NAS-Systeme: Benchmarks und Testsystem

Im diesem Artikel erläutern wir die einheitliche Testmethodik für NAS-Systeme seit Dezember 2017. Neben der reinen Übertragungsgeschwindigkeit zwischen dem PC und dem NAS-System – Schreiben sowie Lesen mit unterschiedlich großen Dateien –, stehen dabei auch die Leistungsaufnahme und Lautstärke der getesteten Systeme im Fokus.

Testmethodik

Im Folgenden wird die einheitliche Testmethodik für NAS-Systeme seit Dezember 2017 erläutert. Neben der reinen Übertragungsgeschwindigkeit zwischen dem PC und dem NAS-System (Schreiben sowie Lesen), stehen dabei auch die Leistungsaufnahme und Lautstärke der getesteten Systeme im Fokus.

Testsystem 2017 bis Mitte 2021

Für die Übertragung der Dateien nutzen wir nachfolgend aufgeführtes Testsystem. Damit das System in der Lage ist, sämtliche Daten schnell genug an das getestete NAS-System zu übertragen, wird nicht nur auf einen schnellen Prozessor zurückgegriffen, sondern im PC kommt nur für die Übertragung an das NAS-System eine Crucial M4 SSD mit 256 GB zum Einsatz.

Als Netzwerkkarte werden insgesamt zwei Intel Gigabit CT Desktop-Adapter mit dedizierter Bandbreite eines PCI-Express-I/O-Busses eingesetzt. Sofern im Test nicht anders angegeben, wird immer nur eine Netzwerkkarte genutzt. Der Netzwerk-Adapter basiert auf Intels Gigabit-Ethernet-Controller 82574L. Der Arbeitsspeicher wurde auf nur zwei Gigabyte festgelegt, um ein übermäßiges Cachen der Dateien zu vermeiden und um Intels NAS Performance Toolkit einsetzen zu können, das bei größerem Arbeitsspeicher falsche Ergebnisse liefert. Für Link Aggregation wird ein zweiter Computer genutzt, wobei beide Systeme gleichzeitig gescriptet dieselbe Operation auf dem NAS auslösen.

• Prozessor
  • Intel Core i7-2600K
• Hauptplatine
  • MSI Z68A-GD80 (B3)
• Arbeitsspeicher
  • 2 GB DDR3-1.333
• Netzwerkkarten
  • Intel Gigabit CT Desktop-Adapter, PCIe x1
• Grafikkarte
  • Intel HD 2000
• Interne Festplatten
  • System: Mach Xtreme MX-DS Fusion 60 GB
  • Dateitransfers: Crucial C400 256 GB
• Betriebssystem
  • Microsoft Windows 8 64 Bit
  • Microsoft Windows PowerShell 3.0

In NAS-Systemen für 3,5-Zoll-Laufwerke kommen vier Terabyte große IronWolf NAS HDD ST4000VN008 zum Einsatz.

Testsystem seit Mitte 2021

Seit 2021 kommt ein aktuelleres Testsystem zum Einsatz, bei dem nunmehr auf eine M.2-SSD gesetzt wird, um die Transferraten des PCs deutlich zu erhöhen. Zudem ist nun vermerkt, dass als Netzwerkkarte nicht nur für 10-Gigabit-Ethernet eine QNAP QXG-10G1T zum Einsatz kommt.

Bei den 3,5-Zoll-Laufwerken für das NAS werden nun neue Seagate IronWolf Pro 20 TB eingesetzt, die eine höhere Datenübertragung bieten. Durch sie wird erreicht, dass NAS-Systeme später das Leistungslimit der Laufwerke erreichen, da sie mit 2,5- oder gar 10-Gigabit-Ethernet von schnelleren Laufwerken profitieren.

Die IronWolf Pro 20 TB ist für eine maximale Workload-Rate von 300 TB pro Jahr ausgelegt und erreicht einen anhaltenden Datendurchsatz von 285 MB/s. Das 20-TB-Modell bietet in dieser Hinsicht noch einmal etwas mehr als die IronWolf Pro 18 TB, die auf 260 MB/s kommt. Die Laufwerke der IronWolf-Pro-Serie verfügen zudem über die IronWolf-Health-Management-Software, die eine Überwachung des Laufwerkzustands in unterstützten NAS-Systemen ermöglicht.

