Der Umstieg vom herkömmlichen Fast Ethernet auf Gigabit verspricht zwar viel Leistungsgewinn bei geringen Investitionskosten und wenig Aufwand. Mit günstigen Netzwerkkarten und in sparsam dimensionierten Firmennetzen lauern jedoch üble Fallen.

Fast Ethernet mit Transferraten von nominell 100 MBit/s ist der Normalfall. Andererseits ist in den letzten Jahren die Anzahl der Gigabit-fähigen Rechner stark gestiegen, schon allein deshalb, weil praktisch alle aktuellen Notebooks, Workstations und Server mit Chipsätzen ausgerüstet sind, die einen Gigabit-Netzwerkanschluss enthalten.

Mischkultur

So ist in vielen Unternehmen über die Jahre ein Mischnetz entstanden, in dem Netzwerk-Switches, Router und ältere Rechner noch mit Fast Ethernet arbeiten, während die Gigabit-fähigen Anschlüsse neuerer Workstations und Server das Potenzial ihrer Netzwerkadapter nicht nutzen. Eine Umstellung aller Komponenten auf Gigabit Ethernet verspricht hier eine schnelle Leistungssteigerung im Netzwerk, und zwar bei sehr überschaubaren Investitionen. Eine so günstige Migration sollte aber gut geplant sein, um nicht neue Engpässe zu schaffen.

Netzwerkinstallationen mit Fast Ethernet aus den letzten fünf Jahren verwenden meist Kabel der Kategorien 5 oder 5e. Der Gigabit-Standard 1000Base-T setzt herkömmliche Cat-5-Kabel voraus, wobei die neueren Cat-5e in der Praxis weniger Störungen versprechen. Jedes mit einer der beiden Varianten ausgestattete Netzwerk lässt sich migrieren, vorausgesetzt es sind doppelt geschirmte Kabel (SF/FTP, Screened Foiled/Foiled Twisted Pair) verlegt. Bei der Neuverkabelung ist Cat 7 die richtige Wahl, es eignet sich selbst für 10GBase-T, den 10-Gigabit-Ethernet-Standard.

Doppelt gemoppelt funktioniert nicht

Ein Problem bei der Umstellung auf Gigabit Ethernet bekommen Unternehmen, die einzelne Ethernet-Kabel für mehrere Dienste oder Rechner verwenden. 100Base-TX verwendet – im Gegensatz zu Gigabit Ethernet – lediglich zwei der vier Adernpaare eines Ethernet-Kabels, die Paare 1 und 4 liegen brach.

Diesen Umstand nutzen Firmen bei Kabel-Knappheit gern, um über das ungenutzte Leitungspaar Systemtelefone oder einen zweiten Rechner anzuschließen. Im Zubehörhandel gibt es Y-Adapter, die einen voll belegten Ethernet-Anschluss auf zwei Ethernet-Buchsen aufteilen, bei denen dann nur die Leitungen 2 und 3 belegt sind. Eine Alternative zu den Y-Adaptern bei 100Base-TX ist, beide Netzwerkanschlüsse einer Ethernet-Doppeldose jeweils nur mit zwei Adernpaaren zu belegen.

Bei der Umstellung auf Gigabit Ethernet müssen in diesem Fall sämtliche Ethernet-Dosen neu verkabelt werden, wobei die Hälfte der bisherigen Netzwerkanschlüsse entfällt. Die angesprochenen Y-Adapterkabel sollten auf keinen Fall umgekehrt, also zur Vereinigung zweier halb belegter Netzwerkanschlüsse zu einem voll belegten, eingesetzt werden, da dies zu verstärktem Übersprechen und schlechteren Signalen führt.

Jumbo-Frames

Um die Migration in solch unterdimensionierten Netzen zu erlauben, ist der Wegfall der Netzwerkanschlüsse durch den Einsatz von Gigabit-Switches in den Büros zu kompensieren. Gerade günstige Modelle haben aber zwei gravierende Nachteile: Erstens werden sie häufig mit sehr lauten, in Büros unzumutbaren Lüftern gekühlt, zweitens beherrschen sie meist keine Jumbo-Frames.

Solche großen Frames nutzen mit bis zu 9000 Bytes pro Frame die verfügbare Bandbreite sehr viel effizienter als herkömmliche, 1500 Bytes lange Ethernet-Frames bei 100Base-TX, da die Jumbo-Frames den gesamten Ethernet-, TCP- und IP-Protokoll-Overhead von vier herkömmlichen Frames einsparen. Der Einkäufer von Netzwerkkomponenten sollte unbedingt darauf achten, dass sowohl die Switches als auch die Netzwerkkarten und die Treiber mit Jumbo-Frames auch umgehen können.

Ist die Verbindung gestört, erweisen sich Jumbo-Frames aber manchmal auch als Bremse: Hat eine Netzwerkkarte das Datenpaket nicht korrekt empfangen, muss der Absender alles komplett wiederholen. Bei kurzen Frames ist die Wahrscheinlichkeit für eine Störung kleiner, daher ist es effizienter, mit kleineren Frames zu experimentieren.

Die meisten Linux-Treiber für Gigabit-Netzwerkkarten unterstützen bereits Jumbo-Frames, es gibt jedoch auch Ausnahmen: Das Modul »dl2k« für die D-Link-Karten der DL-2000-Familie beherrscht zum Beispiel nur eine maximale Frame-Größe von 8000 Bytes. Bei Realteks Gigabit-Ethernet-Chip 8169, der zu den verbreitetsten gehört, stehen sogar nur 7200 Bytes für ein Jumbo Frame zur Verfügung. Das ist eine Vorsichtsmaßnahme der Maintainer des Moduls »r8169«, sie definieren 7200 Bytes als sichere Frame-Größe, bei größeren Frames treten noch massive Probleme auf.

