Maak je netwerk sneller met multigigabit-ethernet

Het gangbare gigabit-­ethernet verplaatst gegevens in het beste geval met 115 MB/s over het netwerk. Maak je netwerk sneller met multigigabit-ethernet en verkort wachttijden tot een vijfde of minder. We kijken naar de snelheden en wat je nodig hebt.

Moderne SATA-ssd’s halen een snelheid meer dan 500 MB/s en sommige NVMe-ssd’s zelfs meer dan 3000 MB/s. Bij een gigabitnetwerk moet je dan bij verplaatsen of kopiëren van bestanden wachten op het netwerk. Daar is iets aan te doen.

Zelfs op de standaard bekabeling naar werkplekken of in een thuisnetwerk is al enkele jaren veel meer mogelijk dan gigabit-ethernet kan bieden. De NBase-T technologie haalt behalve 1 en 10 Gbit/s ook de tussenliggende snelheden 2,5 en 5 Gbit/s.  Daarmee kan zelfs oude CAT-5e conforme bekabeling aanzienlijk versneld worden en vaak werkt zelfs een 10Gbps-­verbinding halen er nog mee.

Dat is niet alleen nuttig voor bestandsoverdracht, maar ook in wifi-installaties op basis van de nieuwe WiFi-6-standaard, waarbij de totale datasnelheid bij meerdere streams en ontvangers kan uitstijgen boven de gigabit-ethernet-limiet van 1000 Mbps.

We gebruikten iperf3 op twee hosts onder ­Linux 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.

Multigigabit-ethernet in de praktijk (klik voor een vergroting).

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.

Bij combopoorten op switches kun je de RJ45-poort (links) met klassieke patchkabels gebruiken voor multigigabit-ethernet.

Niet alleen de doorvoersnelheid is hoger. De latentie tussen de stations, hier gemeten als Round-Trip-Time (RTT) per ping, neemt ook iets af door de hogere datasnelheid op de kabel. Het verschil tussen 0,50 milliseconden bij 1 Gbit/s en 0,40 milliseconden bij 10 Gbit/s is procentueel gezien aanzienlijk. In absolute zin is het met 0,1 ms alsnog niet relevant voor bijvoorbeeld gamers.

De ping-tijd tussen het thuisnetwerk en game­servers op het internet bedraagt minstens 5 milli­seconden, terwijl waarden tot 20 milliseconden nog steeds als goed worden beschouwd. De zeer kleine winst in het thuisnetwerk dankzij 10Gbit/s-ethernet gaat verloren door internetruis (jitter). Als het alleen maar gaat om de ping, kunnen gamers zich de investering in NBase-apparatuur besparen.

De investering in NBase-T hoeft niet hoog te zijn. Een USB-C-adapter voor NBase-T (2,5 Gbit/s bij dit model) heb je al vanaf 35 euro.

Met behulp van een goedkope Network Attached ­Storage (NAS) barebone hebben we gecontroleerd welke schrijf- en leessnelheden je in de praktijk kunt verwachten van multigigabit-ethernet. De Terra­Master F5-422 heeft een interface met 10 Gbps, vijf drive bays en een enigszins moderne x86-processor (Celeron J3455) samen met 4 GB RAM. Om niet afhankelijk te zijn van het NAS-besturingssysteem van de fabrikant, hebben we het opensource besturingssysteem OpenMediaVault 5.5.3 (OMV) op het apparaat geïnstalleerd.

Net als veel andere NAS-besturingssystemen gebruikt dit Linux als basis, hier met kernel 5.6.0. Gezien de uitrusting zijn de resultaten ook goed te vergelijken met servers voor kleine werkgroepen. We hebben de NAS uitgerust met vier ssd’s, een kleine voor het systeem en drie modellen van 1 TB voor een RAID-5-­array. Daarop hebben we een onversleutelde share gemaakt met het voor Linux standaard bestandssysteem ext4. Hierop hebben we de c’t-NAS-benchmark (zie de link in deze NAS-review) uitgevoerd 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 ­SATA-poorten 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.

NAS-performance met ssd’s over (multigigabit-)ethernet.

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 ­Gbps-verbinding 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.

Blijf op de hoogte van de nieuwste (netwerk)informatie en tips!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

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 en het netwerk sneller wil maken, zal deze pil moeten slikken.

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. Een overzicht van geschikte hardware om je netwerk sneller te maken vind je in c’t magazine uitgave 10/2020.

(informatie afkomstig uit het artikel van Ernst Ahlers en Marco den Teuling, c’t magazine 10/2020, p. 60)