18/08/2009 di Redazione

Gigabit Ethernet e il miraggio della massima velocità

Passare dalla rete 100 megabit alla rete gigabit è ormai un obbligo, anche se il bandwidth non è sempre quello sperato.

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Introduzione

Non avevamo fretta di aggiornare la nostra rete casalinga dalla velocità 100 Mb/s alla Gigabit, una decisione un po' strana se considerate quanto tempo spendiamo nell'attesa del trasferimento dei file. Tutto questo perché quando spendiamo soldi per aggiornare i PC, pensiamo ai componenti che offrono un immediato aumento delle prestazioni nelle applicazioni e nei giochi con cui ci dilettiamo. Spendere soldi per componenti quali schede video, CPU e persino periferiche è quasi come acquistare dei giocattoli, per noi. Per alcune ragioni, i componenti di rete non ci danno lo stesso eccitamento. Davvero è più difficile spendere soldi guadagnati con fatica quando è un investimento sull'infrastruttura, anziché un regalo di compleanno anticipato.

Inevitabilmente, tuttavia, la nostra domanda di bandwidth più elevato è diventata pressante. Tutti i sistemi del nostro ufficio avevano già controller di rete gigabit, integrati nelle schede madre. Per questo motivo, abbiamo deciso di aggiornarci.

No, a gigabit network does not have to be this complex
Un rete molto complessa - Clicca per ingrandire.

Prima di mettere insieme i pezzi acquistati, abbiamo eseguito la copia di un grande file sulla vecchia rete 100 megabit, impiegandoci un minuto e mezzo. Passando alla rete gigabit, abbiamo impiegato 40 secondi nella copia dello stesso file. Si tratta di un buon incremento delle prestazioni, ma non è la differenza di 10 volte che aspettavamo tra la 100 Mb/s e la 1 Gb/s.

Scopriamo che cosa succede partendo dalle basi. Se siete un mago della rete e sapete tutto circa MTU, dimensioni dei frame e le minuzie per ottimizzare una rete, quest'articolo vi sembrerà elementare. Tuttavia se non sapete molto di reti eccetto che sono coinvolti computer e cavi, la lettura potrebbe essere utile. Affronteremo i fondamentali delle rete gigabit, le variabili che impatteranno sulla velocità di rete e che cosa un utente casalingo può fare per avere il meglio dalla Gigabit Ethernet.

Cosa compone una rete Gigabit? Cavi, schede, router

Una rete gigabit richiede che ogni parte della rete sia compatibile con lo standard, altrimenti funzionerà alla velocità del componente più lento. Per esempio, se state facendo funzionare una rete con schede di rete gigabit e cavi compatibili, ma il vostro hub/switch è capace solamente di trasferimenti a velocità 100 megabit, la vostra rete funzionerà a velocità 100 megabit.


Ogni computer deve essere dotato di una scheda Gigabit - Clicca per ingrandire.

Probabilmente vorrete che ogni computer della rete abbia una scheda di rete gigabit o una soluzione integrata adatta. Questo è probabilmente è uno dei requisiti più facili cui far fronte, perché molti produttori di schede madre nei due anni passati hanno offerto soluzioni gigabit, e oggi sarebbe difficile trovare una scheda madre priva di questa caratteristica.


I nuovi cavi offrono qualche vantaggio, ma anche quelli vecchi vanno bene - Clicca per ingrandire.

Il secondo pre-requisito è che anche il cavo di rete deve essere compatibile con la velocità gigabit. C'è una concezione comune errata, ovvero che le reti gigabit richiedano cavi Category 5e, ma attualmente, persino i vecchi cavi Category 5 supportano velocità gigabit. Detto questo, i cavi Cat 5e hanno migliori caratteristiche sull'interferenza elettromagnetica e sono perciò la miglior scelta per una rete gigabit, specialmente quando vengono usati cavi molto lunghi. I cavi Cat 5e, inoltre, sono probabilmente i meno costosi che troverete oggi, perché i Cat 5 sono obsoleti. Ci sono anche i cavi Cat 6, più costosi, che offrono più garanzie e certificazioni: li metteremo a confronto con i Cat 5, più avanti.


