INFO SPEED HARDWAREがZimaBoard 2向けに直接10GbEリンクを構築する方法
家庭内ネットワーク全体を置き換えたり、マルチポート10GbEスイッチを購入したりせずに、ZimaBoard 2 NASへ10GbEを追加する実用的な方法を紹介してくださったINFO SPEED HARDWAREに感謝します。
考え方はシンプルです。ZimaBoard 2をオンボードEthernetポートの1つで既存のローカルネットワークに接続したまま、PCIeスロットに対応する10GbEネットワークアダプターを取り付け、そのアダプターをWindows PCの2つ目の10GbEインターフェースに直接接続します。
通常のネットワークは、引き続きインターネットアクセス、管理、その他のデバイスとの接続に使用できます。専用ケーブルによって、ワークステーションとNAS間の大容量ファイル転送用に、独立したポイントツーポイント経路を構築できます。
INFO SPEED HARDWAREのテストでは、iPerf3で合計約6.84Gbpsのスループットを達成しています。これは1GbE接続より大幅に高速ですが、10Gbpsのリンク速度を下回っており、すべてのファイル転送が同じ速度に達することを意味するものではありません。
読む前に視聴：元のスペイン語動画では、既存のNASのボトルネック、直結トポロジー、ネットワークアドレスの設定、iPerf3テスト、そして最終的なZimaBoard 2のハードウェア構成について説明しています。
出典に関する注記：この記事では、INFO SPEED HARDWAREの10GbEホームラボ直結ネットワークの動画で紹介された構成と結果を再構成しています。ネットワーク性能は、アダプター、ドライバー、PCIeインターフェース、ケーブル、オペレーティングシステム、プロトコル設定、ストレージデバイス、プロセッサー負荷、テスト方法によって異なります。測定結果は、特定の構成で得られた結果であり、転送速度が保証されるものではありません。
1GbEネットワークがNASのボトルネックになる理由
家庭用NASには高速なプロセッサー、SSDストレージ、複数のハードドライブを搭載していても、ワークステーションからは動作が遅く感じられることがあります。問題はサーバー自体ではなく、2台のデバイス間のネットワーク経路にある場合がよくあります。
標準的な1GbEの理論上のリンク速度は毎秒1ギガビットです。実際のファイル転送では、良好な条件下で通常約110～125MB/sになります。接続がこの上限に達すると、NASにより高速なSSDを取り付けても、転送速度は大幅には向上しません。
INFO SPEED HARDWAREが紹介したZimaBoard 2の構成には、Intel N150プロセッサー、16GBのメモリ、オンボードのシステムストレージ、SSD、大容量ハードドライブが搭載されています。オンボードの2つの2.5GbEインターフェースにより、すでに1GbEを上回る性能が得られますが、既存のスイッチや接続されたクライアントによって、経路全体のネゴシエーション速度が低く制限される場合があります。
元のNAS構成にはSSD、大容量ハードドライブ、SMB共有、そしてクライアントの速度を約1GbEに制限する可能性がある一般的なスイッチネットワークが含まれています。
これは重要な診断手順です。より高速なネットワーク機器を購入する前に、現在の制限がネットワーク、ストレージプール、CPU、プロトコル、クライアントデバイスのどこにあるのかを特定してください。150MB/sでしかデータを読み取れないストレージシステムは、10GbEにアップグレードしても改善しません。
10Gbpsと10GB/sの違い
10GbEは毎秒10ギガビットを意味し、毎秒10ギガバイトではありません。1バイトは8ビットで構成されるため、理論上の換算は次のとおりです。
10Gbps ÷ 8 = 1.25GB/s
この1.25GB/sという値は、理論上の生の最大値です。Ethernetフレーム、TCP/IPのオーバーヘッド、SMBまたはNFSの処理、ストレージのレイテンシ、ドライバーの挙動、システム負荷によって、アプリケーションで実際に利用できるスループットは低下します。
動画に示された約6.84Gbpsという結果は、ファイル共有やストレージのオーバーヘッドを考慮する前の、約855MB/sに数学的に相当します。それでも、1GbE接続の実用上の上限を何倍も上回る速度です。
直接10GbE接続を使用する理由