In den IronWolf Pro 20 TB im 3,5-Zoll-Format mit normaler Höhe sind nunmehr zehn Platter verbaut, also ein Platter mehr als bisher. So kann die Speicherkapazität auch ohne SMR oder eine andere Technik wie HAMR oder MAMR auf 20 TB gesteigert werden. Die Speicherkapazität pro Platter bleibt nämlich wie beim 18-TB-Modell bei 2 TB.

Die neuen IronWolf Pro 20 TB kamen zum ersten Mal im Test der Synology DS923+ zum Einsatz.

Die Laufwerke werden immer im RAID betrieben. Bei einem NAS für maximal zwei Laufwerke, kommen zwei HDDs im RAID 1 zum Einsatz. Können mehr als zwei Laufwerke genutzt werden, werden sie im RAID 5 betrieben. Alle Messungen zur Lautstärke und Leistungsaufnahme werden immer mit maximaler Anzahl an HDDs im NAS durchgeführt, etwaige Erweiterungskarten oder ein SSD-Cache sind dabei aber nicht konfiguriert, da nicht alle NAS diese Optionen bieten.

• Prozessor
  • AMD Ryzen 5 1600X
• Hauptplatine
  • Asus ROG Strix B550-E Gaming
• Arbeitsspeicher
  • 16 GB DDR4
• Netzwerkkarten
  • 2 × QNAP QXG-10G1T
• Grafikkarte
  • AMD Radeon RX6700 XT
• Internes Laufwerk
  • Adata XPG Legend 840 1 TB SSD
• Betriebssystem
  • Microsoft Windows 10 64 Bit

Benchmarks

RAID1 oder RAID5 mit ext4 oder btrfs

Lese- und Schreibgeschwindigkeiten der NAS-Systeme werden wie bereits erwähnt immer mit der maximal möglichen Anzahl an Laufwerken im NAS ermittelt. Kann das NAS nur eine Festplatte aufnehmen, wird diese als Einzellaufwerk konfiguriert, zwei Laufwerke als RAID 1 und ab drei Laufwerken kommt RAID 5 zum Einsatz. Während bei älteren Tests als Dateisystem ext4 eingesetzt wurde, beherrschen inzwischen auch viele NAS-Systeme btrfs. Aufgrund der Probleme, die btrfs im Zusammenspiel mit RAID5 und RAID6 aufweist, setzen viele Hersteller wie beispielsweise Synology dabei auf ein MD RAID und nicht die btrfs-Integration. Für Nutzer ist dies je nach Umsetzung des Herstellers nicht zwingend von Nachteil, da sie so theoretisch das Beste aus beiden Welten erhalten.

Die Standard-Benchmarks werden mit einer unverschlüsselten Übertragung durchgeführt. Da aber nicht nur aufgrund der Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) der Datenschutz auch bei NAS-Systemen für kleine Unternehmen von immer höherer Bedeutung ist, wird auch der Transfer mit aktivierter AES-256-Verschlüsselung geprüft. Viele Systeme erreichen auch bei aktivierter Verschlüsselung inzwischen Dateiübertragungsraten, die gar nicht oder nur geringfügig langsamer sind als ohne aktivierte Verschlüsselung.

Link Aggregation mit mehreren Clients

Die Link Aggregation wird über den gleichzeitigen Transfer mehrere Systeme auf das NAS mit identischer Operation durchgeführt, da die teilweise für die gescripteten Benchmarks genutzten Übertragungsprotokolle sonst unter Windows nicht von einer einzelnen, schnellen Übertagung profitieren, selbst wenn der Switch und das NAS die dynamische Link-Aggregation nach IEEE 802.3ad (LACP) beherrschen. Kann beim NAS keine Link Aggregation mit LACP eingesetzt werden, kommt in den Test der automatische Lastausgleich der Netzwerkschnittstellen durch das NAS zum Einsatz, der in Verbindung mit jedem Switch genutzt werden kann. Beim Einsatz von LACP muss nämlich der Switch dies ebenso unterstützen und entsprechend konfiguriert werden. Der automatische Lastausgleich funktioniert hingegen unabhängig vom Switch, da er vom NAS vorgenommen wird, und kann deshalb auch mit einem Switch genutzt werden, der kein 802.3ad unterstützt.