Per una rete domestica, un router è la scelta migliore - Clicca per ingrandire

Il terzo e probabilmente il più costoso dei componenti di una rete gigabit, è un hub compatibile con tale velocità. Uno switch o un router sarebbero preferibili, poiché un hub è un dispositivo "stupido" che condivide tutto il bandwidth del traffico di rete con ognuna delle sue porte, il che può causare molte collisioni dei dati e, perciò, velocità di rete più basse. Uno switch gigabit dovrebbe essere il requisito minimo per chi è interessato alle prestazioni di rete, perché dirige i pacchetti sulla rete verso la porta corretta, a una velocità superiore rispetto a un hub. Anche un router è preferibile rispetto a hub, perché è capace di switching, oltre a connettere la vostra LAN a Internet. Per un'installazione domestica, in effetti, un router è la scelta migliore.

Primo test, velocità teorica

Quanto è veloce una gigabit? Se avete sentito il prefisso "giga" e pensate a 100 megabyte, potreste pensare che una rete gigabit sia in grado di fornire 100 megabyte al secondo, ma potreste scoprire che la realtà dei fatti è diversa.

Cos'è un gigabit? Sono 1000 megabit, non 1000 megabyte. Ci sono otto bit in un singolo byte, quindi facciamo un calcolo matematico: 1000.000.000 bit diviso 8 bit = 125.000.000 byte. Ci sono circa un milione di byte in un megabyte, perciò una rete gigabit dovrebbe essere capace di fornire una velocità di trasferimento massima teorica di circa 125 MB/s.

125 MB/s, in effetti, non suono così pomposo come "gigabit", ma resta un valore molto alto: a questa velocità è teoricamente possibile trasferire un gigabyte di dati in otto secondi, o 10 GB in un minuto e 20 secondi, un valore eccezionale, seppur teorico. È un salto enorme, comparabile a quello che separa le prime chiavi USB da quelle attuali.

Con i valori teorici in testa, abbiamo spostato un file sulla rete gigabit e controllato la velocità per vedere se fosse vicina ai 125 MB/s. Non abbiamo usato una rete di sistemi incredibili, ma una vera rete casalinga con alcune vecchie, ma decenti, tecnologie.


Tra velocità teorica e reale, abbiamo rilevato una differenza notevole.

Copiare un file da 4,3 GB tra due PC della rete, per cinque volte, ci ha portato ad un valore medio di 35.8 MB/s, circa il 30% della velocità teorica della rete gigabit.

Qual è il problema?

I limiti della rete

È stato relativamente semplice mettere insieme i componenti per creare una rete gigabit, ma ottenere la massima velocità teorica è più difficile. I fattori che possono causare rallentamenti della rete sono numerosi, ma anche ben conosciuti, e probabilmente derivano principalmente da quanto velocemente l'hard disk può ottenere dati dal controller di rete.


Le connessioni PCI più datate possono rappresentare un limite - Clicca per ingrandire

Il primo limite che abbiamo considerato è l'interfaccia del controller di rete gigabit con il sistema. Se state usando un controller che risiede su un vecchissimo bus PCI, l'ammontare del throughput teorico dei dati disponibile è 133 MB/s. Anche se sembra abbastanza rispetto ai 125 MB/s massimi della rete Gigabit, ricordate che il bandwidth del bus PCI è condiviso attraverso l'intero sistema. Ogni scheda PCI aggiunta e molte risorse del sistema condivideranno quel bandwidth, limitando la quantità disponibile alla scheda di rete. Su nuovi sistemi PCI Express, questo non dovrebbe essere un problema, perché ogni linea PCIe ha almeno 250 MB/s esclusivi a sua disposizione.


I cavi sono un altro elemento al quale fare attenzione - Clicca per ingrandire.