通常の複数デバイス向け10GbEネットワークでは、NAS、ワークステーション、サーバー、その他の高速クライアントの間に10GbEスイッチを配置します。最も柔軟な設計ですが、対応スイッチが必要になり、ネットワーク全体のアップグレードが必要になる可能性もあります。
直接接続により、高速経路の1つからスイッチを外せます。
| 接続 | 目的 | ハードウェア経路 |
|---|---|---|
| 既存のホームネットワーク | インターネットアクセス、管理、通常のクライアントからのアクセス | ZimaBoard 2のオンボードEthernet → 既存のスイッチまたはルーター |
| 直接10GbE接続 | NASと1台のワークステーション間の高速転送 | ZimaBoard 2 PCIe 10GbEアダプター → Windows PC 10GbEアダプター |
この構成は、1台のワークステーションだけがより高速なNASアクセスを必要とする場合に適しています。動画編集用PC、バックアップ用ワークステーション、仮想化ホスト、またはメインデスクトップに専用のストレージ経路を割り当てる一方で、スマートフォン、ノートパソコン、テレビなどの他のデバイスは既存のネットワークを引き続き利用できます。
その代わり、10GbE接続は主にその2台のエンドポイントに利用されます。後から高速デバイスを追加する場合、通常はスイッチまたはより複雑なルーティング構成が必要です。
10GbE向けZimaBoard 2 PCIe拡張
ZimaBoard 2にはオンボード2.5GbEインターフェースが2つ搭載されていますが、10GbEのリンク速度を実現するには、別途対応ネットワークアダプターが必要です。
ボードの空きPCIeインターフェースが拡張経路を提供します。INFO SPEED HARDWAREはこのスロットに10GbEアダプターを取り付け、オンボードのネットワークポートの1つを通常のLAN接続に使用します。
この方法では、2つの独立した経路が維持されます。
- オンボードEthernetインターフェースには、通常のホームネットワークからアドレスが割り当てられます。
- PCIe 10GbEインターフェースには、ダイレクト接続用の個別の固定アドレスが割り当てられます。
- Windows PCにも、その専用サブネット上の固定アドレスが割り当てられます。
- ダイレクトサブネット宛てのトラフィックは、通常のスイッチではなく10GbEケーブルを経由します。
ダイレクト10GbEリンクに必要なハードウェア
アダプターの正確なモデルは異なる場合がありますが、両方のエンドポイントに同じ種類の10GbE接続を確立できるインターフェースが必要です。
| コンポーネント | 役割 | 互換性チェック |
|---|---|---|
| ZimaBoard 2 | NASを稼働させ、PCIe拡張を提供する | 選択したNICのオペレーティングシステムおよびドライバーのサポート |
| PCIe 10GbEアダプター | NASに専用の10GbEインターフェースを追加する | PCIe要件、物理的な取り付け可否、チップセットのサポート、冷却 |
| PC用10GbEアダプター | ワークステーション側のエンドポイントを提供する | 利用可能なPCIe、Thunderbolt、またはその他のサポート対象インターフェース |
| 互換ケーブル | 2つのエンドポイントを直接接続する | RJ45銅線、SFP+ DAC、または光コンポーネントは、両方のアダプターに適合している必要があります |
| 高速ストレージ | マルチギガビット速度でデータを送受信する | 単一HDD、RAIDプール、SSD、またはNVMeのパフォーマンス |
RJ45ポートを備えた10GBASE-Tアダプターでは、長距離の恒久的な配線にCat6aが確実な選択肢です。適切な短距離の設置であれば、Cat6でも10GbEをサポートできます。ケーブルの品質、成端、干渉、距離はすべてリンクの安定性に影響します。
SFP+アダプターでは、短いラック内接続にはDACケーブルを、長距離接続には互換トランシーバーと光ファイバーを使用できます。アダプターとケーブルの種類は一致している必要があります。正しいトランシーバーなしでRJ45コネクターをSFP+ポートに直接接続することはできません。
NICを購入する前にオペレーティングシステムのサポートを確認する
同じチャンネルでは以前、TrueNASベースのZimaBoard 2 NASに10GbEアダプターを追加する際のドライバー問題が報告されていました。これは、PCIeの互換性には物理コネクター以外の要素も関係することを思い出させてくれます。
