遅いPCで速いNICを使うと余計に遅くなるという話

初版 2003/1/16
改定1版 2003/1/18
改定2版 2003/2/3
(文字コードをUTF-8に修正2022年6月)

始めに

経験的に知っていたのですが、遅いPCで100BASE-TxのNICを使うと、10BaseT のNICより通信速度が遅くなります。事実なんだろうかと思い、ベンチマークしてみました。

このWebをFreeBSD-users-jpで紹介したところ、chipsetの性能に影響されると指摘をうけました。[FreeBSD-users-jp 72985]など。改定2版ではchipsetの性能に定評があるIntel製chipセットのPCをベンチマークに追加しました。

改定2版を作るにあたり、Intel製chipsetのPCが欲しいとFreeBSD-users-jpに送った所、学内の電子情報工学科の方より貸していただきました。ありがとうございました(_m_)

ベンチマーク環境

ソフトウエア
OSはFreeBSD-4.7Rです。
ベンチマークソフトとして、 NetPipe-3.2(http://www.scl.ameslab.gov/netpipe/) を使用しました。 (FreeBSD ports collectionに入っています。)
NetPipeはサーバ・クライアント間で、通信速度を測定するプログラムです。
ハードウエア
次の3台のPCをNetPipeのサーバとして設定した。
- 遅いPCとして
  - PowerHeroes製PC/ Pentium166MHz(133MHzで使用), MEM 64M (I430VXと略す)
    Intel 430VXチップセット
  - 富士通 FMV Deskpower SE FMV-5133DPS/ Pentium133MHz, MEM 128M (FMVと略す)
    ALi製チップセット
  - IBM PS/V Master100 / i486DX4 100MHz, MEM 32M (IBMと略す)
- 比較用に速いPCとして
  - 自作PC Biostar M6VLQ/Celeron 1.4GHz, MEM 128M (Biostarと略す)
    (最近のマザーボードでは珍しいISA付属)
次のPCをクライアントとして設定
- 自作PC Asustek/Pentium III 450, MEM 128M (Asusと略す)
サーバ３台に、次のNIC・9種類を交換して測定した。
- ed0: Melco LGY-PCI-TL
  10BaseT
- ed1: Elecom Laneed LD-PNE20/TA Ethernet Adapter
  10BaseT
- ep0: 3Com 3C509-Combo EtherLink III
  10BaseT
- sis0: IO-DATA ET100-PCI-L
  100BaseTx
- xl0: 3Com 3c905B
  100BaseTx
- fxp0: Intel 82559
  100BaseTx
- dc0: AI Brain FEPCI-IXS (Intel 21143 旧DEC製品)
  100BaseTx
- pcn0: IO-DATA ET/PNA-PCI (AND 製 HomePNA NIC)
  本来は電話線で使うNIC(PNA)ですが、100BaseTxも対応しています。
- em0: Intel PRO/1000 MT Desktop Adapter
  1000BaseT
クライアント側のNICは次のNICを使用した。交換はしていない。
- sis0: IO-DATA ET100-PCI-L
  (03/1/17修正:当初rl0と書いていたがsis0の誤りでした。)

接続図

[サーバ] -- [Switch1] -- [Switch2] -- [クライアント]

Switch1: アライドテレシス FS716XL
Switch2: Planex FX-08IM
         ２台ともフローコントロール対応。

測定方法。
- サーバで次のコマンドを実行する。
  % NPtcp -r -b 0 -u 1048573
- クライアントで次のコマンドを実行する。
  % NPtcp -t -h サーバIPアドレス -b 0 -u 1048573
- 測定結果はクライアント側に出力される。ファイル np.outができる。このファイルをfeplot(NetPipeのソースに含まれる)を使いグラフ化
- 100BASE-TxのNICは100Base-Tx/FullDuplexと10BaseT/HalfDuplexでも測定した。FreeBSDでは次のコマンドで10BaseT/HalfDuplexに変更可能。
  % ifconfig xl0 media 10baseT/UTP
- 1000BaseTのHUBを所持してないため、1000Baseでの測定は行っていない。

ベンチマーク結果

グラフの縦軸は通信速度(MBPS)です。横軸は、メッセージ(データ)サイズ (byte)です。

メッセージサイズを変化させながら(1〜786,435byte)通信速度を測定した結果をグラフ可しています。

ed0: Melco LGY-PCI-TL (10BaseT)

NE2000互換NIC(ed0)で、10BaseTの例です。どのPC/メッセージサイズでもまんべんなく速度が出ているようです。

ed1: Elecom Laneed LD-PNE20/TA Ethernet Adapter (10BaseT)

これもNE2000互換NIC(ed1)で、10BaseTの例です。ISAです。FMVでは特定のメッセージサイズで通信速度の落ち込みが見られますね。相性でしょうか？

ep0: 3Com 3C509-Combo EtherLink III (10BaseT)

