全闪NAS（5*M.2 NVMe）暨软路由AIO，N100作业

hawie

前言

这是一份历时三个月的作业。

联芸MAP1602+长江存储232L的国货精品，省电（待机不到0.1瓦, 峰值最高3.98瓦）、省钱(999/4TB、499/2TB)、省空间（M.2 2280），掀开了利用M.2 NVMe组建全闪NAS的需求。由此，产生了再DIY一台迷你NAS的想法。

这台迷你NAS的理想目标，是功耗必须低（家用7*24h运行），尽可能多用途（用途多设备少，能降低总体功耗），性能不能太弱，部署要简单、维护要方便。

经历长达三个月艰辛曲折的努力，最终达成：

• 体积1.3升的5盘位M.2 NVMe全闪NAS；
• ROS L6+OP软路由，兼4端口2.5Gbps交换机；
• 7*24h稳定运行, 满血性能约为i9-9900的77.6%（单核）、46.6%（多核）；
• 整机功耗（含5个NVMe盘），约13瓦（待机，PCDN功耗附后）。

下面，进入正题。

起点与选型

既然低功耗是组建这台NAS的一个优先目标，那么CPU就从节能系列架构中挑选了。
J1900、J3455、J4125、N5105、N100、……这些都是一代代走过来的经典，从成熟度、口碑、应用广泛程度，J4125当之无愧，是低功耗NAS最受欢迎的经典之中的经典了。
不过，其最大支持6条仅PCIe 2.0的规格，已难以满足NVMe对于带宽的需求。

而其最新的继任者，当红的N100，能否取代J4125，达到功耗与性能的新均衡呢？

从规格上看，N100 属于Intel的Alder Lake-N处理器系列，该系列基于节能的 Gracemont 架构，采用 Intel 7 工艺，4 核 4 线程，睿频 3.4GHz，核显为 24EU，TDP 仅为 6W。支持PCIe Gen 3，PCI Express 通道数的最大值为9。
同比 J4125 属于 Gemini Lake Refresh 系列，14nm 工艺，运行在 2.0-2.7GHz，核显 12EU，TDP 为10W。PCIe Gen 2，PCI Express 通道数的最大值为6。

J4125 vs N100 Specifications

从已知成绩看，N100 性能提高接近一倍，能耗降低40%。



可见，N100 规格与性能较先前经典 J4125 有显著提高，基本符合设定目标，值得尝试，就选它了！

CPU确定之后，进一步对市面上搭载N100的纯NAS主板、小主机，M.2 NVMe支援情况等关键指标进行了解，从众多的厂家之中，寻找了一款最接近理想目标的产品，规格为N100、2xM.2 NVMe、4x2.5Gbps（i226-V），12V3A。按厂家PPT，后续会推出4x1拓展板，将其中一个M.2 NVMe所用的PCIe3.0x4通道，转接为4个M.2 NVMe，每个M.2 NVMe占用1条PCIe 3.0x1通道；以及会推出1个三合一SATA拓展板，将另一个M.2 NVMe所用的PCIe3.0x1通道，转接为1个SATA(NGFF/SATA/mSATA)。这样计算，最大可支持4个M.2 NVMe，1个M.2 NGFF SATA，共5个M.2的SSD。

那么，有几个未确定因素出来了：
一，5个M.2 SSD，每个只占用一条PCIe3.0x1，CPU或PCIe是否构成瓶颈，综合性能能否跑满4x2.5Gbps，即10Gbps、双向共有20Gpbs的网络吞吐率呢？
二，能否组成5*M.2 NVMe呢？假如不使用三合一SATA拓展板，那本身那一个使用PCIe3.0x1通道的M.2 NVMe，是否可以保留，与4x1转接板共同构成5个M.2 NVMe呢？
三，i226-V，是否仍然断流呢？

这些疑问，没有得到明确的答复，大致说是这个不太确定，或可能不支持。那就保守估计，至少应可以达到1 M.2 SATA + 4 M.2 NVMe。跟群晖官方系统强制要求必须至少有一个SATA进行引导，保持了一致，也是不错的。

其他的配套，
内存考虑性能，选择了支持2*32bit双通道的最小容量16GB；
M.2 NVMe盘，选择了明确标识待机功耗与最大峰值功耗的，功耗最低的一款。
TF盘，考虑需要在USB2.0上使用，选择了目前最高性能的一款。
USB盘，选择了最迷你又不发热的一款。