Un altro aspetto della rete che è spesso indiziato è la cablatura. Si dice spesso che sono garantite velocità ridotte se i cavi di rete sono disposti vicino a cavi di alimentazione che possono causare interferenze. I cavi più lunghi possono essere problematici, perché il cavi di rate Cat 5e sono certificati solo per 100 metri di lunghezza.

C'è chi sostiene a spada tratta l'uso dei nuovi cavi Cat 6 anziché di classe Cat 5e. Alcune di queste affermazioni sono difficili da verificare, ma possiamo comunque fare una prova.


Windows 98, il sistema con cui moltissimi utenti hanno scoperto la rete.

Non dimenticate, inoltre, il sistema operativo: i sistemi più datati, come Windows 98, potrebbero guadagnare qualcosa da una rete gigabit, ma con alcuni limiti. Windows 2000 e versioni più recenti di Windows, invece, non recano problemi. Useremo Windows Vista 32 bit per i nostri test.

Poi, passeremo a considerare gli hard disk. Persino la vecchia interfaccia IDE dovrebbe essere capace di supportare una velocità teorica del trasferimento dati di 133 MB/s e le nuove specifiche SATA dovrebbe essere capaci di fornire almeno 1.5 Gb/s di bandwidth. Tuttavia mentre i cavi e i controller potrebbero essere in grado di amministrare i dati, gli hard disk forse no.

Potrebbe lavorare più velocemente all'inizio del disco, ma rallenterà completamente durante il trasferimento. I dati localizzati alla fine del disco verranno letti persino più lentamente, forse a circa 45 MB/s.

A questo punto, sembra che stiamo per capire da dove deriva il collo di bottiglia ravvisato. Che cosa possiamo fare? Eseguiamo alcuni test e vediamo se possiamo raggiungere prestazioni vicine al limite teorico della nostra rete.

Sistema di prova

Server Client
CPU

Intel Core 2 Duo E6750 (Conroe),2.66 GHz, FSB-1333, 4 MB Cache

Intel Core 2 Quad Q6600 (Kentsfield), 2.7 GHz, FSB-1200, 8 MB Cache

Scheda Madre

ASUS P5K Intel P35, BIOS 0902

MSI P7N SLI Platinum Nvidia nForce 750i, BIOS A2

Rete On-Board Abit Gigabit LAN controller

On-Board nForce 750i Gigabit Ethernet

Memoria

Wintec Ampo PC2-6400 2x 2,048 MB, DDR2-667, CL 5-5-5-15 at 1.8 V

A-Data EXTREME DDR2 800+ 2x 2,048 MB, DDR2-800, CL 5-5-5-18 at 1.8 V

Grafica

ASUS GeForce GTS 250 Dark Knight 1 GB GDDR3-2200 738 MHz GPU, 1,836 MHz shader

MSI GTX260 Lightning 1792 MB GDDR3-1998 590 MHz GPU, 1,296 MHz shader

Hard Drive 1

Seagate Barracuda ST3320620AS 320 GB, 7200 RPM, 16 MB Cache, SATA 300

Western Digital Caviar WD50 00AAJS-00YFA, 500 GB, 7200 RPM, 8 MB cache, SATA 3.0 GB/s

Hard Drive 2

2x Hitachi Deskstar 0A-38016 in RAID 1 7,200 RPM, 16 MB Cache SATA 3.0 Gb/s

Western Digital Caviar WD50 00AAJS-00YFA, 500 GB, 7200 RPM, 8 MB cache, SATA 3.0 GB/s

Alimentatore

Aerocool Zerodba 620w 620 W, ATX12V 2.02

Ultra HE1000X ATX 2.2, 1000W

Network Switch

D-Link DGS-1008D 8-Port 10/100/1000 Unmanaged Gigabit Desktop Switch

Software e Driver
Sistema Operativo Microsoft Windows Vista Ultimate 32-bit 6.0.6001, SP1
DirectX DirectX 10
Driver Grafici

Nvidia GeForce 185.85


Benchmarks e Software
Nodesoft Diskbench

Version: 2.5.0.5, file Copy, Creation, Read, and Batch Benchmark

SiSoftware Sandra 2009 SP3

Version 2009.4.15.92, CPU Test = CPU Arithmetic / Multimedia, Memory Test = Bandwidth Benchmark

La rete alla prova

Prima di fare qualsiasi cosa, abbiamo provato i nostri hard disk senza usare la rete per vedere quale tipo di bandwidth possiamo aspettarci da loro in uno scenario ideale.