アダプターを購入する前に、次の点を確認してください。
- NICチップセットが、選択したTrueNAS、Linux、Windows、またはZimaOSのバージョンでサポートされているかどうか
- オペレーティングシステムにドライバーが含まれているか、別途インストールが必要かどうか
- カードがもう一方のエンドポイントにあるアダプターと意図した速度でネゴシエーションするかどうか
- PCIeインターフェースが十分なレーン数と帯域幅を提供するかどうか
- 継続運用中にカードへ追加のエアフローが必要かどうか
サーバー向けの10GbEカードは、高負荷時に高温になることがあります。これらは継続的な筐体内エアフローのあるラックサーバー向けに設計されていることが多いため、オープンなホームラボ構成でパッシブカードを使用する場合でも、近くにファンが必要になることがあります。
ダイレクトリンクに個別のサブネットを割り当てる
直接接続ケーブルは通常、ホームルーターのDHCPサーバーに依存しません。INFO SPEED HARDWAREでは、NASとWindowsのインターフェースに、別のサブネット上の固定アドレスを割り当てます。
iPerf3の画面には、次の範囲のアドレスが表示されます。
-
NASの直接接続インターフェース：
30.30.30.2などのアドレス -
Windowsの直接接続インターフェース：
30.30.30.3などのアドレス
正確なプライベートアドレスは異なっていても構いません。重要なのは、両方の直接接続インターフェースが同じ専用サブネットを使用し、メインのホームネットワークと競合しないことです。
一般的なポイントツーポイント構成では、直接接続インターフェースにデフォルトゲートウェイやDNSサーバーは必要ありません。メインLANアダプターには、インターネットや通常のネットワークアクセスに使用するゲートウェイとDNSの設定を保持してください。
2つ目のデフォルトゲートウェイを追加すると、WindowsまたはNASが誤ったインターフェース経由でトラフィックを送信する可能性があります。高速アダプターは、構築者が意図的にルーティングネットワークを設計している場合を除き、専用のローカルデータ経路として扱う必要があります。
SMBが10GbEアドレスを使用していることを確認する
同じNASへのネットワーク経路を2つ持つコンピューターは、ユーザーが意図的に直接インターフェース経由で接続しない限り、通常のLANアドレスを使い続ける場合があります。
たとえば、SMB共有は10GbEリンクに関連付けられたホスト名またはIPアドレスを使用して開く必要があります。通常のホームネットワークのアドレスを使用すると、転送速度がオンボードインターフェースや既存のスイッチによって制限されたままになる可能性があります。
Windowsユーザーは、通常のアドレスを管理や低速クライアント用に利用できる状態に保ちながら、直接接続のアドレスでNAS共有をマウントできます。接続に分かりやすい名前を付けると、LAN経路と10GbE経路を混同しにくくなります。
iPerf3でネットワークスループットをテストする
INFO SPEED HARDWAREでは、iPerf3を使用して直接接続を検証します。ファイルコピーによるテストとは異なり、iPerf3はストレージデバイスを主なボトルネックにすることなく、ネットワークのスループットを測定します。
一方のエンドポイントがiPerf3サーバーとして動作し、もう一方がテストを開始します。スクリーンショットには複数の並列TCPストリームが表示されています。各ストリームの速度は異なりますが、合算すると約6.84Gbpsに達します。
複数の並列iPerf3ストリームにより、直接接続で約6.84Gbpsの合算結果が得られます。
1本のTCP接続で高速リンクの帯域幅を十分に活用できない場合、並列ストリームによって利用可能な帯域幅をより多く引き出せます。ただし、CPUやメモリの処理負荷も増加する可能性があるため、結果はストリーム数とテスト方向と併せて記録してください。
より完全なテスト計画には、次の項目を含める必要があります。
- 通常のTCP動作を測定するシングルストリームテスト
- リンクの合計容量を推定するマルチストリームテスト
- 両方向でのテスト
- 熱や安定性の問題を明らかにするための、より長時間の実行
- 両方のエンドポイントでのCPU監視
- 実際のSMBまたはNFS転送（代表的なファイルを使用）
テストが10Gbpsの最大値に達しない理由
