Como a INFO SPEED HARDWARE cria uma ligação direta de 10GbE para a ZimaBoard 2

Eva Wong

IceWhale author

Eva Wong é a redatora técnica e entusiasta residente na ZimaSpace. Uma geek desde sempre, apaixonada por homelabs e software de código aberto, dedica-se a traduzir conceitos técnicos complexos em guias práticos. A Eva acredita que a auto-hospedagem deve ser divertida, não intimidante. Através dos seus tutoriais, ajuda a comunidade a desmistificar configurações de hardware, desde montar o primeiro NAS até dominar os contentores Docker.

How INFO SPEED HARDWARE Builds a Direct 10GbE Link for ZimaBoard 2 - Zima Store Online

Agradecemos a INFO SPEED HARDWARE por demonstrar uma forma prática de adicionar 10GbE a um NAS ZimaBoard 2 sem substituir toda a rede doméstica nem comprar um switch 10GbE com várias portas.

A ideia é simples: manter a ZimaBoard 2 ligada à rede local existente através de uma das portas Ethernet integradas e, em seguida, instalar um adaptador de rede 10GbE compatível na ranhura PCIe e ligar esse adaptador diretamente a uma segunda interface 10GbE num PC com Windows.

A rede normal continua a fornecer acesso à Internet, administração e ligação a outros dispositivos. O cabo dedicado cria um percurso ponto a ponto separado para transferências de ficheiros grandes entre a estação de trabalho e o NAS.

O teste de INFO SPEED HARDWARE atinge um débito agregado de aproximadamente 6,84 Gbps no iPerf3. É substancialmente mais rápido do que uma ligação 1GbE, embora continue abaixo da velocidade de ligação de 10 Gbps e não signifique que todas as transferências de ficheiros atinjam a mesma velocidade.

Veja antes de ler: O vídeo original em espanhol explica o estrangulamento existente no NAS, a topologia de ligação direta, a configuração dos endereços de rede, o teste com iPerf3 e a configuração final do hardware ZimaBoard 2.

Nota sobre a fonte: Este artigo reorganiza a configuração e os resultados apresentados no vídeo de INFO SPEED HARDWARE sobre um homelab 10GbE de ligação direta. O desempenho da rede depende dos adaptadores, controladores, interface PCIe, cabo, sistema operativo, definições de protocolo, dispositivos de armazenamento, carga do processador e método de teste. O resultado medido deve ser considerado o resultado de uma configuração específica, e não uma velocidade de transferência garantida.

Porque é que uma rede 1GbE se torna um estrangulamento para o NAS

Um NAS doméstico pode ter processadores rápidos, armazenamento SSD e vários discos rígidos e, ainda assim, parecer lento a partir de uma estação de trabalho. Muitas vezes, o problema não está no servidor, mas no percurso de rede entre os dois dispositivos.

A 1GbE padrão tem uma velocidade teórica de ligação de um gigabit por segundo. Nas transferências de ficheiros reais, isso corresponde normalmente a aproximadamente 110–125 MB/s em condições favoráveis. Quando a ligação atinge esse limite, instalar um SSD mais rápido no NAS não torna a transferência substancialmente mais rápida.

A configuração da ZimaBoard 2 apresentada por INFO SPEED HARDWARE inclui um processador Intel N150, 16 GB de memória, armazenamento de sistema integrado, um SSD e um disco rígido de grande capacidade. As duas interfaces 2,5GbE integradas já representam uma melhoria em relação à 1GbE, mas o switch existente e os clientes ligados ainda podem limitar todo o percurso a uma velocidade negociada inferior.

Diagrama do NAS com ZimaBoard 2, das unidades de armazenamento e da rede Gigabit existente

A configuração original do NAS inclui um SSD, um disco rígido de grande capacidade, partilhas SMB e uma rede convencional comutada que pode limitar os clientes a velocidades próximas de 1 GbE.

Este é um passo de diagnóstico importante. Antes de comprar equipamento de rede mais rápido, identifique se o limite atual se deve à rede, ao conjunto de armazenamento, ao CPU, ao protocolo ou ao dispositivo cliente. Uma atualização para 10 GbE não resolverá o problema de um sistema de armazenamento que só consegue ler dados a 150 MB/s.

A diferença entre 10 Gbps e 10 GB/s

10 GbE refere-se a 10 gigabits por segundo, não a 10 gigabytes por segundo. Como um byte contém oito bits, a conversão teórica é:

10 Gbps ÷ 8 = 1,25 GB/s

O valor de 1,25 GB/s é um máximo teórico em bruto. O enquadramento Ethernet, a sobrecarga TCP/IP, o processamento SMB ou NFS, a latência do armazenamento, o comportamento dos controladores e a carga do sistema reduzem o débito útil ao nível das aplicações.

