Ethernet Gigabit : où est passé le débit ?

Introduction

Alors que nous sommes souvent relativement prompts à changer de carte graphique, à augmenter la quantité de RAM ou à overclocker le processeur, il en va autrement de l’équipement réseau, notamment en ce qui concerne le passage d’un réseau personnel du 100 Mbits/s vers le Gigabit. Juste avant de franchir finalement le pas, je me suis adonné à un petit test rapide : le transfert d’un fichier assez lourd. Sur le matériel 100 Mbits/s, ce transfert pris environ une minute trente. Puis je suis passé au Gigabit. Le temps de transfert du même fichier est tombé à 40 secondes. Les performances étaient sensiblement améliorées, mais pas multipliées par 5 ou 10 comme je le pensais.

Gigabit Ethernet ? C’est quoi ?

Si vous êtes un crack des réseaux et que vous savez déjà tout sur le MTU (Maximum Transmission Unit), le format des cadres et les moindres détails de l’optimisation réseau, cet article va vous paraître élémentaire. En revanche si la seule chose que vous savez sur les réseaux, c’est qu’il y a des câbles et des switch, continuez à lire. Nous allons traiter les bases des réseaux Gigabit, les variables qui affectent le vitesse du réseau, et ce qu’un particulier peut faire pour profiter au mieux de l’Ethernet Gigabit.

Qu’est ce qui constitue un réseau Gigabit ?

Il est nécessaire que tous les éléments du réseau supportent le Gigabit, car celui-ci fonctionnera à la vitesse du plus petit dénominateur commun. Si par exemple vous faites fonctionner un réseau avec des cartes réseaux Gigabit et des câbles compatible Gigabit, mais que votre hub/switch ne peut dépasser un débit de transfert de plus de 100 Mbits/s, alors votre réseau fonctionnera à cette vitesse.

Le premier pré-requit est un contrôleur réseau, dans la mesure où vous souhaiterez sans doute que toute les machines du réseau soit équipées d’un contrôleur réseau supportant le Gigabit ou d’une carte mère adaptée. C’est certainement l’une des choses les faciles à obtenir, puisque la plupart des cartes mères fabriquées ces dernières années sont équipées d’au moins un contrôleur ethernet Gigabit.

Le second pré-requis est que le câble réseau soit compatible Gigabit. On croit souvent à tort que la technologie Gigabit nécessite l’utlisation de câbles catégorie 5e, mais en réalité, même le moins récent des catégorie 5 est compatible Gigabit. Ceci dit, les câbles catégorie 5e possèdent de meilleures caractéristiques contre les interférences électromagnétiques et s’avèrent donc être un choix judicieux pour ce type de réseau, en particulier dans le cadre de l’utilisation de câbles longs. Pour être honnête, les 5e sont certainement les moins chers que vous trouverez aujourd’hui, les catégorie 5 étant dépassés. Les câbles catégorie 6, plus récents et plus chers, sont également plus que recommandés. Nous ferons un comparatif des câbles catégorie 5e et catégorie 6 plus loin dans l’article, juste pour nous en assurer.

Enfin, l’élément le plus onéreux d’un réseau Gigabit est un switch compatible Gigabit. Un switch Gigabit est le périphérique minimum de base pour toute personne qui s’intéresse aux performances réseaux, celui-ci redirigant les paquets vers le port approprié. Un routeur peut aussi faire office de switch et connecter votre LAN à Internet. De plus, la majorité des gens utilisant une LAN se rendront probablement compte des bénéfices qu’ils pourraient tirer d’un routeur. Ce dernier représente donc une alternative séduisante.

Gigabit : quelle vitesse ?

Quelle est la vitesse d’un Gigabit ? Si vous voyez le préfixe “Giga” et pensez à 1000 Megaoctets, vous devez aussi vous dire qu’un réseau Gigabit devrait fournir un débit de 1000 Mo par seconde. Si tout cela vous semble cohérent, vous n’êtes pas le seul, mais vous allez surement être très déçu dans peu de temps.

C’est quoi alors un Gigabit ? C’est en fait 1000 megabits et pas 1000 kilobits. De plus, il y a huit bits dans un octet, donc si on calcule : 1.000.000.000 de bits divisés par 8 octets = 125.000.000 d’octets. Il y a environ un million d’octet dans un mégaoctet, et donc un réseau Gigabit être capable de fournir un vitesse de transfert théorique de 125 Mo/s.