功课做到这，就实际入手来验证那些疑问吧。
实际的行动起始于618前夕，5.31号陆续入手了一台小主机、16GB DDR5 SODIMM内存条、64GB TF卡、5块 2TB M.2 NVMe SSD固态硬盘，正式着手迷你全闪NAS的组建。

开箱
包装，合影



主机本体，及电源


配件一，M.2 WIFI位，PCIe 3.0x1，转接1盘位M.2 NVMe @PCIe 3.0x1


配件二，M.2 WIFI位，PCIe 3.0x1，转接1盘位SATA(NGFF/SATA/mSATA)


配件三，M.2 NVMe位，PCIe 3.0x4，转接4盘位M.2 NVMe @PCIe 3.0x1。不需拆分芯片的黑科技。
新版优化了结构以及同时多个1TB以上大容量硬盘的兼容性问题。


对照图。左侧为初始版，右侧为新版。新版尺寸加大，四角通过立柱与底板固定。初始版无固定。新版增加独立供电。


配件四，NVMe散热加强组件。支持安装外置8010风扇，给NVMe盘加强散热。

效果图方便直观：


其他配件，TF卡、U盘。性能强，运行温度低。


其他配件，内存 1条、NVMe盘 5个。
内存Crucial 16GB DDR5 4800； NVMe，5 * P7000Z 2TB（第一颗2TB入手时，4TB未上货，考虑RAID需要，后续均按同容量购买）。


其他配件，闲置风扇。
主机支持PWM，安装闲置风扇一枚。将风扇线从内部经机壳缝隙引出，三明治叠在本体之上，辅助散热。


内部安装，四层堆叠。约1L体积安装多个NVMe盘。
第一层，主板/底板，已预装
第二层，WIFI位安装转接板，转接安装1个M.2 NVMe

第三层：M.2 NVMe位（PCIe 3.0x4）安装4x1转接底座

第四层：在4x1转接底座之上，安装4x1转接板，转接安装4个M.2 NVMe


主要功能性能
一、SSD，5 * M.2 NVMe
RootPort PCIe资源分配情况。N100 9条PCIe3.0资源完全用满，5条给了5个NVMe(ID 1602)，4条给了4个2.5Gbps网口(ID 125C)。
Windows:

Linux:


RAID0性能，5盘 @ PCIe3.0x1 ，Windows带区卷模拟


RAID F1（RAID5）性能，5盘 @ PCIe3.0x1 ，PVE虚拟DS3622xs+环境模拟
使用linux dd简测，读写性能约1.5GB/s，确认性能高于4*2.5Gbps（10Gbps）并发访问带宽需求。
即，PCIe拆分后，5条PCIe3.0x1组成的RAID，在虚拟机中也未构成整机性能瓶颈。


单盘 @ PCIe3.0x4 性能，底板M.2 NVMe槽位测试


单盘 @ PCIe3.0x1 性能，转接板M.2 NVMe槽位测试



二、PVE
基础配置
Proxmox Virtual Environment 8.0.3，TF引导，NVMe PCIe直通。考虑USB2.0限制，配置无SWAP，local仅存OS引导，其他NFS存储。

其中，
在PVE 8.0早期的内核版本之中，存在P7000Z 2TB多盘识别不了的问题，这是联芸MAP1602主控刚推出来、Linux内核还没有适配的缘故，是所有联芸MAP1602主控的共性现象。
现在升级至最新内核，可正常识别多盘。之后出的联芸MAP1602主控某些4TB版本，可能仍需要修改内核才支持。具体修改与安装方法，可参见我前面的发文https://www.chiphell.com/thread-2524660-1-1.html

SR-IOV配置
N100的核显为12代，确认支持开启IOMMU、SR-IOV共享，可将同一设备虚拟为多个设备，直通给需要核显硬件加速的虚拟机。比如Jeffylin/Emby/Plex、Windows/Ubuntu等。
开启方法：
0. 安装基础包，apt install -y build-* git dkms sysfsutils
1. git clone https://github.com/strongtz/i915-sriov-dkms.git 并拷贝为/usr/src/i915-sriov-dkms-6.2；