O resultado de aproximadamente 6,84 Gbps apresentado no vídeo corresponde matematicamente a cerca de 855 MB/s, antes de considerar a sobrecarga da partilha de ficheiros e do armazenamento. Ainda assim, é muitas vezes superior ao limite prático de uma ligação de 1 GbE.

Porquê utilizar uma ligação direta de 10 GbE?

Numa rede normal de vários dispositivos com 10 GbE, é colocado um switch de 10 GbE entre o NAS, a estação de trabalho, o servidor e os restantes clientes de alta velocidade. É a configuração mais flexível, mas também requer um switch compatível e, possivelmente, atualizações mais abrangentes da rede.

Uma ligação direta elimina o switch de um dos percursos de alta velocidade:

Ligação	Finalidade	Percurso de hardware
Rede doméstica existente	Acesso à Internet, administração e acesso a partir de clientes comuns	Ethernet integrada do ZimaBoard 2 → switch ou router existente
Ligação direta de 10 GbE	Transferências de alta velocidade entre o NAS e uma estação de trabalho	Adaptador PCIe 10 GbE do ZimaBoard 2 → adaptador 10 GbE do PC Windows

Esta topologia é apelativa quando apenas uma estação de trabalho precisa de acesso mais rápido ao NAS. Um PC de edição de vídeo, uma estação de trabalho para cópias de segurança, um anfitrião de virtualização ou o computador de secretária principal pode ter um percurso dedicado para o armazenamento, enquanto os telemóveis, portáteis, televisores e outros dispositivos continuam a utilizar a rede existente.

A contrapartida é que a ligação de 10 GbE serve principalmente esses dois dispositivos. Para adicionar mais dispositivos de alta velocidade posteriormente, é normalmente necessário um switch ou uma topologia encaminhada mais complexa.

Utilizar a expansão PCIe do ZimaBoard 2 para 10 GbE

O ZimaBoard 2 inclui duas interfaces 2,5 GbE integradas, mas para atingir uma velocidade de ligação de 10 GbE é necessário um adaptador de rede compatível à parte.

A interface PCIe aberta da placa permite a expansão. A INFO SPEED HARDWARE instala um adaptador 10GbE nesta ranhura e usa uma das portas de rede integradas para a ligação à LAN normal.

Esta abordagem mantém dois percursos independentes:

A interface Ethernet integrada recebe um endereço da rede doméstica normal.
A interface PCIe 10GbE recebe um endereço estático separado para a ligação direta.
O PC com Windows também recebe um endereço estático nessa sub-rede dedicada.
O tráfego endereçado à sub-rede direta passa pelo cabo 10GbE em vez de passar pelo switch normal.

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Hardware necessário para uma ligação 10GbE direta

O modelo exato do adaptador pode variar, mas ambos os equipamentos precisam de interfaces capazes de estabelecer o mesmo tipo de ligação 10GbE.

Componente	Função	Verificação de compatibilidade
ZimaBoard 2	Executa o NAS e disponibiliza expansão PCIe	Compatibilidade do sistema operativo e suporte de controladores para a placa de rede selecionada
Adaptador PCIe 10GbE	Adiciona uma interface 10GbE dedicada ao NAS	Requisitos PCIe, compatibilidade física, suporte para o chipset e arrefecimento
Adaptador 10GbE para PC	Fornece a ligação à estação de trabalho	Interface PCIe, Thunderbolt ou outra interface compatível disponível
Cabo compatível	Liga diretamente os dois equipamentos	Os componentes de cobre RJ45, SFP+ DAC ou óticos têm de ser compatíveis com ambos os adaptadores
Armazenamento rápido	Fornece ou recebe dados a velocidades de vários gigabits	Desempenho de um único HDD, de um conjunto RAID, de um SSD ou de um NVMe

Para adaptadores 10GBASE-T com portas RJ45, o Cat6a é a escolha mais previsível para instalações permanentes mais longas. O Cat6 também pode suportar 10GbE em instalações adequadas de menor extensão. A qualidade do cabo, as terminações, as interferências e a distância afetam a estabilidade da ligação.

Em vez disso, os adaptadores SFP+ podem usar um cabo DAC para ligações curtas em rack ou transceptores compatíveis e fibra para percursos mais longos. Os adaptadores e o tipo de cabo têm de ser compatíveis; não é possível ligar diretamente um conector RJ45 a uma porta SFP+ sem o transceptor adequado.