Bien qu’un débit de 125 Mo/s puisse ne pas sembler aussi impressionnant que le terme de Gigabit, si on y réfléchit un réseau fonctionnant à un telle vitesse devrait théoriquement être en mesure de transférer un gigaoctet d’information en à peine huit secondes. Cette vitesse est considérable, et si vous voulez un point de comparaison, souvenez vous du temps de transfert d’un gigaoctet de données, avant que les clés USB soit aussi rapides que maintenant.

Fort de ces attentes, nous allons entreprendre de transférer un fichier via le réseau Gigabit et de surveiller la vitesse afin de voir si cette dernière se rapproche de 125 Mo/s. Nous n’utilisons pas un “super réseau”, simplement des machines de tous les jours, équipées de composants technologiques convenables.

Copier plusieurs fois le même fichier de 4,3 Go d’un PC à un autre, s’est soldé par une vitesse de transfert avoisinant les 35,8 Mo/s de moyenne. C’est seulement 30 % des 125 Mo/s théoriques d’un réseau Gigabit.

Alors quel est le problème ?

Facteurs limitants d’un réseau

Tandis qu’il est assez facile de rassembler les éléments nécessaires à la création d’un réseau Gigabit, parvenir à le faire fonctionner à la vitesse maximum s’avère être plus compliqué. Les facteurs de ralentissements d’un réseau sont multiples, mais comme nous allons le découvrir, tout tient à la capacité des disques durs à transmettre les données au contrôleur réseau.

Le premier facteur de limitation que nous devrions prendre en considération est l’interface du réseau Gigabit avec le système. Si vous utilisez un contrôleur qui est interfacé via l’ancien bus PCI par cotre carte mère, le débit du volume de données devrait être théoriquement de 133 Mo/s. Bien que cela semble être suffisant comparé au 125 Mo/s théoriquement atteint par un réseau Gigabit, souvenez-vous que la bande passante du bus PCI est partagée à l’ensemble du système. Toute carte PCI supplémentaire ainsi que de nombreuses ressources système partagerons cette bande passante, limitant le débit disponible pour la carte réseau. Sur les récents systèmes PCI Express (PCIe), cela ne devrait plus être un problème dans la mesure où toutes les voies PCIe disposent d’un débit minimum de 250 Mo/s qui leur est exclusivement attribué.

La câblage du réseau fait partie des éléments qui sont parfois sous-estimés. On dit souvent qu’une vitesse faible est due à la présence de fils électriques et de câbles d’alimentation près des câbles réseau. La longueur des câbles peut également se révéler être problématique, puisque les catégorie 5e en cuivre ne sont vraiment efficaces que sur 100 mètres.

Ces derniers aspects sont soutenus par ceux qui utilisent des câbles catégorie 6, au lieu des catégorie 5e. Bien que ces affirmations soient assez difficiles à quantifier, nous sommes certainement en mesure de tester de quelle façon les petits réseau Gigabit personnels sont affectés.

N’oublions pas non plus le système d’exploitation. Bien qu’il ne soit probablement pas beaucoup utilisé pour le fonctionnement de réseau Gigabit de nos jours, nous nous devons de mentionner que Windows 98 SE (où autres OS moins récents) ne tirera aucun bénéfice d’un réseau Gigabit, dans la mesure où leurs piles TCP/IP peineront à profiter pleinement d’une connexion 100 Mbits. Windows 2000 ainsi que les versions plus récentes de l’OS de Microsoft feront l’affaire, même si vous aurez des ajustements à faire dans le cas d’OS plus anciens afin de leur permette de fonctionner à leur niveau maximum. Notre test utilisera Windows Visa 32 bits, qui bien qu’ayant la mauvaise réputation qu’on lui connait, est optimisé afin de faire fonctionner un réseau Gigabit sans add-on.

Ensuite, intéressons nous aux disques durs. Même l’ancienne interface IDE arborant les normes ATA/133 devait être capable de supporter un taux de transfert théorique de 133 Mo/s et la nouvelle norme SATA devrait fournir une bande passante d’au moins 1,5 Go/s sans trop de difficulté. Cependant, si les câbles et les contrôleurs parviendront à gérer les données, les disques durs quant à eux risquent de ne pas s’en sortir.