Per le nostre prove abbiamo usato due computer . Il primo, che abbiamo chiamato il server, ha due dischi. Il disco primario è un Seagate Barracuda ST3320620AS da 320 GB, che ha un paio di anni. Il server agisce come NAS per due Hitachi Deskstar 0A-38016 da 1 TB, in mirroring.

Il secondo PC della rete, che abbiamo chiamato il client, ha solo due dischi: un Wstern Digital Caviar 00AAJS-00YFA da 500 GB che ha circa sei mesi.

Abbiamo anzitutto testato la velocità dei dischi C: dei due computer e visto quale tipo di prestazione in lettura possiamo aspettarci da loro. Useremo il benchmark hard disk di SiSoftware Sandra 2009:

Le nostre speranze di raggiungere una velocità di trasferimento file gigabit è svanita quasi subito. Entrambi i nostri singoli dischi hanno una velocità di lettura massima di 75 MB/s nelle migliori situazioni. Poiché questo è un test reale e i dischi sono pieni per circa il 60%, possiamo aspettarci velocità in lettura vicino ai 65 MB/s.

Tuttavia guardando le prestazioni RAID 1 abbiamo ottenuto prestazioni in lettura molto più elevate rispetto al singolo disco, con un picco di 108 MB/s e prestazioni reali che dovrebbero essere vicine agli 88 MB/s, con dischi pieni al 55%.

Quindi, dovremmo essere in grado di raggiungere circa 88 MB/s sulla nostra rete gigabit, giusto? Non è così vicino al limite di 125 MB/s, ma è molto più veloce rispetto alle reti 100 megabit, che hanno un limite di 12,5 MB/s, quindi 88 MB/s dovrebbe essere molto utili in termini pratici.

Non così veloce. Solo perché i nostri dischi possono leggere così velocemente non significa che possono scrivere così velocemente nelle situazioni reali. Proviamo alcuni test in scrittura prima di usare la rete per vedere cosa succedere. Inizieremo con il nostro server e copiando un file immagine da 4,4 GB dal sistema RAID al disco di sistema di 320 GB e indietro. Poi proveremo a copiare un file dal disco D: dal PC client al disco C:.

Copiando dal sistema RAID al disco C: i risultati sono 41 MB/s di velocità media. E poi copiando dal disco C: al sistema RAID, la velocità di trasferimento cala a circa 25 MB/s. Che cosa sta succedendo?

Bene, questo è ciò che succede nel mondo reale: il disco C: è poco più vecchio di un anno, ma è pieno circa al 60%, probabilmente un po' frammentato e non è un demonio di velocità quando scrive. Ci sono altri fattori, inoltre, come qla velocità del sistema e la memoria in generale. Il sistema RAID 1 è costituito da hardware relativamente nuovo, ma siccome è un sistema ridondante, deve scrivere su due dischi simultaneamente e per questo le prestazioni in scrittura scendono. Il RAID 1 può offrire prestazioni in lettura elevate, ma la prestazione in scrittura è sacrificata. Alternativamente, potremmo implementare un RAID 0 per ottenere prestazioni in lettura e scrittura migliori, ma se uno dei dischi "muore", tutti dati vengono compromessi. Realisticamente, un RAID 1 è un miglior azzardo per chi ha a cuore i propri dati abbastanza da realizzare un sistema NAS.