Verifique a compatibilidade com o sistema operativo antes de comprar a placa de rede

O mesmo canal documentou anteriormente dificuldades com controladores ao adicionar um adaptador 10GbE a um NAS ZimaBoard 2 baseado em TrueNAS. É um bom lembrete de que a compatibilidade PCIe envolve mais do que o conector físico.

Antes de comprar um adaptador, verifique:

Se o chipset da placa de rede é compatível com a versão selecionada do TrueNAS, Linux, Windows ou ZimaOS
Se o sistema operativo inclui o controlador ou exige uma instalação à parte
Se a placa estabelece a velocidade pretendida com o adaptador na outra extremidade
Se a interface PCIe disponibiliza pistas e largura de banda suficientes
Se a placa necessita de fluxo de ar adicional durante o funcionamento contínuo

As placas 10GbE concebidas para servidores podem aquecer bastante sob carga. Foram muitas vezes concebidas para servidores de rack com fluxo de ar contínuo no chassis, pelo que uma placa passiva instalada numa configuração de homelab aberta pode ainda precisar de uma ventoinha nas proximidades.

Atribuir uma sub-rede separada à ligação direta

Normalmente, um cabo direto não depende do servidor DHCP do router doméstico. O INFO SPEED HARDWARE atribui endereços estáticos às interfaces da NAS e do Windows numa sub-rede separada.

O ecrã do iPerf3 apresenta endereços no seguinte intervalo:

Interface direta da NAS: um endereço como 30.30.30.2
Interface direta do Windows: um endereço como 30.30.30.3

Os endereços privados exatos podem ser diferentes. O requisito importante é que ambas as interfaces diretas utilizem a mesma sub-rede dedicada e não entrem em conflito com a rede doméstica principal.

Uma configuração ponto a ponto típica não necessita de um gateway predefinido nem de um servidor DNS na interface direta. O adaptador da LAN principal deve manter as definições de gateway e DNS utilizadas para o acesso à Internet e à rede habitual.

Adicionar um segundo gateway predefinido pode levar o Windows ou a NAS a enviar o tráfego pela interface errada. O adaptador de alta velocidade deve ser tratado como um percurso de dados local dedicado, a menos que o utilizador configure intencionalmente uma rede encaminhada.

Certifique-se de que o SMB utiliza o endereço de 10 GbE

Um computador com dois percursos de rede para a mesma NAS pode continuar a utilizar o endereço habitual da LAN, a menos que o utilizador se ligue deliberadamente através da interface direta.

Por exemplo, deve aceder-se a uma partilha SMB através do nome do anfitrião ou do endereço IP associado à ligação 10 GbE. Se for utilizado o endereço habitual da rede doméstica, a transferência poderá continuar limitada pela interface integrada ou pelo switch existente.

Os utilizadores do Windows podem mapear a partilha NAS através do endereço da ligação direta, mantendo o endereço habitual disponível para administração e clientes mais lentos. Atribuir um nome identificável à ligação ajuda a evitar confusões entre os percursos da LAN e da ligação 10 GbE.

Testar o débito da rede com o iPerf3

O INFO SPEED HARDWARE valida a ligação direta com o iPerf3. Ao contrário de um teste de cópia de ficheiros, o iPerf3 mede o débito da rede sem tornar os dispositivos de armazenamento o principal estrangulamento.

Um dispositivo funciona como servidor iPerf3 e o outro inicia o teste. A captura de ecrã mostra vários fluxos TCP paralelos. Os fluxos individuais apresentam taxas diferentes, enquanto o resultado combinado atinge aproximadamente 6.84 Gbps.

O iPerf3 mede 6.84 Gbps entre o ZimaBoard 2 e uma estação de trabalho Windows

Vários fluxos paralelos do iPerf3 produzem um resultado agregado de aproximadamente 6.84 Gbps através da ligação direta.

Os fluxos paralelos podem revelar mais largura de banda disponível quando uma única ligação TCP não aproveita totalmente uma ligação rápida. Também podem aumentar a utilização do processador e a carga de processamento da memória, pelo que o resultado deve ser documentado em conjunto com o número de fluxos e a direção do teste.