10GbEリンクがネゴシエーションされても、ベンチマークで10Gbpsの結果が保証されるわけではありません。このコンパクトな構成では、いくつかの要因によってスループットが低下する可能性があります。
- TCP/IPおよびEthernetプロトコルのオーバーヘッド
- NICチップセットとドライバーの効率
- PCIeレーン構成とコントローラーの動作
- 複数のネットワークストリームを処理する際のIntel N150 CPU負荷
- メモリ帯域幅とデータコピー処理
- 割り込み処理とオフロード設定
- オペレーティングシステムのネットワーク設定
- 長時間の転送中に発生する熱的な制限
6.84Gbpsという結果は、直接接続によって1GbEや2.5GbEの領域を大きく超える速度が得られていることを示します。10Gbpsを下回っているというだけで、必ずしも障害があるとは限りません。
ネットワーク速度とファイルコピー速度は異なる
iPerf3はメモリ上でネットワークトラフィックを生成できますが、実際のNAS転送では、あるストレージデバイスからデータを読み取り、別のデバイスへ書き込む必要があります。
| ストレージの種類 | 10GbE転送への影響の可能性 |
|---|---|
| 単一の機械式ハードドライブ | 通常、10GbEリンクが飽和するかなり前にボトルネックになります。 |
| 複数HDDのRAIDプール | RAID構成とドライブ数によっては、連続スループットを向上させられます。 |
| SATA SSD | 1GbEや2.5GbEを超えることはありますが、理論上の10GbE上限には届きません。 |
| NVMe SSDまたは高速SSDプール | 10GbE接続の実効容量に近づける可能性が高くなります。 |
小さなファイルの転送は、各ファイルでメタデータ、ファイルシステム、権限、プロトコルに関する処理が発生するため、大きな連続転送よりも大幅に遅くなることがあります。
大容量NASを拡張するユーザーは、ドライブ、コントローラー、電源、物理レイアウトについてさらに計画するため、関連するZimaBoard 2ストレージ拡張ガイドを確認できます。
完成したZimaBoard 2ネットワーク構成
最終構成では、ZimaBoard 2をコンパクトな金属製ドライブフレーム内に収めます。NASは通常のネットワークアクセス用に既存のスイッチへ上流接続し、別のケーブルをPCIe 10GbEアダプターからワークステーションへ直接接続します。
完成したトポロジーでは、通常のLAN接続を維持しながら、NASとワークステーション間に別の高速経路を追加します。
このハイブリッド構成なら、すべてのデバイスを一度にアップグレードする必要がありません。家庭では現在のルーターとスイッチをそのまま使用しながら、最も大容量のファイルを扱うコンピューター1台だけに、より高速な直接接続を提供できます。
直接10GbE接続が適するケース
1台のシステムがNASへの高速アクセスを継続的に必要とする場合、ポイントツーポイントのアップグレードが最も有効です。
- 動画編集：大容量のソースファイル、プロジェクトキャッシュ、完成した書き出しデータを移動する。
- ワークステーションのバックアップ：大容量のディスクイメージを作成または復元する。
- 仮想化：VMイメージを転送し、高性能なネットワークストレージにアクセスする。
- 写真：NASに保存された大容量のRAWライブラリを取り込み、処理する。
- ソフトウェア開発：大規模なデータセット、コンテナイメージ、ビルド成果物を移動する。
- NASの移行：ワークステーションと交換用ストレージプールの間でデータをコピーする。
複数のワークステーション、サーバー、NASデバイス間で高速通信が必要な場合は、10GbEスイッチがより適しています。エンドポイントの数が増えると、直接接続の管理は難しくなる可能性があります。
INFO SPEED HARDWAREのテストが示すこと
| 調査結果 | 動画で示されていること | 残る制限 |
|---|---|---|
| PCIe拡張 | ZimaBoard 2には、互換性のある10GbEネットワークインターフェースを追加できます。 | 選択したNICが、オペレーティングシステムのドライバーに対応している必要があります。 |
| 直接接続 | 10GbEスイッチなしでも、1台のワークステーションに高速なNAS経路を提供できます。 | 他のクライアントがその帯域幅を自動的に利用できるわけではありません。 |