NE2000以外の10BaseT NICとして、3com製の ISAカードです。このNICでもFMVは性能が良くないですね。ISAの性能が悪いのかな？

(余談ですが、手もとには3com 3c515という100BaseTx対応の珍品ISAカードがあるのですが、FreeBSDは未対応なんですよねぇ…。)

xl0: 3Com 3c905B (100BaseTx)

これは100BaseTxの例です。FMV,IBMでメッセージサイズがある一定値を越えた処で極端に速度が落ち込んでいます。ですが、Intel製チップセットのPC、 I430VXでは落ち込みが見られません。

xl0: 3Com 3c905B (10BaseT)

同じxl0でも、10BaseT固定すると、FMV,IBMで速度の落ち込みは見られないようです。

sis0: IO-DATA ET100-PCI-L (100BaseTx)

xl0を100BaseTxで使った場合と同じ結果ですね。

sis0: IO-DATA ET100-PCI-L (10BaseT)

xl0と同様に、10BaseT固定すると、速度の落ち込みは見られないようです。

fxp0: Intel 82559 (100BaseTx)

FreeBSD界隈では評判の良いfxpですが、I430VX以外の遅いPCでは散々な状況でした。 FMVではベンチマークソフトがタイムアウトして終了します。

fxp0: Intel 82559 (10BaseT)

fxpも10BaseT固定すると、速度の落ち込みは見られないようです。

dc0: AI Brain FEPCI-IXS (100BaseTx)

旧DEC製品ですが、Intelが買収して型番が変わった Intel 21143です。 IBMは割合まともですが、FMVは良くないですね。

なお、I430VX以外のPCではベンチマーク中に次のエラーが表示されました。

FMV, IBM:
	dc0: TX underun -- increasing TX threshold
        dc0: TX underun -- using store and forward mode

Biostar:
	dc0: TX underun -- increasing TX threshold

dc0: AI Brain FEPCI-IXS (10BaseT)

dcも10BaseT固定すると、速度の落ち込みは見られないようです。

pcn0: IO-DATA ET/PNA-PCI (100BaseTx)

このNICのチップはAMD製のHomePNA用チップです。100BaseTxでも利用可能です。 FMV,IBMもかなり良い成績を出していますね。ですがPNA用ですので、通常の pcnと比較して良いものか疑問です。

なお、このNICをFreeBSDで使うにはパッチが必要です。

  http://www.sanpei.org/FreeBSD/100BASE/IO-DATA-ET-PNA-PCI

pcn0: IO-DATA ET/PNA-PCI (10BaseT)

このNICは100BaseTxでも安定していますので、あえて10BaseTにする必要はないでしょう。

em0: Intel PRO/1000 MT Desktop Adapter (100BaseTx)

xl0やsis0ではある一定値サイズより大きいメッセージサイズで速度の落ち込みが見られましたが、em0ではメッセージサイズが小さいと速度の落ち込みが見られますね。

em0: Intel PRO/1000 MT Desktop Adapter (10BaseT)

em0は10BaseT固定しても、IBM,FMVでは安定した通信速度は望めないようです。

結論

古いPCでは、100BASE-TxのNICを使うと10BaseTのNICより通信速度が遅くなるという経験法則は、Intel製チップセットには当てはまらないようです。

ですが、100Base-Txで成績がふるわないFMV,IBMでもpcnは良い成績を出しています。

まとめると

Intel製チップセットなら、特にNICに拘る必要がない。
Intel製チップセット以外なら、pcnがお勧め。(ただし実験で利用したpcn は特殊仕様のためbenchmarkで確認の必要あり。)
100BaseTxで成績の悪いNICを10BaseTで使うと改善される場合もありますが、 em0のような例もありますので、実測してみる必要があります。

付録: DEVICE_POLLINGをON/OFFした場合

[FreeBSD-users-jp 72963]にて、このWebを紹介した所、DEVICE_POLLINGを有効にしてみてはどうかと指摘された。試してみる。

DEVICE_POLLINGを有効にするには、
- カーネルconfig で、次の項目を追加し、再構築する。
  options DEVICE_POLLING
  options HZ=1000
- /etc/sysctl.confに次の項目を追加し、rebootする。
  kern.polling.enable=1
ベンチマーク結果
- FMVで、sis0どおしを比較。青がDEVICE_POLLINGを無効にした場合。赤が有効にした場合です。
  ほとんど変化無いようです。
- IBMで、sis0どおしを比較。同上。
- Biostarで、sis0どおしを比較。同上。
- I430VXで、sis0どおしを比較。メッセージサイズが小さいと逆に成績が悪くなりますね。ですが、メッセージサイズが大きいと良くなりますね。