SSD-Cache und SS-Speicherpool

Neben dem Einsatz eines Speicherpools bestehend aus herkömmlichen HDDs bieten immer mehr NAS-Systeme die Möglichkeit, einen zusätzlichen SSD-Cache mit NVMe-SSDs einzusetzen.

In den Tests kommen zwei Seagate IronWolf 510 mit 480 GB zum Einsatz. Sie werden als SSD-Cache im RAID 1 als Lese- und Schreibcache genutzt – sequentielles I/O wird dabei für den Test ebenfalls über die Laufwerke geschrieben und nicht direkt auf die HDDs. Die IronWolf 510 mit 480 GB bietet 2.650 MB/s beim sequentiellen Lesen und 193.000 IOPS beim wahlfreien Lesen. Dabei setzt Seagate auf TLC-3D-NAND mit 3 Bit pro Speicherzelle. Das Modell ist auf 1 „Drive Write Per Day“ (DWPD) spezifiziert, womit der Hersteller garantiert, dass sich die SSD einmal am Tag über die vollständige Kapazität beschreiben lässt – und zwar über die gesamte Dauer der Garantie von fünf Jahren. Die SSD im M.2-2280-Formfaktor ist in Speicherkapazitäten von 240 GB bis 1,92 TB erhältlich.

Durch den SSD-Cache kann der Datenzugriff potentiell bei kleinen Dateien im wahlfreien Zugriff deutlich profitieren, da die Zugriffszeiten von SSDs viel geringer sind als die von HDDs und der Durchsatz höher ist. Im Alltag ist zudem wichtig zu bedenken, dass der Cache nur häufig genutzte Dateien vorhält, so dass eben nur sie von ihm profitieren. Dies kann sich dann aber auch bei der Nutzung von Containern oder vielen Apps auf dem NAS bemerkbar machen, wenn sie zu erhöhten Zugriffen auf die Laufwerke führen.

Sofern es das NAS ermöglicht, werden zusätzliche Testreihen durchgeführt, bei denen die SSDs direkt als Speicherpool genutzt werden können und so theoretisch gar keine HDDs mehr eingesetzt werden müssen. Dies können bisher nur wenige NAS-Systeme wie beispielsweise das TerraMaster T6-423 (Test).

Details zu etwaigen Einschränkungen und Einstellungsmöglichkeiten sind jeweils im Test des NAS angegeben.

CIFS-Dateitransfer

Bei der Messung der Dateiübertragungsgeschwindigkeit nutzen wir ein selbst erstelltes Microsoft-PowerShell-Skript, welches einerseits eine einzelne 5,9 Gigabyte große Datei (eine unkomprimierte 4K-Videodatei) und andererseits eine Ordnerstruktur mit insgesamt 3.884 Dateien, die insgesamt 15 Gigabyte groß sind, zwischen PC und NAS überträgt. Der Ordner besteht dabei aus dem Ordner „Tracks“ vom Spiel „F1 2012“ (1.285 Dateien, 47 Ordner, 2,71 Gigabyte) und einer MP3-Sammlung mit insgesamt 2.599 Musikstücken in 240 Ordnern.

Bei den Dateiübertragungen wurde darauf Wert gelegt, dass sie groß genug sind, um nicht komplett im Arbeitsspeicher des PCs und der getesteten NAS-Systeme gespeichert werden zu können. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich praxisferne Werte ergeben, da keine echten Schreib- und Lesezugriffe durchgeführt werden müssen.

Die Übertragung (Schreiben und Lesen) der einzelnen Datei und der Ordnerstruktur erfolgt stets im Wechsel, um ein Caching zu vermeiden. Dank der integrierten Zeitfunktion kann zudem auch die Übertragungsdauer exakt ermittelt werden. Die Messwerte aus dem Diagramm ergeben sich durch die einfache Rechnung „Dateigröße geteilt durch die gemessene Zeit“. Auch bei diesem Test wurde jeder Vorgang dreimal ausgeführt.