Prenez en compte qu’un disque dur moderne standard de 500 Go sera certainement capable de supporter des taux de transferts avoisinants les 65 Mo/s. Il est possible que ce taux soit plus important au début du disque et ralentisse au cours de l’opération. Les données contenues à la fin du disque seront lues encore plus lentement, sans doute aux alentours de 45 Mo/s.

Ceci étant dit, nous savons maintenant d’où vient notre goulot d’étranglement. Que pouvons-nous faire ? Effectuons des tests et voyons si nous pouvons nous rapprocher des performances théoriques maximum de notre réseau (125 Mo/s).

Configurations de test

Tests Réseau : nos attentes

Avant de faire quoi que ce soit, nous devrions tester nos disques durs sans le réseau afin d’estimer le débit auquel on peut s’attendre dans un scénario idéal.

Deux machines prennent part à notre test. La première, que nous appellerons “Server”, possède deux disques durs : le principal est un Seagate Barracuda ST3320620AS de 320 Go, il a quelques années. Le serveur sert de NAS (serveur de stockage) via un RAID composé de deux disques Hitachi Deskstar 0A-38016 de 1 To en redondance mirroir.

La seconde machine du réseau, que l’on appellera “Client”, ne possède qu’un seul disque dur Western Digital Caviar 00AAJS-00YFA de 500 Go, en fonctionement depuis environ 6 mois.

Nous testons tout d’abord la vitesse des disques des deux machines afin d’estimer la vitesse de lecture que l’on peut attendre d’eux. Nous avons pour cela utilisé le benchmark SiSoftware Sandra 2009.

Dès le départ, nos espoirs de parvenir à un transfert de fichier à la vitesse d’un Gigabit, sont reduits à néant. Nos deux disques C: ont une vitesse de lecture maximum de 75 Mo/s dans le meilleur des cas. Puisque ce test se veut réaliste et que les disques sont remplis à environ 60%, nous pouvons nous attendre à une vitesse de lecture proche des 65 Mo/s.

Penchons nous sur les performances du RAID 1, dont l’avantage est que son contrôleur matériel permet d’augmenter les performances de lecture en prenant simultanément des données dans les deux disques, comme le ferait un RAID 0 ; notez que cela ne se produira certainement qu’avec des contrôleurs RAID matériel. Dans notre test, le RAID fournit des performances de lecture bien supérieures à celles d’un seul disque, notre meilleure opportunité pour un transfert de fichier rapide sur le réseau semble donc être l’utilisation du RAID 1. Malgré des pics impressionnants à 108 Mo/s, nous devrions prendre en compte des performances proche de 88 Mo/s car le RAID est plein à 55% de sa capacité.

Ainsi nous devrions être en mesure d’obtenir aux alentours de 88 Mo/s sur notre réseau, non ? Nous sommes pourtant assez loin du maximum de 125 Mo/s, mais c’est déjà beaucoup plus rapide qu’un réseau à 100 Mbits avec une limite de 12,5 Mo/s. Au final, 88 Mo/s est donc en pratique un chiffre honorable.

Mais pas si vite. Ce n’est pas parce que nos disques ont de telles capacités de lecture qu’ils peuvent écrire à cette vitesse dans un contexte réaliste. Effectuons quelques tests d’écriture avant d’utiliser le réseau afin de voir ce qui se passe. Nous commencerons avec notre serveur en copiant un fichier image de 4,3 Go du RAID vers le disque dur de 320 Go, puis dans le sens inverse. Puis nous essaierons de copier le fichier du disque D: du client vers son disque C:

Et bien c’est ce qui arrive dans le monde réel : le disque C: date d’à peine plus d’un an mais il est rempli à 60%, certainement un peu fragmenté et ça n’est pas une flèche en écriture. Il existe d’autres facteurs, tels que la vitesse générale du système et de la mémoire. En ce qui concerne le RAID 1, il est composé de matériel relativement récent, mais parce qu’il est en redondance, il doit écrire des données simultanément sur deux disques et subi une baisse considérable de ses performances. Bien qu’un RAID 1 soit en mesure de fournir des bonnes performances de lecture, la vitesse d’écriture s’en trouve sacrifiée. Autrement, nous pourrions utiliser un RAID 0 fournissant des performances de lecture et d’écriture rapides, mais si l’un des disques était défaillant, l’ensemble des des données serait compromise. Soyons réaliste, un RAID 1 est une meilleure option pour ceux qui attachent suffisamment d’importance à leurs données pour installer un NAS.