Rückständige Treiber

Die Module »ns83820«, »hamachi«, »yellowfin« und »sis190« von Kernel 2.6.17.13 sind noch gar nicht auf Jumbo-Frames ausgelegt, sodass zum Beispiel die Netzwerkschnittstellen vieler Mainboards mit SIS-Chipsatz und einige SMC-Gigabit-Netzwerkkarten nur gebremst arbeiten.

Die Netzwerkkarten mit Broadcoms Tigon-Chips, zum Beispiel die 3Com 3C985 sowie Netgear GA620, empfehlen sich besonders für Server, da sie die meisten Protokollangelegenheiten und auch die Checksummen-Überprüfung über die Firmware selbst erledigen – das entlastet den Prozessor erheblich.

Im Gegensatz dazu überlassen etwa in den Chipsatz integrierte Netzwerkadapter wie Intels Ethernet Pro 1000 und auch der weit verbreitete Realtek 8169 diese Arbeit typischerweise den Treibern, was erhebliche Systemlast und Einbußen bei der Transferrate verursacht. So schaffen es Gigabit-Ethernet-Karten mit Realteks 8169 und PCI-Express-Anschluss in der Praxis nach vielen Berichte selbst auf einem 2-GHz-Pentium nicht, mehr als 400 MBit/s zu übertragen.

Abbildung 1: Die PCI-Slots sind meist nur mit 33 MHz getaktet, was die Transferrate auf 133 MByte/s beschränkt, während PCI-X bei 133 MHz Bustakt theoretisch 1 GByte/s erreicht. Die Zukunft ist PCI Express mit 240 MByte/s pro Datenkanal. Der x4-Anschluss besitzt gleich vier davon, der x16-Anschluss sogar 16.

Die Busfrage

Gigabit-Netzwerkkarten können mit einer theoretischen maximalen Transferrate von 128 MByte/s den PCI-Bus in arge Bedrängnis bringen, hat er doch bei 33 MHz Bustakt nur eine maximale Datentransferrate von 133 MByte/s. Dies gilt selbst für aktuelle Server-Mainboards, zum Beispiel Tyans Thunder n3600B oder das Asus K8N-LR, die den PCI-Standard 2.3 verwenden, jedoch nur für einen Bustakt von 33 statt der erlaubten 66 MHz ausgelegt sind.

Sofern das Server-Mainboard bereits über die 64 Bit breiten PCI-X-Slots mit bis zu 512 MByte/s Transferrate verfügt, spricht nichts dagegen, 64-Bit-Netzwerkkarten wie zum Beispiel 3Coms 3C996B-T [1] einzusetzen. Das Angebot an PCI-X-Netzwerkkarten ist noch vergleichsweise groß, allerdings haben viele Hersteller wie 3Com ihre PCI-X-Produkte bereits abgekündigt. Die Zukunft geht eindeutig in Richtung PCI-Express (PCIe) mit effektiv 240 MByte/s pro Datenkanal (Lane), wobei aktuelle Chipsätze bereits über 22 Datenkanäle verfügen, die der Mainboard-Hersteller auf mehrere PCI-Express-Anschlüsse verteilen kann. Geplant sind bis zu 48 PCIe-Kanäle pro Mainboard.

Gegenwärtig entfallen üblicherweise 16 der 22 Kanäle auf den Grafikkarten-Anschluss, die verbleibenden sechs teilen sich meist ein PCIe x4 mit vier Datenkanälen und zwei PCIe x1 mit je einer Lane. Für Kupferkabel gibt es derzeit nur PCI-Express-Netzwerkkarten mit einer Lane, zum Beispiel Intels Pro/1000 PT für 30 bis 40 Euro. Diese passen aber auch in einen PCIe-x4-Anschluss.

Wie bei PCI-X passen kürzere Karten in einen längeren Slot, die überzähligen Lanes bleiben ungenutzt. Andersrum ist es noch nicht möglich, PCIe-x4-Karten in einem PCIe-x1-Slot zu verwenden. Das von PCI-X bekannte Feature, PCI-Karten mit mehr Datenleitungen in einem kurzen PCI-Slot zu betreiben, unterstützen die aktuellen Chipsätze nicht.

PCI-Express für die Zukunft

Für Linux spielt das verwendete PCI-Bussystem keine Rolle, der bei Redaktionsschluss aktuelle Kernel 2.6.17.13 unterstützt alle gängigen Chipsätze mit PCI, PCI-X und PCI-Express problemlos. Welche Netzwerkkarten die beste Wahl für eine Migration auf Gigabit Ethernet sind, hängt vor allem davon ab, ob vorhandene Server-Hardware zum Einsatz kommen soll oder neue.

Die Empfehlung ist PCI-Express bei Neuanschaffungen und PCI-X bei der Aufrüstung von Servern ohne PCI-Express, aber mit freien PCI-X-Slots. Billige Gigabit-Karten mit herkömmlichem PCI-Anschluss sind allenfalls ein Notnagel, besonders solche, die mit dem Realtek 8169 oder anderen wenig intelligenten Chipsätzen ausgestattet und entsprechend langsam sind.