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Kleines NAS für den günstigen 24/7 Einsatz mit dem Raspberry Pi 3

07.12.2018 von Stefan
Wir zeigen euch in diesem Artikel, wie ihr aus einem Raspberry Pi 3 B Minicomputer ein kleines und sparsames NAS bauen könnt, welches sich im Funktionsumfang nicht vor großen NAS Servern verstecken muss.



Mit dem Raspberry Pi 3 B bringt die Raspberry Pi Foundation eine kleine Aktualisierung des seit 2016 erhältlichen Raspberry Pi 3 B heraus. Unter anderem wurde die Taktfrequenz des Vierkern-Prozessors auf Basis des Broadcom BCM2837B0 SoC um 200 auf nun 1400 MHz erhöht. Da es sich um den gleichen Prozessor handelt, hat sich im Gegenzug aber auch die Leistungsaufnahme erhöht. Beim Arbeitsspeicher und der verbauten Grafik hat sich hingegen nicht viel geändert. Der Prozessor verfügt nun über einen Heatspreader, der den Prozessor trotz erhöhter Taktfrequenz deutlich kühler hält als im Vorgänger.

Der Arbeitsspeicher wurde nicht vergrößert und so muss auch der Raspberry Pi 3 B mit 1 GB LPDDR2-Speicher auskommen. Für ein NAS reicht der 1 GB große Speicher aber absolut aus. Die vier USB-Ports werden wie bisher über einen USB 2.0 Controller angesprochen. Die SD-Karte wird mit 20-25 MB/s ausgelesen bzw. beschrieben, der Arbeitsspeicher ist mit bis zu 850 MB/s ca. 20% schneller als im Vorgänger.

Zwar verfügt der Raspberry Pi 3 B offiziell über Gigabit-LAN, die Netzwerkschnittstelle ist allerdings nur über einen USB 2.0 Hub an das SoC angebunden, womit die maximale Datenübertragungsrate auf rund 300 MBit/s limitiert ist. In der Praxis lassen sich so Übertragungsraten von bis zu 20 MB/s erreichen. Dies ist zwar nicht annähernd auf 1 Gbit Niveau (115-120 MB/s) aber immerhin noch mehr als doppelt so schnell wie die Netzwerkschnittstelle des Raspberry Pi 3 B.

Verbessert wurde auch das W-LAN, welches nun im 2,4 und im 5 GHz Band im modernen 802.11ac Standard funken kann. Aber auch hier muss man wieder Abstriche machen: zum einen lassen sich auch hier nicht die vollen 433 MBit/s nutzen und zum anderen ist das Funkmodul nur mit einer Antenne verbunden. Das Funkmodul ist an einen Arasan eMMC Controller des SoC angebunden, welcher nicht mehr als 165 MBit/s zulässt (der Raspberry Pi 3 B erzielt rund 72 MBit/s). Für ein NAS ist eine Verbindung via Netzwerkkabel also trotz der doppelten W-Lan Bandbreite weiterhin Pflicht.

Auch mit den oben genannten Einschränkungen lässt sich aus dem Raspberry Pi 3 B ein gutes und vor allem sparsames NAS zusammenstellen. Dieses eignet sich durch den besonders geringen Idle-Verbrauch ideal als "always on" NAS, also als System welches 24/7 (also immer) aktiv ist. So ein System ist schlussendlich geeignet als Heimserver für IoT wie z.B. als Speicherort für Videos einer Überwachungskamera im privaten Umfeld, einer privaten Cloud oder als Controller für diverse Smarthome Anwendungen.


Aufgrund der höheren CPU-Taktfrequenz und dem damit erhöhtem Energiebedarf empfiehlt der Hersteller ein Netzteil mit mindestens 10 Watt Leistung. Da eventuell auch noch zusätzliche USB-Geräte mit Energie versorgen müssen, haben wir uns für ein 15 Watt Netzteil entschieden. Unsere Wahl fiel auf das Aukru Mirco-USB 15 Watt (5V 3A) Netzteil.

Der Preisunterschied zwischen dem Raspberry Pi 3 B und dem älteren Raspberry Pi 3 B beträgt aktuell ca. 6 Euro (zum Testzeitpunkt (Dezember 2018) schlug die B Version mit 37 Euro zu Buche während die ältere B-Version für 32 Euro erhältlich war).

Damit wir stets die volle Leistung des Minicomputers abrufen können, haben wir uns zudem das Aukru Kühlkörperset für den Raspberry Pi besorgt. Das dieses Kühlkörperset wirklich etwas bringt haben wir im Laufe der letzten Jahre (wir haben seit der 1. Generation des Raspberry Pi durchgehend mehrere dieser kleinen Computer im Einsatz) immer wieder feststellen können.