Cependant, tout n’est pas encore perdu, nous avons encore un peu d’espoir. Le récent disque Western Digital Caviar de 500 Go est capable d’écrire ce fichier à une vitesse moyenne de 70,3 Mo/s sur cinq passages et nous avons même enregistré une pointe de vitesse à 73,3 Mo/s.

Avec ces éléments en tête, nous allons espérer que notre LAN Gigabit fournisse une vitesse maximum d’environ 73 Mo/s pour un transfert de RAID 1 NAS vers le disque C: du client. Nous testerons également le transfert de fichiers du disque C: du client vers celui du serveur.

Tests Réseau : des Performances Gigabit

Débutons notre premier test avec l’envoi d’une fichier du disque C: du client vers celui du serveur.

Nous arrivons à un résultat qui se rapproche de nos attentes. Le réseau Gigabit, dont la vitesse théorique de transfert est de 119 Mo/s, envoie des données du disque C: du client aussi vite que possible, aux alentours de 65 Mo/s. Toutefois, comme nous l’avons démontré plus haut, le disque C: du serveur n’est capable d’écrire qu’à une vitesse d’environ 40 Mo/s.

Copions maintenant un fichier du RAID vers le disque C: du client :

Encore une fois, tout se passe comme prévu. Suite à nos tests nous savons que dans des conditions idéales, le disque C: de du client est capable d’écrire ce fichier à 70 Mo/s environ, tandis que le réseau Gigabit fournit des performances très proche de cette vitesse.

Malheureusement, aucun de ces chiffres ne se rapprochent du débit maximum théorique du réseau : 125 Mo/s. Existe-t-il un moyen de tester la vitesse maximum du réseau ? Bien sur que oui, mais pas dans un contexte réaliste. Voilà ce que nous allons faire : un transfert direct de mémoire à mémoire sur le réseau afin de contourner les limitations liées à la bande passante et au disque dur.

Pour ce faire, nous allons créer un RAM-disque de 1 Go sur les deux machines (client et serveur) puis transférer un fichier de 1 Go entre ces RAM-disques sur le réseau. Dans la mesure où même la RAM DDR2 la plus lente devrait pouvoir supporter 3,000 Mo/s de données, le seul facteur limitatif étant la vitesse de notre réseau :

Formidable ! Nous avons obtenu une vitesse maximum de 111,4 Mo/s sur notre réseau Gigabit, ce qui est assez proche des 125 Mo/s théoriques. Le résultat est au rendez-vous, il n’y a pas de quoi se plaindre, compte tenu du fait que la bande passante n’atteindra surement jamais la barre des 125 Mo/s dans un contexte réaliste, à cause du surdébit.

Finalement, nous avons démontré que les disques durs sont le plus petit dénominateur commun quand il est question de transfert de fichiers sur un réseau Gigabit, limitant le taux de transfert d’un réseau à celui du plus lent des disques. Une fois cette grande question traitée, par curiosité nous avons voulu effectué quelques tests de câblage réseau. Est-ce un facteur limitatif nous empêchant d’atteindre une vitesse proche de la limite théorique du réseau ?

Tests et Facteurs de Câblage

Nous avons effectué une série de quatre tests :

Test 1 : Câbles par défaut

Pour ce test nous avons utilisé deux câbles de 7 mètres, reliant chacun un ordinateur à un switch Gigabit. Nous avons laissé les câbles réseau passer à coté de ceux d’alimentation.

Test 2 : Suppression des interférences avec l’alimentation

Cette fois, nous avons utilisé les mêmes câbles catégorie 5e de 7 mètres que lors du premier test, mais cette fois nous les avons placés le plus loin possible des câbles d’alimentation.

Test 3 : Raccourcissent de la longueur des câbles

Dans ce test, nous avons remplacé un des câbles de 7m par un câble d’1 mètre.

Test 4 : Remplacement des câbles catégorie 5e par des catégorie 6

Enfin, nous avons remplacé les câbles catégorie 5e de 15 mètres par des câbles catégorie 6.

