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2022年9月20日 (火)

家の中のネットワークを2.5GbEに置き換えて快適・高速化を試してみる&HeroBoxをNAS化

コンピュータネットワークの構築ってホント,楽になりましたよね.いつの時代の人やねんって言われそうですがw

PCを購入するとネットワークインターフェイスが普通に付いており,ケーブルをパチっと繋げるだけ.凝ったことをしようとしなければ,対向もルータやスイッチにつなぐだけで設定すら不要.そして(一昔前の価格を知っている人から見たら)ネットワーク機器が安い.それも1Gbpsの高速通信がデフォルトで.普通に使う分にはこの通信速度で不足はないでしょう.

しかしその一方で,大きなデータを扱う人は少しでも通信・転送時間を減らしたいため,常に高速なネットワークを望んでいます.例えば転送時間1時間だったものが,速度が10倍になって6分で済むようになればどれだけ作業がはかどることか….待ち時間の短縮は生産性に直結しますしね.

ふと周りも見回すと,一般家庭向けインターネット接続サービスでも1Gbpsを超える接続速度のプランを提供する会社が出てきており,WiFiでは2014年に規格化されたIEEE 802.11ac以降は理論値で1Gbps以上のトップスピードが出ます.いろいろな意味で1999年に規格化された1GbEの通信速度は環境・状況的にボトルネックになっており,現在の標準だけど『もう少し上』を目指す際の足かせになっていると言っても良いでしょう.

では…ということで『高速な10GbEに移行しよう』となるとそれなりに費用がかかります.企業ユースやハイエンドな個人(別名廃人w)であれば射程範囲内かもしれませんが,まだ製品が十分にこなれているとは言えないのも難点.例えば発熱の問題とか安定性の問題とか.

前フリが長くなりましたが,渡しの場合,仕事柄かなり大きなデータ(1回の実験で数TB~数十TB)を扱うことがあります.社内でジョブを回す場合はまぁ良いのですが,最近はどの会社でも一般化した『在宅勤務』の環境整備が急務になりまして….と,いうことで,2.5GbEのネットワーク構築について少し書いてみます.

このほかHeroBoxのオンボードNICが2.5GbEだったことに後から気付き,これをファイルサーバにした際のパフォーマンスチェックも行ってみました.

220902174703_r

改めてEthernetの規格について

昔は『イエローケーブル』と呼ばれた直径1cm程の太い10BASE5用ケーブルに専用工具で穴開け,トランシーバー取り付けて通信.1本のケーブルに何人もがぶら下がるため,10Mbpsの帯域を大勢でシェアしました.次に出た規格は10BASE2.端子がBNCになっている5mm程の太さのケーブルで数珠つなぎにして…って大変でしたねぇ.Appleの場合はAppleTalkや電話線のモジュラケーブルを使ったPhoneNetっていうのもあって…(ノスタル爺).その後10BASE-Tという規格が出来て今のようなツイストペアケーブルでスター型配線する形が一般的になりました.

規格化された年を調べてみると,10BASE5が1983年,10BASE2が1985年,10BASE-Tが1990年です.今の形態が一般化してから既に30年以上経つわけです.そして10BASE5から10BASE-Tまでが10年も間が空いていないことも驚き.そして100Mbpsの速度を持つ100Base-TXが規格化されたのは1995年,今広く普及している所謂『ギガビット・イーサネット』の1000BASE-Tは1999年に規格化されています.表にまとめると次の通り.

規格名称 規格化 ケーブル 通信速度
10BASE-5 1983年 通称『イエローケーブル』 10Mbos
10BASE-T 1985年 RG-58 10Mbos
10BASE-T 1990年 CAT.3 UTP 10Mbos
100BASE-TX 1995年 CAT.5 100Mbos
1000BASET-T 1999年 CAT.5 1000Mbos

なお,光ファイバを使用した通信等はこれと並行して規格化されているわけですが,普通の(笑)はほぼ触る機会が無いのでここでは採り上げません.

で,ここまでの流れとして現在の形態が1990年の10BASE-Tで規格化され,その後5年で速度が10倍の100Mbpsに.そして更にその4年後に1Gbpsに到達します.約5年で10倍になってます.半導体の集積度の成長速度を論じた『ムーアの法則』は『2年ごとに2倍』というものでしたが,それ以上のペースで通信速度が上がっていることになります.

そして気になるのは『1GbEのその後』ですが,規格としては少し間が空いて7年後の2006年に10GBASE-Tが策定されています(*).