Das Common Internet File System (kurz CIFS) wird vorwiegend in Windows-basierten Netzwerken eingesetzt. Es ist eine Weiterentwicklung des SMB-Protokolls (Server Message Block) und wurde 1996 von Microsoft eingeführt. Im Unterschied zu SMB oder SMB mit NetBIOS über TCP/IP werden bei CIFS die Daten direkt über das TCP/IP-Protokoll übertragen, so dass deutlich an Overhead gespart wird. Neben der Datei- und Druckerfreigabe werden auch zusätzliche Dienste wie der Microsoft Remote Procedure Call oder der NT-Domänendienst angeboten. Im Gegensatz zu FTP handelt es sich somit nicht um ein reines Dateiübertragungsprotokoll.

NAS Performance Tester

Inzwischen hat ComputerBase zudem den NAS Performance Tester in die Testreihe aufgenommen, der eine einfache und für jeden Leser nachstellbare Geschwindigkeitsermittlung des NAS-Systems ermöglicht. Das kostenlose Programm ermittelt die Lese- und Schreibgeschwindigkeit in Megabyte pro Sekunde über SMB/CIFS, wobei unterschiedlich große Übertragungsgrößen eingestellt werden können, die dann in mehreren Durchlaufen zur Ermittlung eines Mittelwerts absolviert werden.

USB-Backup

Zukünftig spielt zudem die Geschwindigkeit eines Backups über den schnellsten verbauten USB-Anschluss des NAS eine Rolle. Dabei werden 25 GB über USB geschrieben und gelesen und die Zeit gestoppt. Dieser Vorgang wird abwechselnd in jede Richtung drei Mal wiederholt und die gemessene Zeit gemittelt. Hierfür kommt eine externe SSD zum Einsatz.

Intel NAS Performance Toolkit

Das NAS Performance Toolkit aus dem Hause Intel wurde speziell für Performance-Messungen von Speichersystemen, insbesondere kleinen Office-NAS-Systemen, entwickelt. Die rund 52 MB große Software auf Basis des Microsoft .NET Framework umfasst in der derzeit aktuellen Version 1.7.1 insgesamt zwölf einzelne Tests, wobei der Fokus hauptsächlich auf Anwendungen mit High-Definition-Video-Inhalten gelegt wurde und typische Abläufe im digitalen Alltag darstellt. Backup & Restore gehören ebenso zum Portfolio wie das einfache Kopieren von Dateien und Verzeichnissen in beide Richtungen. Tests zur Content-Erstellung sowie Zugriffsmuster eines Fotoalbums runden das Paket ab. Das NAS Performance Toolkit steht für jedermann auf der Homepage des Herstellers frei zum Download bereit. Sämtliche Messungen werden mit Standardeinstellungen vorgenommen. Um eventuelle Ausreißer in den Messwerten zu eliminieren, werden alle Tests dreimal durchgeführt und am Ende der jeweilige Mittelwert gebildet.

Im Folgenden erläutern wir, was sich hinter den einzelnen Tests des Intel NAS Performance Toolkits genau verbirgt.

HD Video Playback: Der HD-Video-Playback-Test simuliert die Wiedergabe einer Videodatei im MPEG-2-Format mit einer Auflösung von 720p und einer Aufnahmelänge von rund zehn Minuten. Dabei wird eine einzelne 1,3 GB große Datei vom NAS-System gelesen. Die Zugriffe sind zu 99,5 Prozent sequentiell.

2x HD Playback: In diesem Test werden zwei Kopien des zuvor genannten Videos vom NAS-System gelesen. Dabei werden 1,4 GB übertragen, die zwei Videostreams mit einer Länge von rund sechs Minuten repräsentieren. Ungefähr 18 Prozent der Transaktionen sind sequentiell.

4x HD Playback: Vier Dateien mit jeweils 310 MB repräsentieren die Wiedergabe von vier gleichzeitigen Videostreams für 3 Minuten und 45 Sekunden. Elf Prozent der Zugriffe sind sequentiell.

HD Video Record: In diesem Test wird das Aufnehmen eines rund 15 Minuten langen MPEG-2-Videos in 720p simuliert. Hierfür wird eine einzelne Datei mit einer Größe von 1,6 GB sequentiell auf das NAS-System geschrieben.

HD Playback & Record: Gleichzeitige Wiedergabe (Lesen vom NAS-System) und Aufnahme (Schreiben auf das NAS-System) von circa 500 MB großen 720p-Videodateien.