| 専用サブネット | 高速リンクは、通常のホームLANとは分離して運用できます。 | アドレスとルートは、メインネットワークと競合しないように設定する必要があります。 |
| iPerf3の結果 | テストした構成では、マルチストリームテストで約6.84Gbpsに達しました。 | 単一ストリームやファイルコピーの性能は低くなる可能性があります。 |
| NASの性能 | ネットワークのボトルネックを1GbEより大幅に引き上げられます。 | HDD、SSD、ファイルシステム、SMBの性能が、実際の転送速度を左右します。 |
ネットワーク全体を再構築せずに10GbEへ集中的にアップグレード
INFO SPEED HARDWAREのプロジェクトは、ギガビットイーサネットを超えるために、ネットワーク全体を置き換える必要は必ずしもないことを示しています。ZimaBoard 2は通常のLAN接続を維持しながら、PCIeスロットによって、最も高速接続を必要とするワークステーションへの専用10GbE経路を提供します。
約6.84GbpsのiPerf3結果は理論上の10Gbpsリンク速度を大きく下回りますが、従来の1GbE接続と比べれば大幅な向上です。このプロジェクトは、ネットワークベンチマークの実用上の限界も明らかにしています。NIC、PCIe接続、CPU、ドライバー、プロトコル、ケーブル、ストレージプールのすべてが最終結果に影響します。
元のネットワーク解説、IP設定、スループットテスト、完成したハードウェア構成については、INFO SPEED HARDWAREの完全な10GbEチュートリアルをご覧ください。
INFO SPEED HARDWAREは、iPerf3で接続を検証し、直接接続した10GbEホームラボのテストを完了します。
ZimaBoard 2 NASに高速ネットワークを追加する場合や、PCIeネットワークアダプターのトラブルシューティングを行う場合は、ZimaSpaceコミュニティに参加して、NICのモデル、オペレーティングシステム、ストレージ構成、測定結果を共有してください。
よくある質問
ZimaBoard 2で10GbEネットワークカードを使用できますか？
はい。互換性のあるネットワークアダプターをPCIe経由で接続できます。互換性は、カードのチップセット、PCIe要件、オペレーティングシステムのドライバー、消費電力、冷却によって異なります。
PC 1台とNAS 1台の場合、10GbEスイッチは必要ですか？
いいえ。2つの10GbEインターフェースを直接接続し、専用サブネット上のアドレスを割り当てられます。3台以上の高速デバイスで通信する必要がある場合は、スイッチのほうが便利です。
通常のホームネットワークと直接接続した10GbEリンクは併用できますか？
はい。オンボードのEthernetポートをホームLANに接続したまま、PCIeアダプターでストレージ用の直接リンクを処理できます。通常、デフォルトゲートウェイが必要なのはメインLANインターフェースだけです。
10GbEリンクで正確に10Gbpsの転送速度が出ないのはなぜですか？
10Gbpsはリンク速度です。プロトコルのオーバーヘッド、ドライバー、PCIeの挙動、CPU負荷、ネットワーク設定、テスト方法によって、測定されるスループットは低下します。実際のファイル転送では、ストレージ性能によってさらに制限される場合があります。
iPerf3の6.84Gbpsという結果は何を意味しますか？
これは、実証した構成で複数の並列TCPストリームを通じて測定したネットワークの合計スループットです。すべてのSMBファイル転送が6.84Gbpsで動作するという意味ではありません。
1台のハードドライブで10GbE接続を飽和させることはできますか？
通常は必要ありません。一般的な機械式ドライブでは、まずドライブ自体がボトルネックになります。高速SSD、NVMeストレージ、または複数ドライブのプールは、高スループットの10GbE転送により適しています。
直接接続した10GbEリンクでは、ジャンボフレームを有効にすべきですか？
ジャンボフレームは環境によって処理オーバーヘッドを軽減できますが、10GbEに必須ではありません。使用する場合は、両方のエンドポイントが同じMTUに対応し、同じMTUを使用する必要があります。MTUが一致しないと、接続やパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。
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