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Erschienen in LinuxUser 12/2006   »   Ausgabe bestellen

Highspeed-LAN mit Gigabit Ethernet

Schnelle Netze


Gigabit-Ethernet-Komponenten von der NIC bis zum Switch sind heute schon fürs kleine Geld zu haben. Lohnt der Umstieg auf das 1000-Mbit/s-Netz?

Marcel Hilzinger

README

Dieser Artikel zeigt, wie schnell Linux Daten über ein Gigabit-Ethernet-Netzwerk transportiert. Er vergleicht dazu die Protokolle FTP, SSH, NFS und SMB.

Gigabit Ethernet mit 1000 Mbit/s ist der Nachfolger des heute hauptsächlich genutzten Fast Ethernet (100-Mbit/s-Ethernet). Mit einer maximalen Nettotransferrate von 100 MByte/s übersteigt die Technologie selbst die Fähigkeiten der zurzeit schnellsten Festplatten. Ob der Einsatz im heimischen Netz trotzdem lohnt und wo die Einschränkungen liegen, versucht dieser Artikel zu klären.

Hardware-Einkauf

Gigabit-Karten bekommen Sie in jedem Computerfachgeschäft und inzwischen schon im Supermarkt. Die Preise für PCI-Karten liegen um 20 Euro, Cardbus-Karten für den PC-Card-Einschub von Notebooks kosten nur unmerklich mehr.

Die für die Tests verwendete Cardbus-Karte CSP100TCL gibt es in diversen Internetshops bereits für 15 Euro, das PCI-Board C1G32i schlägt beim günstigsten Online-Händler mit 12 Euro zu Buche. Bei drei oder mehr Rechnern darf natürlich auch ein Switch nicht fehlen. Entsprechende Gigabit-Geräte mit 5 Ports kosten rund 50 Euro. Im Test kam der CGIGA5 zum Einsatz. Sämtliche Testgeräte stammen von der niederländischen Firma Conceptronic [1].

Die meisten Gigabit-Karten benutzen den Chipsatz 8169 von Realtek, den 2.6er-Kernel über das Modul r8169 problemlos unterstützen. Auch die PCMCIA-Karte erkannte unser Testnotebook sowohl unter Ubuntu 6.06 als auch Suse Linux 10.1 problemlos (Abbildung ((1))). Gigabit-Karten mit anderen Chipsätzen kosten in der Regel deutlich mehr, funktionieren aber auch mit aktuellen Kerneln.

((1)) Beim Einschieben der Cardbus-Karte meldet sich die Suse-Hardwareerkennung.

Datenschieber

Wir wollten wissen, wie schnell Gigabit Ethernet wirklich arbeitet, und führten Tests über die Protokolle FTP, SSH, NFS und SMB durch. Einen XPC mini X 100 von Shuttle und einen handelsüblichen PC dienten dazu als Testrechner. Details zu den Rechnern finden Sie in der Tabelle "Testsysteme". Als Testdatei verwendeten wir ein 1 GByte großes ISO-Image.

Wie sich anhand der Resultate zeigt, gibt es mehrere mögliche Flaschenhälse beim Transfer über Gigabit Ethernet. Da ein Fast-Ethernet-Netz maximale Übertragungsraten von rund 10 MByte/s erreicht, gingen wir von Höchstwerten aus, die den maximalen Transferraten der benutzten Festplatten entsprechen (siehe Tabelle "Testsysteme").

Testsysteme
Pentium-IV-SystemPentium-M-System
ProzessorPentium 4 Pentium M, Dual Core
Taktrate3 GHz1,6 GHz
Hauptspeicher1024 MByte512 MByte
NetzwerkchipRealtek 8169Realtek 8169
FestplatteSamsung SP1203NSamsung SP2004C
Lesegeschwindigkeit laut Hdparm53,8 MByte/s53,5 MByte/s

In den Tests kam aber einzig der Download über FTP mit 46 MByte/s annähernd an diese Werte heran (Abbildung ((2))). Beim Schreiben per ncftpput auf den FTP-Server sank die Datenrate dann auf rund 30 MByte/s. Auch über die Secure Shell per scp ließen sich nur rund 30 MByte/s transferieren, wobei hier die Datenrate allerdings beim Schreiben und lesen konstant blieb. Die Netzwerkdateisysteme Samba und NFS kamen nur knapp über 15 MByte/s heraus, NFS schnitt dabei leicht besser ab als Samba.

((2)) Schneller geht's nicht: Mehr als 46,1 MByte/s über FTP ließ sich aus den SATA-Festplatten nicht herausholen. Beim sicheren Kopieren über das SSH-Protokoll bremste die CPU den Transfer aus.

