeveer één watt vrij zuinig. Als ze over maximaal 5 meter rechtstreeks op een goedkope passieve DA-kabel (DAC) worden aangesloten, valt zelfs dat energieverbruik weg.

Als je snel twee apparaten wilt aansluiten die zich vlak bij elkaar bevinden en vrije SFP+-sleuven hebben, bijvoorbeeld een NAS en een switch in een serverkast of in een 19-inch rack, gebruik je bij voorkeur een DAC.

CONCLUSIE

Multigigabit-ethernet versnelt de datasnelheid ten opzichte van het oude gigabit-ethernet enorm, en niet alleen op papier, maar ook duidelijk meetbaar in de praktijk. Een factor 5 zou vaak haalbaar moeten zijn, een factor 2 is in elk geval goed te doen. Als je voortdurend met zeer grote bestanden werkt, scheelt het je aardig wat tijd.

De techniek is klaar voor de markt, de adapters zijn betaalbaar en de switches worden dat ook langzamerhand. Dat geldt nog meer als je de verspilde manuren meetelt door onnodige wachttijd. Het overzicht op de volgende pagina's helpt je bij het maken van een keuze.