(*)通信速度の向上という面では,CAT.8を使用する25GBASE-Tと40GBASE-Tが10GbEの後の2016年に策定されています.

この規格が策定されてから既に15年以上経過していますが,周りを見回しても10GBASE-Tが使われているのを見ることは殆どないですよね.100MbEや1GbEのときは一気にブワッと普及したように思うのですが,やはり導入コストが高いために普及が進まないのでしょう.『普通の人に10GbEは不要』という議論もありますが.

しかしその一方で無線のWiFiの速度も上昇し続け,2009年のIEEE 802.11nでは理論値で最大600Mbpsだったものが,2014年の802.11acでは6.93Gbpsと1Gbpsを超えます.家庭用のWiFi親機でも1Gbpsを超える数字を表記している製品が普通に売られています.1Gbpsオーバーという意味では無線の方が身近かもです.しかし無線親機は有線経由でルータに接続されて運用されるわけで,接続先の有線よりも無線の方が高速というのは捻れた状況です.そして802.11nが策定された当時に策定済であった10GBASE-Tでは広く使用されているCAT.5eが使用できないため,単に機器の置き換えだけで高速化が行えないという問題もありました.

このような背景もあり,CAT.5eが利用可能な2.5GBASE-Tおよび5GBASE-Tが10GbEの後となる2016年に規格化されました.

規格名称 規格化 ケーブル 通信速度
1000BASE-T 1999年 CAT.5 1Gbps
10GBASE-T 2006年 CAT.6A 10Gbps
2.5GBASE-T 2016年 CAT.5e,CAT.6 2.5Gbps
5GBASE-T 2016年 CAT.5e,CAT.6 5Gbps

ちなみに2.5G/5GBASE-TではPoE(*2)にも対応しており,対応機器(PoE対応スイッチおよびPoE対応のWiFi機器など)を使用することによりケーブル1本で通信と電源の供給が可能になっています.

(*2)PoEの利用に関しては,こちらに記事を書きました

安くなって来た2.5GbE機器

と,このような経緯で10GbEよりも後に登場した2.5G/5GbEですが,当初はなかなか対応機器が出なかったり高価だったものの,ここ1,2年でかなり様相が変わって来たように思います.

半端ない発熱があり,これを轟音を発するファンで強制冷却するようなエンタープライズ向けの高価な製品は当初から出ていました.しかしこれではラックに入れて運用することしか出来ません.ところが最近はファンレスメタルシャーシの空冷タイプが比較的安く出回り始めています.例えばPlanexの8ポート 2.5GbEスイッチが1万5千円を切ってきたのはインパクトがありました.おそらく会社の居室や家に置くとしたらI/Oデータの8ポート(ETQG-ESH08)5ポート(ETQG-ESH05),かPlanex製の8ポート(FX2G-08EM)5ポート(FX2G-05EM)が選択肢に入ってくると思います.

そしてもう一つの流れとしては,NASやPCのマザーボードに2.5GbEが標準搭載され始めました.私が知っている範囲では,2018年頃からジワジワと搭載がされ始めたように思います.

さて,今回2.5GbEスイッチとしてはPlanex製の8ポート(FX2G-08EM)5ポート(FX2G-05EM)を使用しました.2022年9月現在の価格を確認すると,それぞれ1万5千円,1万円といった感じ.もう少し安くなれば爆発的に普及しそうな気配を感じます.例えば8ポートで1万円を切るとかね.あとはいずれ10GbEを積んだNASを導入したらQNAPのコレとかも試してみたいなと思っていますが,10GbEが射程距離に収まるのは更に数年先になりそう.

そして端末側はオンボードに2.5GbEを搭載した2機種です.

* * *

まずは8PortのFX2G-08EMを見てみましょう.金属製シャーシを採用しており,シャーシ全体で放熱する設計です.大きな発熱源となる電源を内蔵しておらず,ACアダプタを採用.そして前面にインジケータ,RJ45コネクタ,そして右端に電源コネクタが配置されています.

このレイアウトは賛否両論あると思います.私は(家では)ラックに固定したりはしないけど,前面からのみアクセスできる場所に設置する事が多いので,メンテのときのことを考えるとこのタイプが使いやすく感じています.(その一方で,ラックに設置しないのであれば,背面にコネクタ,前面にインジケーターの方がが良いという意見も分からないではない)

220902174642_r

背面はスッキリ.内部の空気の対流を促すためのスリット状の開口部があります.

220902174700_r

メーカー名,型番等は背面に印刷されています.