Zu guter Letzt benötigen wir noch eine Micro-SD Karte, auf welcher später das Betriebssystem installiert wird. Aufgrund des günstigen Preises haben wir uns für die SanDisk Ultra 32 GB microSDHC Speicherkarte (inkl. SD-Adapter) entschieden. Die Karte erreicht in der Praxis ca. 80 MB/s Lesend und 12 MB/s Schreibend, was absolut ausreichend für unser NAS ist. Da die Daten später nicht auf der SD-Karte sondern auf einem externen Datenträger gespeichert werden, ist die SD-Karte auch kein Flaschenhals im späteren NAS.

Auf das Gehäuse bzw. andere Befestigungmöglichkeiten gehen wir im Laufe des Artikels noch im Detail ein.


Prozessor

EigenschaftWert Bemerkungen
Prozessor Broadcom BCM2837B0
Kerne 4 ARM Cortex-A53
Hyperthreading
Takt[GHz] 1,4
Übertaktbar
ECC-Support
iGPU Broadcom VideoCoreIV-AG100-R
TDP[W] 7 ca. 5,8 Watt unter voller CPU Auslastung
Architektur ARMv8-A


Mainboard & Anschlüsse

EigenschaftWert Bemerkungen
max. Speicherspezifikation LPDDR2-900
max. Speicherkapazität[GB] 1
ECC-Support
LAN (1 Gbit/s) 1 am USB 2.0 Hub (LAN7515), max ca. 300 Mbit/s
W-LAN 1 Broadcom BCM43455 mit 1 Antenne, 802.11ac Dual-Band
USB 2 (0.5 GBit/s) an I/O-Blende 4
HDMI 1.4 1



Raspberry Pi 3B und Raspberry Pi 3B im Vergleich


Schon optisch sind einige Unterschiede zwischen dem Raspberry Pi 3 B und seinem ca. 2 Jahre alten Vorgänger auf den ersten Blick zu sehen. Die neue B Version ist dabei zwischen 15-20% schneller als der Vorgänger. Beim Übertragen von Daten im Netzwerk fällt der Unterschied noch deutlicher aus.




Raspberry Pi 3 B Raspberry Pi 3 B
SoCBCM2837B0BCM2837
CPUARM Cortex-A53 (ARMv8-A)ARM Cortex-A53 (ARMv8-A)
Kerne44
Taktfrequenz1,4 GHz1,2 GHz
Arbeitsspeicher1 GB LPDDR21 GB LPDDR2
LAN1 GBit/s (~ 300 Mbit/s) mit PoE-Support100 Mbit/s
W-LANbis 802.11 ac 2,4/5 GHz Dual-Band (~ 165 MBit/s)bis 802.11 n 2,4 Single-Band (~ 72 Mbit/s)
Bluetooth4.24.1
Veröffentlicht03/201802/2016



Festplatten & RAID

EigenschaftWert Bemerkungen
Hot-Plug
unterstützte 2,5 Zoll Festplatten[Stück] 4
unterstützte 3,5 Zoll Festplatten[Stück] 4

An die vier USB 2.0 Ports des Raspberry Pi stecken wir die Datenfestplatten für unser NAS. Da es sich hier um ein kleines und sparsames NAS handelt, werden die meisten mit 1 oder 2 Festplatten (bzw. SSDs) auskommen.

SSDs können Dank des 15 Watt Netzteiles direkt mit Energie versorgt werden, sollen klassische 2,5 oder 3,5 Zoll Festplatten benutzt werden, empfehlen wir jeweils ein eigenes Netzteil für die Festplatten. Insgesamt sind aber SSDs die bessere (und heute auch nicht mehr so teure) Wahl.

Am einfachsten ist es natürlich die Datenträger direkt per USB anzuschließen. Mit dem Inateck Adapter USB 3.0 zu SATA lassen sich aber auch interne SSDs oder Festplatten mit dem Raspberry Pi verbinden. Auch ein USB 3.0 zu M.2 SATA Stick ist eine Alternative um M.2 Festplatten mit SATA-Interface zu benutzen.


Mittlerweile passt in den Raspberry Pi die microSD-Karte ohne Adapter, die ersten Modelle hatten noch einen normalen SD-Kartenslot.


Netzteil

EigenschaftWert Bemerkungen
Max. Leistung[W] 15 5V 3A

Das Aukru Mirco-USB 15 Watt (5V 3A) Netzteil ist ordentlich verarbeitet und gibt keinerlei Geräusche von sich. Es besitzt ein CE-Zeichen und darf somit in der EU benutzt werden.