1. git clone https://github.com/strongtz/i915-sriov-dkms.git
   
2. cp -r i915-sriov-dkms /usr/src/i915-sriov-dkms-6.2

复制代码

2. 修改/usr/src/i915-sriov-dkms-6.2/dkmf.conf

1. PACKAGE_NAME="i915-sriov-dkms"
   
2. PACKAGE_VERSION="6.2"

复制代码

3. 执行dkms install -m i915-sriov-dkms -v 6.2 --force 编译安装
4. 修改/etc/default/grub

1. GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet intel_iommu=on i915.enable_guc=3 i915.max_vfs=7"

复制代码

5. 修改/etc/modules， 增加

1. vfio
   
2. vfio_iommu_type1
   
3. vfio_pci
   
4. vfio_virqfd

复制代码

6. 更新引导

1. update-grub
   
2. update-initramfs -u

复制代码

7. 修改/etc/sysfs.conf，增加

1. devices/pci0000:00/0000:00:02.0/sriov_numvfs = 3

复制代码

重启后
lspci验证，出现多个核显设备：


网络配置
集成的I226，实测在某些场景仍会存在断流现象，关闭TSO之后解决。具体方法为：
1. 创建执行文件/etc/systemd/system/off_tso.service，内容如下

1. [Unit]
   
2. Description=Turn off TSO for NIC
   
3. 
   
4. [Service]
   
5. Type=oneshot
   
6. ExecStart=/usr/sbin/ethtool -K enp5s0 tso off
   
7. ExecStart=/usr/sbin/ethtool -K enp6s0 tso off
   
8. ExecStart=/usr/sbin/ethtool -K enp7s0 tso off
   
9. ExecStart=/usr/sbin/ethtool -K enp8s0 tso off
   
10. RemainAfterExit=yes
    
11. 
    
12. [Install]
    
13. WantedBy=multi-user.target

复制代码

2. 使能、设置为自动启动：
systemctl enable --now off_tso.service
systemctl daemon-reload

三、NAS
NAS系统，选取了TrueNAS Scale及DS3622xs+/SA6400等DSM系统进行评估。
最后以使用维护方便为优先考虑因素，确定主用系统为，PVE环境下的DS3622xs+。备用的系统则为，物理机环境下的SA6400。
系统主要配置，RAID F1、Photos、Docker。
RAID F1，是群晖针对全闪NAS，在RAID5基础上的改进，非常适合用于组建全闪NAS。

白名单，M.2 NVMe盘识别正常，无告警信息，符合系统要求。

Docker安装了几个测试程序，懂的都懂。

功耗
开启Docker中的几个测试程序之后，其中PCDN业务上传带宽约占60Mbps。
此时功耗提升为22瓦。未开启时，约为13瓦（BIOS设置平台PL2为10瓦）。似乎12代之后的Intel CPU有个共性，负载功耗提升特别快。
通过小米功率计查看当天18小时用电为0.4度（刚好看到0.3跳为0.4），平均约为22.22瓦。


四、NAS之外的AIO性能
1. ROS/OP软路由
ROS自带N100主机所用I226网卡驱动，验证可以物理安装、PVE直通安装、VIRTIO虚拟网卡安装。
使用virtio虚拟网卡安装时，虚拟virtio端口之间的性能近20Gbps，这是PVE下的性能。VMM下，virtio的性能约10Gbps。
简测：开启ROS流控，使用电信运营商测速站点，轻松跑满外网千兆，同时ping外网无丢包与延迟增加。
2. Windows系统
支持SR-IOV的核显加速，远程访问时，系统UI流畅。
N100，R23：

N100，R24:

3. Linux作业系统
Geekbench 6，单核1242、多核3332。约为i9-9900官方成绩单核1601、多核7144的77.6%、46.6%。
Geekbench 5，单核1051、多核2998。

4. Jellyfin性能
核显加速，在线拖动进度图4K转码，流畅播放，无明显迟钝。

五、AIO风险规避方法

复杂的AIO系统，最担心AIB异常发生。
这里构建全闪NAS兼AIO的同时，采取了一些方法，避免风险。
1. 所有数据均存储在NAS当中，包括PVE各虚拟机的系统。只要保障好NAS，从而就可以有效规避AIB。
2. 上述构建的以PVE为底层承载的NAS系统（DS3622xs+，主用系统），和以物理机直接运行的NAS系统（SA6400，备用系统），经实践检验，一定的预先配置之后，可以自由转换无需迁移，直接运行。方法(简述)，前者在引导时选择TF卡启动，后者选择U盘启动，NAS系统的配置数据保存在各自引导之中，其他数据保存在相同的磁盘阵列（RAID F1，5*M.2 NVMe SSD物理盘），所以，两者切换时，NAS系统不会进入迁移，而是使用之前保存在引导中的参数直接运行，进入对应的系统。
3. 得益于前一条，复杂的AIO系统可以随时转换为单一的NAS系统。方便异常维护，也可以互为备用。

总结

这三个月来的亲身实践，曲曲折折没有尽表，许多艰难险阻经历过后也不足为道，还好终于从理想化需求，初步按预期目标达成——低功耗全闪NAS暨软路由AIO。

所选机型不需要拆分芯片，将PCIe资源拆分为多个PCIe3.0x1的黑科技，无疑将给全闪NAS市场带来腾飞机遇的里程碑。

未来使用具有更多PCIe资源的CPU，是否能组成更多的M.2 NVMe PCIe3.0x1呢？完全可以期待。
或许，我们见证了以新一代低功耗CPU，开启组建全闪NAS暨软路由AIO的新篇章。

fly8008

起初以为是软路由，结果是高端NAS， 点赞。哈哈。

Cappuccino0601

目前看到最完美的全闪NAS

tian349776608

有自己的想法，很钦佩

chxj12345

应该有大神做板子，做箱子，全M.2的NAS，外带跑跑PCDN等

alicro

增加点隔远点的全景照就好了

gylj7058

结果是高端NAS， 点赞。

sevenmagicbox

点赞，又有新目标了

alexgao

请教一下，开启SR-IOV一定需要bios支持吗？我看很多主板好像都没有这个选项。

多多一闪

找个黑科技厉害

夜雨寄北

这个还真是不错啊，厉害厉害。

感谢这个思路

Wolverine

真高端!!

rmapleaf

此帖厉害在SR-IOV啊，直接虚拟一拆四，之前PCIeX
16拆4个X4还要类似PLX芯去拆~

extende

委屈PCIe4.0*4的固态了，被降级到PCIe3.0*1

vindemiarrix

一直想组M2的Nas，买原厂的太贵，
而且除了致钛，其他原厂的TLC SSD发热巨大，P3 Plus之类QLC的写入太坑爹
买白片又要担心掉盘的问题，估计要再等等，希望LZ顺利上车
不想折腾，以后直接ASUSTOR Flashstor

tonrain

一套PCIe3.0x1 确实委屈了这盘。
不过确实是全闪NAS啊
希望群晖啊  QNAP啊能看到这些
赶紧上全闪机型（1290fx什么的那价格就邪灵退散吧）

daoa

专业，这样的nas 再弄个10G网卡，用来减视频完美了

fisheess

proxmox直通有比较全面的教程吗？最近在搞，直通了核显和板载sata控制器，然后proxmox就崩溃了

a39765

全闪不配合100g网卡等于没来

yystt

SSD价格确实便宜不少了。可是，SSD不是一直都说不适合做NAS吗。。。

icefish7

支持国货

lilie

多谢楼主分享。

不过一直有个疑问，全闪NAS，sata接口的固态硬盘是不是更实用一些？
没有pcie通道限制，体积大散热情况估计也好一些。

Greathit

同在看这套。
考虑直接上N305的，看中x宝畅网的

yanhuji

fs6712X 买回来没开箱

rhZhao

我觉得这方案应该量产，毕竟未来几年，大家可能越来越需要全低价国产SSD组NAS，那么RAID6甚至RAID60这样的NAS方案就会非常吃香。

qiuli_45z

主板第一层插内存处咋看上去有个上层小板？没看懂请解释一下，谢谢！

wdk35606

不装个刀客跑网心，对不起4T盘，另外爱国者暴毙的可能性比较大，建议选大华那个10年保的。

huihuige

牛掰~
这个主板我愣是没看明白什么造型~

sillencehitman

我是N100+QNAS mini机箱，上2.5寸ssd，真香，感觉比你这个实用多了

danety

这个是厂家优化了供电的第二版？