En un mot, nos tests de câblage n’ont pas mis en avant de grandes différences de résultats, mais nous avons cependant appris un certain nombre de choses :

Test 2 : Faire passer les câbles réseau près de ceux d’alimentation:
Au sein d’une petite configuration LAN comme la notre, nos tests ont démontrés qu’il est inutile de trop se préocuper de la promiscuité des câbles réseau et de l’alimentation du système. Bien qu’une telle situation ne soit pas idéale, cela n’aura probablement pas d’effet déterminant sur la vitesse du réseau. Ceci étant, il est tout de même préférable de limiter ou d’éviter autant que possible une telle configuration de câblage. De plus, gardez à l’esprit que ces résultats ont été obtenus dans le cadre d’un réseau domestique de petite envergure. 

Test 3:Raccourcissent de la longueur des câbles:

Ce n’est pas vraiment un test, mais plutôt quelque chose que nous avons voulu essayer afin de voir s’il y avait une différence notable. Il est bon de noter qu’en remplaçant le câble de 7 mètres avec un autre d’1 mètre, toute différence potentiellement observable n’est pas nécessairement du à la longueur du câble et peut indiquer un problème de câblage. Dans tous les cas nous n’avons pas réellement constaté de différences de performances, malgré un pic entre les disques C: du serveur et du client lors de la copie de fichiers.

Test 4 : Câbles Cat 5e Vs Câbles Cat 6
Ici encore, nous n’avons pas constaté de différences majeures. Dans la mesure où nous avons affaire à un câble de 7 mètres, des différences seraient susceptibles d’apparaitre au-delà de cette longueur. Tant que les câbles sont en bon état, il semblerait que les câbles catégorie 5e fonctionnent aussi bien sur un réseau Gigabit avec 14 mètres de câble entre les deux machines. 

Il est également intéressant de noter que ces changements de câblage n’ont absolument aucun effet sur le transfert de données d’un disque RAM à un autre. Il est évident que quelque chose d’autre provoque un goulot d’étranglement et gèle les performances réseau à 111 Mo/s. Comme nous l’avons signalé plus haut, une perte liée à la gestion du réseau est inévitable, ce chiffre est donc tout à fait acceptable.

Conclusion

Pourquoi nos réseaux Gigabit ne fournissent-ils pas une vitesse Gigabit ?

Surprise, c’est certainement le cas !

Tandis que dans un contexte réaliste, le réseau sera sévèrement ralenti par les disques durs, au sein d’un scénario théorique de mémoire à mémoire, nous avons démontré que notre réseau Gigabit ultra simplifié fournissait un débit très proche de la limite théorique des 125 Mo/s. Dans un contexte réaliste, la vitesse d’un réseau disque à disque serait comprise entre 20 et 85 Mo/s, en fonction des performances des disques durs.

Pour le fun, nous avons également effectué des tests sur les câbles d’alimentation, sur la longueur des câbles en général et nous avons comparé les catégorie 5e au catégorie 6. Dans le cadre de notre petit réseau domestique, nous avons constaté que rien de tout cela n’avait d’impact sur les performances, mais il faut avouer que pour un réseau plus complexe avec des câbles plus longs, ces facteurs pourraient s’avérer pertinents.

En fin de compte, nous recommandons chaudement à tous ceux qui transfèrent un volume important de données de passer par un réseau Gigabit domestique. Si vous n’en êtes pas encore là, mettre à jour votre réseau provoquera un gain de vitesse conséquent (du simple au double dans le pire des cas) si vous utilisez actuellement du 100 Mbits.

On peut tirer profit d’un réseau Ethernet Gigabit domestique et multiplier ses performances si le réseau au basé sur un NAS utilisant un contrôleur RAID matériel. Dans le cadre de notre réseau, le transfert d’un fichier de 4,3 Go dure seulement une minute. Sur une connexion de 100 Mbit, le transfert de ce même fichier aurait probablement duré environ 6 minutes.

Les réseaux Gigabit se présentent comme un standard économiquement abordable. Il ne vous reste plus qu’à laisser la vitesse des disques durs s’aligner sur cette base ou adopter une approche plus dynamique et monter un RAID capable de contourner les limitations techniques des disques durs d’aujourd’hui, voir d’opter pour un SSD. Votre réseau Gigabit bénéficiera alors sans aucun doute d’un meilleur débit.