Noch eine kleine Anmerkung zur PoE (Power-over-Ethernet) Fähigkeit des Raspberry Pi 3 B Modells: diese bringt neben dem Wegfall des USB-Netzteils leider einige Nachteile mit sich. Erstens ist eine recht teure Zusatzplatine notwendig (die unter Last zudem sehr heiß werden soll) und zweitens werden die USB Ports dann nicht mit Energie versorgt. Für unser NAS kommt die PoE-Funktionalität somit leider nicht in Frage.


Gehäuse

EigenschaftWert Bemerkungen
Preis[€] 10

Beim Gehäuse habt ihr freie Auswahl. Wenn ihr das NAS in einen 10-Zoll Netzwerkschrank einbauen möchtet, könnt ihr entweder das Gehäuse auf einen Fachboden stellen oder den Raspberry Pi 3 direkt auf den Fachboden schrauben. Verwendet in diesem Fall aber Abstandshülsen. In der folgenden Galerie zeigen wir euch unsere aktuellen Raspberrys:




Betriebssystem

EigenschaftWert Bemerkungen
OpenMediaVault 4

Nach dem Zusammenbau der Komponenten geht es an die Installation des Betriebssystemes. Insgesamt hat bei uns die Installation von Raspbian inkl. OpenMediaVault 4 ca. 15 Minuten gedauert.

Wir haben uns bei der Wahl des Betriebssystems für Raspbian entschieden, welches direkt vom Hersteller angepasst wurde und somit perfekt auf die Hardware abgestimmt ist. Als Weboberfläche für unser NAS kommt OpenMediaVault 4 zum Einsatz, welches wir im Anschluss nachinstallieren.

OpenMediaVault wird als armhf Variante auch direkt als Image angeboten. Dieses Image funktionierte bei uns allerdings nicht einwandfrei, weswegen wir den hier beschriebenen (etwas längeren) Weg beschreiben.


Benötigte Downloads

Zusätzlich benötigt ihr einen Windows PC mit SD-Kartenleser um das Image auf die SD-Karte zu schreiben. Raspbian ist übrigens ein angepasstes Debian armhf release und basiert auf dem aktuellen Debian 9.x Stretch. Ihr habt also später den kompletten Funktionsumfang von Debian.

Nach dem Download schreibt ihr das Raspbian Image mit Etcher auf die SD-Karte (die ZIP-Datei muss vorher NICHT entpackt werden, dies macht Etcher selbständig). Dauer je nach System 3-5 Minuten. Anschließend überprüft Etcher noch das Image auf der SD-Karte, was weitere 2-3 Minuten in Anspruch nimmt. Die Validierung kann zwar in den Einstellungen von Etcher deaktiviert werden, wir empfehlen aber die Validierung durchzuführen.



Die fertige SD-Karte kann nun in Micro-SD Kartenslot des Raspberry Pi gesteckt werden. Sobald der Raspberry Pi mit Strom versorgt wird, bootet dieser automatisch das auf der SD-Karte befindliche Betriebssystem. Ihr benötigt einen Monitor mit HDMI-Port (oder einen entsprechenden Adapter). Der Monitor sollte vor dem Strom angesteckt werden, da es sonst beim ersten Start zu Anzeigeproblemen kommen kann.

Ihr seht nun die Linux shell in der wir nach einer Anmeldung erst einmal ein paar Einstellungen vornehmen müssen. Zuerst meldet ihr euch mit dem Benutzernamen pi und dem Passwort raspberry an. Achtung: bei mir waren y und z durch das standardmäßig aktive, englische Tastaturlayout vertauscht. Ich musste also als Passwort raspberrz eingeben !


Alle wichtigen Befehle in der Shell benötigen Root-Rechte (also Adminrechte). Gebt dazu einmalig pro Session den Befehl sudo -s ein. Alternativ könnt ihr jedem Befehl auch ein sudo vorranstellen um den Befehl als root auszuführen. Für ein komfortables Arbeiten empfiehlt es sich zunächst die Sprache, die Zeitzone und das Tastaturlayout einzustellen:

raspi-config


Sprache: de_DE.UTF-8 UTF-8
Zeitzone: Europe -> Berlin
Tastatur-Layout: German



Möchtet ihr euch schon jetzt per SSH auf den Raspberry Pi verbinden, muss SSH noch eingerichtet werden:

rm /etc/ssh/ssh_host_*
dpkg-reconfigure openssh-server
systemctl enable ssh
systemctl start ssh