220902174703_r

インジケータは正面左側.ループ検出,電源のインジケータの他に,各ポートのリンク・通信状態や速度(2.5Gbpsでリンクすると緑,100M/1Gbpsでリンクするとオレンジ)も表示されます.

220902174727_r

そしてサイドにもスリットがあります.

220902174714_r

5ポートのFX2G-05EMも基本的には同じ構成で,ポート数が5ポートになって横幅が短くなった感じ.ただしACアダプタは同じ形状ですが,8ポート用は12V 1.5Aの18Wに対し,5ポート用は12V 1.0Aの12Wと異なる物になっています.

220902174749_r

気になる発熱に関しては居室に設置してゴリゴリ使ってみた状態で『まぁ熱いかな』という感じ.『アチッ!』という感じではなく,それなりに発熱するけど放熱が追い付いている感がある範囲内です.

そして実験時のスイッチと端末の接続ですが,8ポートスイッチに直結でHeroBox,別室に30mのCAT.6ケーブルを伸ばして5ポートスイッチを接続し,その下に別のPCを接続しました.

実は当初,HeroBoxが2.5GbEに対応していることを知りませんでした.今回のスイッチに繋げ直したところ2.5GbEでリンクアップしたので『ん?』と思い,Cockpit(Webから使用できるLinux用のサーバ管理ツール)で確認したらオンボードのネットワークコントローラがIntel I225-Vで2.5GbE対応していることを知った次第.これは良い意味で想定外でした.おまけにubuntuから自動認識で普通に使えてるし.嬉しい.

PCの方はASRock B550M Steel Legendにオンボードで2.5GbE対応のRealtek RTL8125AGが乗っていましたので,これをそのまま使用.これも挿したら(下のように)すんなり自動認識&安定動作.

Ryzen

ついでと言ってはなんですが,今回は使用しなかったけどPlugable USBC-E2500をご紹介.

これはWindowsだけでなくMacやLinuxでもそのまま使用できる鉄板の2.5GbE対応USBネットワークインターフェイスです.使用チップはRealtek RTL8156Bとのこと.『発熱がヤバイ』2.5GbE USBネットワークインターフェイスが巷で沢山
売られていますが,この製品は発熱がマイルドです.

220902135544_r

USB3.2Gen1(USB3.0/USB3.1Gen1も同じ規格)であれば通信速度が5Gbpsなので,2.5GbEを余裕を持ってハンドリングできます.そして端子はUSB Type-AとType-Cが利用可能.

220902135703_r

本体からはType-Cが出ており,アダプタを介することによりType-Aにも接続できます.Type-Cのみを使うのであれば,アダプタを切り離してコンパクトにしてしまっても良いでしょう.

ネットで知った話ですが,linuxベースのNAS(NetGearのReadynas等)かつUSB3.0端子があり,メーカーがkernelソースを公開している場合はドライバをビルドして認識させることが出来るようです.つまり,1GbEにしか対応していないNASでも2.5GbEに接続可能ということです.

220902135719_r

通信速度・パフォーマンスを調べる

HeroBoxとPC間の通信速度,そしてHeroBoxをNASとして使用した際の総合的なパフォーマンスを調べてみました.

まずは通信速度.ubuntuがインストールされたHeroBox側で

# apt install iperf3

# iperf3 -s

としてiperf3をインストールした後にサーバモードで起動します.次にWin11の動いているPCでこちらのリンクから最新版のiPerf3.1.3を落として展開します.そしてwindowsターミナルで

iperf3.exe -c <サーバのIPアドレス>

として実行します.通信速度の検査が始まり,自動的に終了します.Windows側に表示された結果は以下通り.

.\iperf3.exe -c <HeroBox>
Connecting to host <HeroBox>, port 5201
[ 4] local <IPアドレス> port 59628 connected to <HeroBox> port 5201
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[ 4] 0.00-1.00 sec 276 MBytes 2.31 Gbits/sec
[ 4] 1.00-2.00 sec 272 MBytes 2.29 Gbits/sec
[ 4] 2.00-3.00 sec 274 MBytes 2.30 Gbits/sec
[ 4] 3.00-4.00 sec 274 MBytes 2.30 Gbits/sec
[ 4] 4.00-5.00 sec 275 MBytes 2.31 Gbits/sec
[ 4] 5.00-6.00 sec 276 MBytes 2.31 Gbits/sec
[ 4] 6.00-7.00 sec 276 MBytes 2.31 Gbits/sec
[ 4] 7.00-8.00 sec 277 MBytes 2.32 Gbits/sec
[ 4] 8.00-9.00 sec 276 MBytes 2.31 Gbits/sec
[ 4] 9.00-10.00 sec 274 MBytes 2.30 Gbits/sec
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[ 4] 0.00-10.00 sec 2.68 GBytes 2.31 Gbits/sec sender
[ 4] 0.00-10.00 sec 2.68 GBytes 2.31 Gbits/sec receiver

iperf Done.