Content Creation: Beim Content-Creation-Test kommt ein geskripteter Ablauf zum Einsatz, der das Erstellen eines Videos aus unterschiedlichen Quellmaterialien simuliert. Der Test umfasst das Schreiben einer einzelnen großen Datei, die das Video darstellt. Zudem werden viele kleine Dateien gelesen und geschrieben. Der Test besteht zu 95 Prozent aus Schreibzugriffen auf das NAS-System.

Office Productivity: In einer geskripteten Sequenz werden typische Arbeitsabläufe – E-Mails, Tabellenkalkulationen – simuliert. Insgesamt 2,8 GB werden zu gleichen Teilen vom NAS-System gelesen und auf das System geschrieben. 607 Dateien zwischen 12 Byte und 200 MB werden dabei übertragen. Die mittlere Dateigröße der Lesezugriffe beträgt 2,2 kB, während die mittlere Größe der Schreibzugriffe bei 1,8 kB liegt.

File-Copy zu NAS: Eine einzelne Datei mit einer Größe von 1,4 GB wird auf das NAS-System geschrieben. Die Zugriffe sind vollständig sequenziell.

File-Copy von NAS: Eine einzelne Datei mit einer Größe von 1,4 GB wird vom NAS gelesen. Die Zugriffe sind vollständig sequenziell.

Dir-Copy zu NAS: Eine komplexe Ordnerstruktur mit insgesamt 2.833 Dateien wird auf das NAS-System geschrieben. Der genutzte Ordner entspricht einer typischen Installation einer Office Suite. Insgesamt werden 247 MB mit einer durchschnittlichen Schreibgröße von 41,4 kB kopiert. Lediglich 52 Prozent der Schreibzugriffe sind sequentiell, da viele Dateien sehr klein sind.

Dir-Copy von NAS: Identisch zum Dir-Copy-zu-NAS-Test, aber in die entgegengesetzte Richtung, so dass viele Lesezugriffe erzeugt werden.

Photo Album: 169 Dateien mit einer Größe von insgesamt 0,81 GB werden auf das NAS-System geschrieben. Die Dateigröße variiert stark, circa 80 Prozent der Zugriffe sind sequentiell.

Da sowohl die NAS-Server als auch das Testsystem, das die Daten auf das NAS-System schreibt und von diesem liest, versuchen, Dateien im lokalen Speicher zwischenzuspeichern, um Schreib- und Lesezugriffe auf die Festplatten zu minimieren, sind Ergebnisse möglich, die über der theoretisch maximal möglichen Dateiübertragungsrate des Netzwerkes liegen. Systeme, die über einen größeren RAM verfügen, weisen diese Problematik häufiger auf. Aus diesem Grund ist beispielsweise auch der Arbeitsspeicher unseres Testsystems wie bereits erwähnt nur zwei Gigabyte groß.

Leistungsaufnahme

Für die Bestimmung der Leistungsaufnahme der getesteten NAS-Systeme werden drei Messwerte ermittelt. Neben der Leistungsaufnahme bei Ruhezustand der Festplatten wird auch die Leistungsaufnahme im Leerlauf und beim Schreibzugriff auf das System gemessen. Die Wirkleistung in Watt wird dabei mit einem herkömmlichen Energiekosten-Messgerät bestimmt.

Lautstärke

Für die Messung der Lautstärke nutzen wir ein Voltcraft-322-Schallpegelmessgerät, welches den anliegenden Schalldruck in einem Bereich von 30 bis 130 Dezibel nach den bekannten A-Bewertungskurven ausgibt. Da die Messungen unter Nicht-Laborbedingungen in einem normalen Arbeitsraum stattfinden, können die erzielten Ergebnisse lediglich als ungefährer Anhaltspunkt dienen. Die Messungen erfolgen in einer Entfernung von lediglich 30 Zentimetern zum NAS-Server. Dabei ist das Schallpegelmessgerät zentral vor dem NAS-System platziert. Im Server wird stets die maximal mögliche Anzahl einsetzbarer Festplatten betrieben, sofern im Diagramm nicht anders angegeben. Es werden zwei Messungen durchgeführt. Eine Messung bei Leerlauf des Systems, wobei sich die Festplatten nicht im Standby-Modus befinden, und eine beim Schreibzugriff auf die im NAS-System verbauten Festplatten.

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