Um plano de testes mais completo incluiria:

Um teste com um único fluxo para medir o comportamento normal do TCP
Um teste com vários fluxos para estimar a capacidade agregada da ligação
Testes em ambas as direções
Um teste mais longo para detetar problemas térmicos ou de estabilidade
Monitorização do CPU em ambas as extremidades
Uma transferência SMB ou NFS real com ficheiros representativos

Porque é que o teste não atinge os 10 Gbps completos

Uma ligação 10GbE negociada não garante um resultado de benchmark de 10 Gbps. Vários elementos desta configuração compacta podem reduzir o débito:

Sobrecarga dos protocolos TCP/IP e Ethernet
Eficiência do chipset e do controlador da NIC
Configuração das pistas PCIe e comportamento do controlador
Carga no CPU Intel N150 durante o processamento de vários fluxos de rede
Largura de banda da memória e operações de cópia de dados
Gestão de interrupções e definições de descarga de tarefas
Configuração de rede do sistema operativo
Limites térmicos durante transferências prolongadas

O resultado de 6,84 Gbps confirma que a ligação direta ultrapassa largamente os níveis de 1GbE e 2,5GbE. Não indica necessariamente uma avaria só por ficar abaixo dos 10 Gbps.

A velocidade da rede e a velocidade de cópia de ficheiros são diferentes

O iPerf3 pode gerar tráfego de rede em memória, mas uma transferência real para um NAS tem de ler dados de um dispositivo de armazenamento e escrevê-los noutro.

Tipo de armazenamento	Efeito provável numa transferência 10GbE
Disco rígido mecânico único	Normalmente, torna-se o estrangulamento muito antes de a ligação 10GbE atingir a saturação.
Conjunto RAID com vários HDD	Pode aumentar o débito sequencial, consoante a configuração RAID e o número de unidades.
SSD SATA	Pode ultrapassar 1GbE e 2,5GbE, mas continua abaixo do limite teórico de 10GbE.
SSD NVMe ou conjunto de SSD rápidos	Tem maior probabilidade de se aproximar da capacidade útil de uma ligação 10GbE.

As transferências de ficheiros pequenos também podem ser muito mais lentas do que as transferências sequenciais de ficheiros grandes, porque cada ficheiro implica operações de metadados, sistema de ficheiros, permissões e protocolo.

Os utilizadores que pretendam expandir um NAS de grande capacidade podem consultar o guia de expansão de armazenamento do ZimaBoard 2 relacionado, para obter mais informações sobre unidades, controladores, alimentação e disposição física.

A configuração de rede concluída do ZimaBoard 2

A montagem final mantém o ZimaBoard 2 dentro da sua compacta estrutura metálica para unidades. O NAS liga-se ao switch existente para o acesso habitual à rede, enquanto um cabo separado liga o adaptador PCIe 10GbE diretamente à estação de trabalho.

NAS ZimaBoard 2 ligado a um switch e a uma ligação PCIe 10GbE direta à estação de trabalho

A topologia concluída mantém a ligação LAN habitual e acrescenta um percurso separado de alta velocidade entre o NAS e a estação de trabalho.

Esta configuração híbrida evita atualizar todos os dispositivos de uma só vez. A casa pode manter o router e o switch atuais, enquanto o computador que transfere os ficheiros maiores recebe uma ligação direta mais rápida.

Quando faz sentido uma ligação direta de 10GbE

Uma atualização ponto a ponto é mais útil quando um sistema precisa constantemente de acesso de alta velocidade ao NAS.

Edição de vídeo: Transferir ficheiros de origem de grandes dimensões, caches de projetos e exportações concluídas.
Cópia de segurança da estação de trabalho: Criar ou restaurar imagens de disco de grandes dimensões.
Virtualização: Transferir imagens de máquinas virtuais e aceder a armazenamento de rede de alto desempenho.
Fotografia: Importar e processar grandes bibliotecas de ficheiros RAW armazenadas no NAS.
Desenvolvimento de software: Transferir grandes conjuntos de dados, imagens de contentores e artefactos de compilação.
Migração do NAS: Copiar dados entre uma estação de trabalho e um conjunto de armazenamento substituto.

Um switch de 10GbE torna-se mais adequado quando várias estações de trabalho, servidores ou dispositivos NAS precisam de comunicar entre si a alta velocidade. As ligações diretas podem tornar-se difíceis de gerir à medida que aumenta o número de dispositivos.