Der Vorteil von SSH ist, dass ihr per Copy


Benchmarks

EigenschaftWert Bemerkungen
Max. Lesen via SMB/NFS[MB/s] 18,1
Max. Schreiben via SMB/NFS[MB/s] 18,4
Max. Lesen via FTP[MB/s] 20
Max. Schreiben via FTP[MB/s] 18,1
Max. CPU Last SMB-Lesen[%] 18
Max. CPU Last SMB-Schreiben[%] 20

Lesend konnte der Raspberry Pi 3 B Daten konstant mit 20 MB/s liefern. Schreibend waren via FTP maximal 18,1 MB/s bei einer CPU-Auslastung von maximal 20% möglich. Die Übertragungsgeschwindigkeit beim Schreiben von Daten konnte der Raspberry Pi aber nicht durchgehend halten und sank teilweise bis auf 16 MB/s ab. In der Regel erreicht der Raspberry Pi 3 B in der Praxis rund doppelt so hohe Übertragungsraten wie sein Vorgänger.




Insgesamt lässt sich beobachten, dass nicht der Prozessor die Übertragunsgeschwindigkeit limitiert, sondern der USB 2.0 Controller über den die Gigabit Netzwerkschnitstelle angebunden ist. Auch die Temperatur des Prozessors war mit 40-45 °C bei 21 °C Raumtemperatur während der Benchmarks nie im kritischen Bereich, der Prozessor arbeitete immer mit seiner vollen Taktfrequenz.

Info: in den ersten Versionen von Raspbian wurde die Gigabit-Netzwerkkarte nur im 100 MBit/s Modus (max. 12 MB/s) angesprochen. Dies ist nun zum Glück nicht mehr der Fall.


Die Temperaturen stiegen selbst im Sysbench nicht über 45 °C. Ab 75°C beginnt der Prozessor selbstständig seine Taktfrequenz zu reduzieren. Im Normalfall sollte eine Drosselung nie eintreten. Damit das so ist, empfehlen wir das Aukru Kühlkörperset. Die Kühlkörper werden einfach auf die Oberfläche der wichtigsten Chips aufgeklebt (Klebeband ist enthalten).




Energieverbrauch

EigenschaftWert Bemerkungen
Ausgeschaltet[W] 0,0
Leerlauf[W] 2,5

Die Energiemessungen habe ich mit einem Voltcraft Energy-Logger 4000 durchgeführt, welches unser Standard-Messgerät ist und sich über die letzten Jahre aufgrund seiner genauen Messwerte (gerade im niedrigen Bereich) bewährt hat.

Im Leerlauf verbraucht der Raspberry Pi 3 B mit nur 2,5 Watt so viel Energie wie größere NAS-Systeme bereits im Standby benötigen ! Selbst unser recht sparsames NAS Basic 2.0 verbaucht mit knapp 10 Watt im Leerlauf bereits vier mal so viel Energie wie der Raspberry Pi 3 B .

Solltet ihr als Datenfestplatte eine SSD oder einen USB-Stick verwenden, wird euer Verbrauch im Leerlauf kaum steigen. Ein Daten-USB-Stick verbraucht im Leerlauf z.B. nur 0,2 Watt. In Sachen Energieverbrauch kann kaum ein anderes System dem Raspberry Pi 3 B das Wasser reichen.


Technische Daten (Zusammenfassung)

EigenschaftWert Bemerkungen
Mainboard Raspberry Pi 3 B+
Mainboard (Alternativ) Raspberry Pi 3 B -200 MHz CPU, nur 100 MBit/s LAN
Systemdatenträger SanDisk Ultra 32 GB microSDHC Speicherkarte inkl. SD-Adapter
Netzteil Aukru Mirco-USB 15 Watt (5V 3A) Netzteil
Adapter / Kleinteile (Optional) Aukru Kühlkörperset
Adapter / Kleinteile (Optional) Inateck Adapter USB 3.0 zu SATA Um SATA-SSDs anzuschließen
Adapter / Kleinteile (Optional) USB 3.0 zu M.2 SATA Stick Um M.2 SATA SSDs anzuschließen
Gesamtpreis System[€] 55



Alternativen


Wem dieses NAS etwas zu klein ist, dem empfehlen wir unsere NAS Basic 2.0 Zusammenstellung, die für bis zu 4 interne SATA-Datenträger geeignet ist. Wem auch das noch zu klein dimensioniert ist, der sollte sich unser NAS Advanced 2.0 mit AMD Ryzen Prozessor für bis zu 4 Festplatten, PCI-E Erweiterungsmöglichkeit und ECC-Support anschauen.

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