Tuttavia, non è tutto perduto, perché vediamo una piccola luce in fondo al tunnel. Il nuovo Western Digital Caviar 500 GB è capace di scrivere questo file a una media di 70,3 MB/s (media di cinque prove) e abbiamo registrato persino una velocità massima di 73,2 MB/s.

Con questo in mente,ci aspettiamo che il test sulla LAN gigabit possa dimostrare un massimo di circa 73 MB/s su trasferimenti dal NAS RAID 1 al disco C: del PC client. Testeremo anche il trasferimento dei file dall'unità C: del client all'unità C: del server per vedere se possiamo realisticamente aspettarci circa 40 MB/s in quella direzione.

La rete alla prova, continua

Procediamo con il nostro primo test, dove inviamo un file dal disco C: del PC client al disco C: del server:

La rete gigabit, che è capace di una velocità di trasferimento teorica di 119 MB/s, invia dati dal disco C: del client al massimo della velocità che può, probabilmente a circa 65 MB/s. Tuttavia, come abbiamo dimostrato precedemente, il disco C: del server può scrivere solamente a 40 MB/s.

Ora copiamo un file dal server RAID al disco C: del computer client:

Sappiamo dai nostri test che il disco C: del computer client può scriver questo file a circa 70 MB/s sotto condizioni ideali, mentre la rete gigabit fornisce prestazioni molto vicino al limite di questa velocità.

Sfortunatamente, nessuno di questi tentativi è arrivato vicino al throughput massimo teorico della gigabit di 125 MB/s. C'è un modo per cui possiamo testare la velocità massima della rete? Sì, ma non in una situazione reale. Ciò che dobbiamo fare è eseguire un trasferimento diretto memoria-memoria sulla rete in modo da bypassare qualsiasi limitazione del bandwidth imposta dall'hard disk.

Per farlo, useremo "un disco da 1 GB di ram" su entrambi i PC, e poi trasferire un file da 1 GB tra questi dischi di RAM sulla rete. Poiché persino la più lenta RAM DDR2 dovrebbe essere in grado di amministrare oltre 3000 MB/s di dati, l'unico fattore limitante dovrebbe essere la nostra rete:

Bello! Stiamo vedendo una velocità massima di 111.4 MB/s sulla nostra rete gigabit, che è molto vicino al limite teorico della gigabit di 125 MB/s. Questo è un grande risultato e non c'è da lamentarsi, perché il bandwidth reale non raggiungerà mai la velocità massima ideale a causa dell'overhead della rete.

A questo punto abbiamo dimostrato che gli hard disk sono il comun denominatore più basso quando interviene nel trasferimento di un file sulla rete gigabit, limitando la velocità di trasferimento dati sulla rete a quella dell'hard disk più lento. Trovata una risposta a questa grande domanda, volevamo fare alcuni test ulteriori per soddisfare una curiosità: il cablaggio della rete è un fattore che potrebbe impedirci di raggiungere il limite teorico della velocità della rete?

Test del cablaggio

Con i nostri test che forniscono prestazioni molto vicine all'ideale, non pensiamo di vedere differenze apprezzabili cambiando alcuni cavi. Tuttavia volevamo provare lo stesso, per curiosità, principalmente per vedere se ciò ci avrebbe permesso di avvicinarci al limite teorico di prestazione.

Abbiamo fatto quattro test:

Test 1: predefinito

In questo test, abbiamo usato due cav Cat 5ei da 7,6 metri (25 ft.), ognuno da un computer a uno switch gigabit. Abbiamo lasciato cavi nella posizione standard, passando vicino ai cavi di alimentazione.

Test 2: Rimuovere le interferenze causate dai cavi di alimentazione

Questa volta abbiamo usato gli stessi cavi Cat 5e come nel primo test, ma li abbiamo allontanati il più possibile dai cavi di alimentazione.

Test 3: ridurre la lunghezza dei cavi da 15 a 8,5 metri

In questo test, abbiamo rimosso uno dei cavi da 7,6 metri e lo abbiamo rimpiazzato con un cavo Cat 5e da un metro (3 feet).