O que demonstra o teste da INFO SPEED HARDWARE

Conclusão	O que o vídeo demonstra	Limitação restante
Expansão PCIe	A ZimaBoard 2 pode adicionar uma interface de rede de 10GbE compatível.	A placa de rede escolhida continua a precisar de suporte de controladores para o sistema operativo.
Ligação direta	Uma estação de trabalho pode obter uma ligação de alta velocidade ao NAS sem um switch de 10GbE.	Os outros dispositivos não têm acesso automático a essa largura de banda.
Sub-rede dedicada	A ligação de alta velocidade pode funcionar separadamente da LAN doméstica habitual.	Os endereços e as rotas têm de ser configurados sem conflitos com a rede principal.
Resultado do iPerf3	A configuração testada atinge aproximadamente 6.84Gbps num teste de vários fluxos.	O desempenho de fluxo único e de cópia de ficheiros pode ser inferior.
Desempenho do NAS	O estrangulamento da rede pode ser reduzido muito para além de 1GbE.	O desempenho do HDD, do SSD, do sistema de ficheiros e do SMB continua a determinar a velocidade real de transferência.

Uma atualização direcionada para 10GbE sem reconstruir toda a rede

O projeto da INFO SPEED HARDWARE mostra que ultrapassar o Gigabit Ethernet nem sempre exige substituir toda a rede. A ZimaBoard 2 mantém a ligação LAN habitual, enquanto a ranhura PCIe disponibiliza uma ligação dedicada de 10GbE à estação de trabalho que mais precisa dela.

O resultado de aproximadamente 6.84Gbps no iPerf3 fica bastante aquém da velocidade teórica da ligação de 10Gbps, mas representa ainda assim um aumento significativo face a uma ligação convencional de 1GbE. O projeto também evidencia os limites práticos dos testes de rede: a placa de rede, a ligação PCIe, o CPU, os controladores, o protocolo, o cabo e o conjunto de armazenamento contribuem todos para o resultado final.

Veja o tutorial completo da INFO SPEED HARDWARE sobre 10GbE para conhecer a explicação original sobre a rede, a configuração de IP, o teste de débito e a configuração final do hardware.

A INFO SPEED HARDWARE conclui o tutorial sobre o NAS ZimaBoard 2 com 10GbE direto

A INFO SPEED HARDWARE conclui o teste 10GbE direto do homelab após validar a ligação com o iPerf3.

Se estiver a adicionar uma rede mais rápida ao seu NAS ZimaBoard 2 ou a resolver problemas com um adaptador de rede PCIe, junte-se à comunidade ZimaSpace para partilhar o modelo da sua placa de rede, o sistema operativo, a configuração do armazenamento e os resultados medidos.

Perguntas frequentes

O ZimaBoard 2 pode utilizar uma placa de rede 10GbE?

Sim, pode ligar-se um adaptador de rede compatível através de PCIe. A compatibilidade depende do chipset da placa, dos requisitos PCIe, dos controladores do sistema operativo, do consumo de energia e do arrefecimento.

Preciso de um switch 10GbE para um PC e um NAS?

Não. As duas interfaces 10GbE podem ser ligadas diretamente e receber endereços numa sub-rede dedicada. Um switch é mais útil quando três ou mais dispositivos de alta velocidade precisam de comunicar entre si.

A rede doméstica normal e uma ligação 10GbE direta podem funcionar em conjunto?

Sim. A porta Ethernet integrada pode permanecer ligada à rede doméstica, enquanto o adaptador PCIe assegura a ligação direta ao armazenamento. Normalmente, apenas a interface principal da LAN necessita de um gateway predefinido.

Porque é que uma ligação 10GbE não transfere exatamente a 10Gbps?

10Gbps é a velocidade da ligação. A sobrecarga dos protocolos, os controladores, o comportamento do PCIe, a carga da CPU, a configuração da rede e o método de teste reduzem o débito medido. As transferências reais de ficheiros podem ser ainda mais limitadas pelo desempenho do armazenamento.

O que significa o resultado de 6.84Gbps no iPerf3?

É o débito de rede combinado, medido em vários fluxos TCP paralelos na configuração demonstrada. Isso não significa que todas as transferências de ficheiros SMB atinjam 6.84Gbps.

Um único disco rígido consegue saturar uma ligação 10GbE?

Normalmente, não. Geralmente, um único disco mecânico torna-se primeiro o estrangulamento. Os SSD rápidos, o armazenamento NVMe ou os conjuntos de vários discos são mais adequados para transferências 10GbE de elevado débito.

Devem ativar-se os jumbo frames numa ligação 10GbE direta?

Os jumbo frames podem reduzir a sobrecarga de processamento em alguns ambientes, mas não são necessários para 10GbE. Se forem utilizados, ambos os dispositivos têm de os suportar e utilizar o mesmo MTU. Um MTU incompatível pode causar problemas de conectividade e desempenho.