ログから2.3Gbits/secが送受信ともに出ていることが確認出来ました.概ね2.5Gbps出ているようです.満足.

で,おそらくネットワークに詳しい人であればきっとこうツッコミを入れるでしょう.『MTUは?』とか『ジャンボフレームは?』と.試してみた結果は以下の通り.

HeroBox側MTU PC側MTU 通信速度(iperf3)
1500 1500 2.31Gbps
1500 4088 2.29Gbps
1500 9014 2.30Gbps
4088 4088 1.92Gbps
9014 9014 1.85Gbps

正直違和感のある結果.

普通はジャンボフレームを使用できるようにした方がパケット分割が抑えられるので実効速度が上がるはずです.しかしHeroBox側はMTUを1500Byteにしていないとパフォーマンスが下がるという結果に.色々と原因は考えられるけど,10%~20%の差は誤差と言うには大きいので,1500のままで使用することにしました.

* * *

次にHeroBoxをNASとして使用した際のパフォーマンスをチェック.HeroBoxに内蔵したM.2のSSDと2.5inchSSDをsambaで共有し,PCからマウントしてCrystalDiskMarkでベンチを取ってみました.

まずはM.2のSSD(WDS200T1R0B).試行回数を1回にしていますが,その点は目を瞑ってください.SSDをあまり痛めつけなくないんですよ….で,結果を見るとシーケンシャルリードで概ね2.5Gbps出ていることが分かります.

M2crystaldiskmark_20220902191332

次に2.5inch SSD(WDS200T2B0A).こちらもシーケンシャルリードで概ね2.5Gbps出ています.

SATA3は理論値で6Gbps.今回使用したこれらSSDは巷のベンチ結果によると500MB/s以上出ています.つまり,SSD側ではなくネットワークのワイヤースピードがボトルネックになっていることが分かります.

一世代古い規格のSATA2の転送速度の理論値は3Gbpsです.少し前の環境のローカルディスクの最大速度とほぼ同じ速度でネットワーク経由でアクセス出来ているということです(*3).凄い時代になったなぁ.更に書くと,5GbEにして帯域をキッチリ使い切れば,ほぼSATA3で接続したローカルのSSDと同等の速度になります.早く来い,5GbE/10GbE時代!!

(*3)昔,UNIXの後継として開発されていたPlan9というOSがありまして,ローカルリソースもネットワーク経由のリソースもファイルとして扱えて…という極めて先進的かつ変態的な(褒め言葉)OSでした.マシン同士が高速なネットで接続されてていたら高速なバスで直結された並列計算機のようなものなので,物理的な存在場所がローカルかリモートかという違いは意識しなくても良いかもですな.そういえば当時一緒に働いていたDECの某社員がPlan9の問い合わせをしてたらソースを送って来てくれたってことでホクホクしながら触ってたっけ…楽しい時代でした.

Ssd_crystaldiskmark_20220902191551

HeroBoxは3.5inch HDDを内蔵出来ません.また,eSATA端子もありません.そのため,外付けストレージはUSBを使用して接続することになります.この辺りの面白い機器ネタはまた次回にレビューするとして,USB3.2 Gen1(USB3.0/USB3.1Gen1も同じ規格)は5Gbpsの通信帯域があります.そのため,理論上はSATA3と同等の速度でストレージアクセス出来ますし,この速度は2.5GbEよりも高速.であれば,大容量製品が安く買える(ビット単価が安い)3.5inch HDDをUSB3.0アダプタを介してHeroBoxに接続し,それをネットワーク共有したら高速かつ大容量なNASが実現出来るのでは…と,思いますよね.

早速WD RED Plus 14TB(WD140EFGX)をLogitecのLGB-EKU3で接続して試してみました.結果はシーケンシャルリードで概ね2.5Gbpsキッチリ出る感じ.SSDと同じで…あり得ない.ディスクの転送速度はhdparm -tで試すと200MB/sくらいですし,巷のベンチ結果を見てもそのくらいの値です.試しにこの後CrystalDiskMarkで繰り返し回数を増やしたり1GiBから64GiBまで読み込み/書き込み容量を増やしてみたのですが結果は変わらず.