Test 4: Rimpiazzare i cavi Cat 5e con cavi Cat 6

In questo test finale, abbiamo rimpiazzato il cavo Cat 5e da 8,5 metri con uno Cat 6.

In breve, il nostro cavo di test non ci ha mostrato molta differenza, ma abbiamo imparato alcune cose:

Lasciate pure i cavi vicino a cavi di alimentazione

In una piccola configurazione LAN come la nostra, i nostri test hanno mostrato che non dovete preoccuparvi molto se usare un cavo di rete vicino a un cavo di alimentazione. Anche se non è l'ideale, probabilmente non ha un effetto apprezzabile sulla velocità della rete. Tenete presente, comunque, che questo test simula una piccola rete domestica, e che il principio, distanziare cavi di rete e di alimentazione, resta valido.

Test 3: ridurre la lunghezza dei cavi

Non c'è stato molto da provare, ma abbiamo provato per vedere se ci fosse stata una differenza apprezzabile. Dobbiamo ricordare che quando abbiamo rimpiazzato il cavo da 7,6 metri con uno da 1 metro, ogni differenza vista non è necessariamente un risultato di distanza più breve, ma potrebbe indicare un problema del cavo. In ogni caso, non abbiamo visto realmente alcuna differenza di nota in molti test, sebbene abbiamo visto un passo anormale nelle prestazioni nella copia file tra il disco C: client-to-server.

Test 4: Cavi Cat 6 vs. Cavi Cat 5e

Ancora una volta, non abbiamo vista molta differenza. Poiché stiamo usando un cavo da 8,5 metri, potremmo vedere maggiore differenza su cavi più lunghi. Tuttavia finchésono in buona forma, sembra che i cavi Cat 5e lavoreranno bene.

Vale la pena notare che la variazione dei cavi non ha nessun effetto nel trasferimento dati da un disco RAM a un altro. Chiaramente, qualcos'altro nel sistema rallenta le prestazioni di rete a 111 MB/s; come dicevamo, un po' di atteso overhead nella rete quindi i risultati sono perfettamente accettabili.

Conclusioni

Perché la nostra rete Gigabit non raggiunge le velocità sperate?

Sopresa, probabilmente lo fa!

Nelle situazioni reali la rete sarà frenata severamente dagli hard disk, mentre negli scenari di test memoria-memoria abbiamo dimostrato che la nostra rete gigabit network fornisce prestazioni molto vicine la limite teorico di 125 MB/s. Le velocità di rete tipiche drive-to-drive in situazioni reali saranno limitate verosimilmente tra 20 e 85 MB/s, a seconda della velocità dell'hard disk.

Per divertimento, abbiamo fatto anche alcune prove cambiando i cavi, variando la lunghezza degli stessi, cercando di eliminare le interferenze. Nella nostra piccola rete casalinga abbiamo visto che nessuno di questi aspetti ha avuto un impatto significativo sulle prestazioni, sebbene dobbiamo precisare che in una rete più grande e complessa con cavi più lunghi questi fattori potrebbero meritare più attenzione.

Alla fine del giorno, possiamo calorosamente raccomandare a chiunque sposti molti file di dotarsi di rete Gigabit Ethernet. Se non l'avete già fatto, vedrete ottimi effetti dalla rete 100 megabit, con un incremento della velocità almeno doppio.

Gigabit Ethernet in una rete casalinga può essere portata a prestazioni persino superiori se la rete è basata su un NAS con RAID. Nei nostri test su situazioni reali, abbiamo trasferito un file da 4,3 GB in un minuto. Su una connessione 100 megabit, avremmo impiegato circa 6 minuti.

Le reti Gigabit stanno diventando uno standard sempre più conveniente e diffuso. Tutto ciò che dobbiamo fare ora è aspettare che gli hard disk accelerino, oppure realizzare un sistema RAID o un SSD per circumnavigare i limiti attuali della tecnologia HDD.

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