Sämtliche Tests führten wir anschließend auch ohne Switch durch und verbanden die zwei Rechner dazu über ein Crosslink-Kabel. Die Resultate blieben aber weitgehend identisch.


Crosslink-Kabel: Im Gegensatz zu herkömmlichen Ethernetkabeln, deren Stecker an beiden Enden identisch sind, verdreht man für ein Crosslink-Kabel sechs der acht Drähte nach einem bestimmten Schema [2]. Damit lassen sich zwei Rechner auch ohne Hub oder Switch direkt verbinden.

Datenbremse

Gigabit Ethernet arbeitet deutlich flotter als Fast Ethernet. Dass es trotzdem nicht zehnmal schneller ist, wie auf vielen Packungen versprochen, hängt an verschiedenen Faktoren: Bremse Nummer Eins stellen die Transferraten der aktuellen Festplatten dar. Schnellste SATA-Platten bringen einen maximalen Datendurchsatz von 85 MByte/s. Zieht man davon den Performanceverlust durch das Dateisystem ab, bleiben maximal 80 MByte/s übrig.

Eine entsprechende Transferrate im Netz lässt sich allein über FTP erreichen, da das File Transfer Protokoll auf die schnelle Datenübertragung optimiert ist. Zudem schreiben die meisten Dateisysteme langsamer als sie lesen, was den relativ großen Unterschied bei FTP zwischen den Schreib- und Leseraten erklärt.

Wie sehr die Festplatte das Nadelöhr im Gigabit-Transfer darstellt, lässt sich sehr schön nachvollziehen, wenn man Daten per FTP von einer neuen SATA-Harddisk auf eine ältere, langsamere überträgt -- zum Beispiel auf eine Notebook-Platte. Die Datenübertragung beginnt mit der hohen Transferrate der SATA-Festplatte, sinkt dann aber schnell unter die Geschwindigkeit der älteren Festplatte, die in etwa das Resultat bestimmt.

Den zweiten Bremsklotz stellt bei den meisten Rechnern die CPU dar: Beim Transfer über scp (Secure Copy) ver- und entschlüsseln die Clients die Daten. Dieser Vorgang sorgt auf allen beteiligten Rechnern für eine hohe Prozessorlast. Tests mit einem langsameren Pentium-3-Rechner zeigten, dass bei zwei unterschiedlich leistungsfähigen CPUs immer der Rechner mit dem langsameren Prozessor das Nadelöhr darstellt -- unabhängig davon, von welchem Rechner auf welchen kopiert wird. Dies erklärt auch die identischen Zeiten fürs Lesen und Schreiben über scp.

Schließlich bremsen auch die Protokolle selbst. Während FTP in erster Linie auf den schnellen und scp auf den sicheren Datentransfer abzielt, bringen Samba und das Netzwerkdateisystem NFS erweiterte Eigenschaften mit. Hier zählt in erster Linie die Stabilität und der Funktionsumfang der Verbindung. Beide Protokolle schreiben langsamer, als sie lesen und erreichen knapp die Hälfte der Transferrate via scp. Zusätzlich zum Protokoll selbst bremst aber auch hier die CPU kräftig mit: So schlug in den Tests das CPU-Meter alle drei bis vier Sekunden auf 100 Prozent aus.

Trotz all dieser Widrigkeiten darf man aber nicht vergessen, dass Gigabit Ethernet doch sehr flott arbeitet. Dies zeigt sich, wenn man die gleiche Datei einmal übers Netzwerk und einmal auf der gleichen Festplatte auf eine andere Partition kopiert: beim lokalen Hin- und Herschieben erreichten die Samsung-Platten der Testrechner nur 19 MByte/s.

Fazit

Gigabit Ethernet arbeitet zügig und bringt auf aktuellen Linuxsystemen in etwa eine Verdreifachung der Durchsatzrate. Dass es nicht zehnmal schneller als Fast Ethernet ist, hängt in erster Linie an der mangelnden Performance von Heim-PCs. Mit besseren Festplatten und CPUs liegen Transferraten von 100 MByte/s -- also der maximalen Netto-Transferrate von Gigabit Ethernet -- durchaus im Bereich des Möglichen. Gigabit Ethernet stellt also eine gute Investition in die Zukunft dar. Es lohnt sich in jedem Fall, wenn mehr als zwei Clients auf einen schnellen Server zugreifen wollen. So erreichten unsere Testsysteme bei zwei gleichzeitigen FTP-Zugriffen zusammen über 60 MByte/s, bei mehreren gleichzeitigen Downloads steigt diese Rate noch. (mhi)

Infos
[1] Conceptronic: http://www.conceptronic.net
[2] Crosslink-Belegung: http://www.hardware-bastelkiste.de/index.html?nw_tp.html

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