Crystaldiskmark_20220906122010

では…ということで,実際の使用状況に近いと思われる大きな容量のファイル(4GB)をコピーしてみました.

タスクマネージャーで見ると結果は一目瞭然でした.最初にHeroBoxのキャッシュの効果が出て2.5Gbpsの速度が出ますが,キャッシュから外れたあとは1Gbps前後の転送速度で推移しているのが分かります.つまり,ベンチ結果が良かった理由は(HeroBoxの)システムとしてのキャッシュが有効に働いていたからだと考えられます.キャッシュの効果が無くなった後は概ね100MB/sにまで転送レートが落ちているので,本来200MB/sが出せるHDDのポテンシャルを考えるともう少し頑張ってほしいところではありますが.

しかしその一方で,概ね安定して1Gbps前後出ているとも言えます.例えばUSB3.0に外付けでHDDを2本ぶら下げてNAS運用はアリかもしれません.計算上はHeroBoxにぶら下がった別のディスクに対するコピーであれば,それぞれロス無く1Gbpsでコピー出来て2.5GbEの帯域を有効利用出来る筈ですから.

C1

そしてコピー終了後にもう一度同じファイルを同じようにコピーしてみたところ,下のような感じになりました.HeroBox+Ubuntu,なにげにNASとして優秀かも.4GBのファイルのほぼ全てをキャッシュを使って2.5Gbpsで転送しています.HeroBoxは8GBしかメモリを積んでないのに…と,考えると少々謎な部分もありますが.

なお前述したSSD(M.2,2.5inch共に)へのアクセスであれば,初回コピーでも転送速度の低下は無くコンスタントにフルスピードでアクセス出来ていました.

C2

まとめ

と,いうことで,1GbEから2.5GbEへの環境移行の検証をしてみました.結論としては,

  • Planexの2.5GbE 5Port/8Portのスイッチは優秀.性能も安定性も問題なく,発熱も酷くはない
  • IntelおよびRealteckのオンボード2.5GbEインターフェイスも安定して動作.パフォーマンスも申し分ない
  • HeroBox,NASとしても神やろ

と,いった感じ.1GbEと同様,2.5GbEも『挿せばつながる』といった感じです.通信が出来なくなったり極端に通信速度が遅くなるような機器間の相性や不安定性等を危惧したのですが,その気配は皆無でした.特にRealteckらしからぬこの安定性w(褒め)

今後は2.5GbEの端末をより沢山ぶら下げて様子を見て…という感じです.実験後にWAN側2.5GbEのWiFi6のAPを追加で繋ぎ,色々試していますが安定動作中.

そして主目的である通信速度ですが,これまで『つつ~』っとコピーされていたものが,『スルスルスル~』っとコピーされていくようになり,目に見えて待ち時間が短縮されました.文字通り倍速に.あまりに快適過ぎて5GbEにしたら…とか10GbEだと…とか欲が出るほどです.

これまで『コピー終了まで1日』とか表示されて血反吐を吐きつつ悶絶しそうになったことが何度もありますが,(NAS構成次第で)これが12時間以下になり,そして『夜にセットすれば翌朝には即,仕事開始できる』という状態は何とも言えない有り難さがあります.

最後にHeroBoxですが,ホント神機ですわ.諸々必要なものは最初から入っていてubuntu入れるとスルッと動き,メモリも8GBと実用となる最小限は確保されており,M.2 SSDの換装や2.5inch SSDの増設が出来,CPUも用途を誤らなければハイパフォーマンス.その上USB2.0が2ポート以外にUSB3.0が3ポートある上にオンボードNICが2.5GbEですよ.こんなマシンが約2万円で買えるなんて…と,いう感じです.興味のある方は,このエントリーこのエントリーも読んでみてください.

ちょっと脱線気味になりましたがPlanexの2.5GbE 8ポート(FX2G-08EM)5ポート(FX2G-05EM)のスイッチ,普通に動くし安心感があって良いです.価格も他社製と比較して数割安くて購入しやすい.現状でのベストかな.オススメ.そしてオンボードが2.5GbEでない人は,Intelのコレとか使うと安くて良いかも.最後に何度も繰り返しますが使えば使うほど凄さを感じるCHUWI HeroBox,これは超絶オススメです.2.5GbE環境下の汎用サーバとして凄く使い出がありますねぇ.これは良いマシンだ.

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