Der Raspberry Pi 4 als NAS-Basis

Der Raspberry Pi 4 als NAS-Basis

Wissen | Hintergrund

Dank Gigabit-Ethernet und USB 3.0 lässt sich der Raspberry Pi 4 als flotter Netzwerkspeicher (NAS) einrichten. Je nach gewünschtem Einsatzzweck führen verschiedene Wege zum Ziel.

Ein zentraler Netzwerkspeicher ist eigentlich bloß ein spezialisierter Server. Für ein Network Attached Storage (NAS) für ein kleines Netz mit wenigen Nutzern bringt der 2019 vorgestellte Raspberry Pi 4 (RPi4) die wichtigsten Voraussetzungen mit. Er hat einen ausreichend flotten Prozessor mit eingebautem Gigabit-Ethernet-(GE-) Controller sowie einen USB-3.0-Hostadapter. Um den RPi4 in ein NAS zu verwandeln, muss man bloß noch Massenspeicher anschließen und das Betriebssystem passend einrichten. Doch welches Betriebssystem eignet sich am besten für die gewünschte NAS-Nutzung und welche Speichermedien soll man nehmen: eine „große“ MicroSD-Karte, USB-Sticks, externe SSDs oder klassische Magnetfestplatten?

Das von der Raspberry Pi Foundation gepflegte Betriebssystem Raspbian auf Basis von Debian Linux lässt sich auch als NAS konfigurieren, etwa indem man Verzeichnisse mit Samba (SMB) freigibt. Für alte Linux-Hasen ist das kein Problem, aber für Anfänger ist der Weg recht mühselig und fehlerträchtig. Denn zunächst muss man die gewünschten Massenspeicher einrichten und in Linux einbinden, dann Samba installieren und über eine Textdatei konfigurieren. Dabei schleichen sich leicht Fehler ein, weil man das alles „zu Fuß“ richtig einstellen und sich etwa auch über Nutzerkonten und Zugriffsrechte Gedanken machen muss.

Eine fertige NAS-Distribution wie OpenMediaVault (OMV) ist da einfacher und nutzerfreundlicher; ab Seite 50 beschreiben wir unsere Erfahrungen damit. Es gibt aber auch noch andere Raspi-Betriebssysteme, die Daten im Netz teilen können: Bei der Mediacenter-Distribution LibreElec mit „eingebautem“ Kodi lässt sich SMB leicht als Option freischalten, allerdings ohne Nutzerverwaltung. Das ist ziemlich unsicher und nur für Heimnetze gedacht, in denen man sämtlichen Nutzern vertraut; bei LibreElec dient die SMB-Freigabe als einfacher Weg, um Multimediadaten auf den Raspi zu kopieren.

Rasberry Pi 4 als NAS nutzen

Auch andere Linux-Distributionen lassen sich auf einem Raspi installieren; welche für ein NAS die optimale ist, hängt vom persönlichen Geschmack sowie den eigenen Vorkenntnissen ab – aber auch davon, welche Aufgaben der Raspi zusätzlich zum NAS erledigen soll. OMV beispielsweise läuft einfach unter dem „normalen“ Raspbian und man kann beliebige Software zusätzlich nutzen, sofern CPU-Leistung, RAM und Speicherplatz ausreichen. LibreElec hingegen ist bewusst abgespeckt: Man kann zwar auch LibreElec enorm erweitern, aber für manche Anwendungen kommt man mit Raspbian schneller zum Ziel.

Von entscheidender Bedeutung für ein zuverlässiges, sparsames und leises NAS ist der Massenspeicher. Der RPi4 hat keine SATA-Anschlüsse, aber einen USB-3.0-Adapterchip mit zwei Ports. In neuester Schreibweise arbeitet dieser Adapterchip mit USB 3.2 Gen 1, also mit 5 GBit/s; in der Praxis schafft der RPi4 über 300 MByte/s. Ist der USB-Speicher schnell genug, lassen sich also die mit Gigabit Ethernet möglichen rund 100 MByte/s ausreizen, jedenfalls solange man die Daten nicht verschlüsselt. Mit Verschlüsselung bricht die Transferrate vor allem beim Schreiben auf weniger als die Hälfte ein (dazu unten mehr).

An den RPi4 lassen sich eine oder zwei USB-Festplatten, USB-SSDs oder USB-Sticks anschließen. Alternativ oder zusätzlich kann man freie Kapazität auf der MicroSD-Karte nutzen, von der der Raspi bootet. Eine MicroSD-Karte mit 512 GByte bekommt man ab 80 Euro, mehr als 1 TByte gibt es aber bisher nicht in dieser Bauform und schon dafür zahlt man mit mindestens 350 Euro überproportional mehr. MicroSD-Karten arbeiten sehr sparsam und geräuschlos. Der im RPi4 eingebaute Card Reader schafft jedoch nicht mehr als 50 MByte/s, der in älteren Raspis gar nur 25 MByte/s.

USB-Festplatten mit mehr als 2 TByte (links) können die USB-Stromversorgung des Raspberry Pi 4 überfordern; besser sind deshalb „normal dicke“ (Mitte). USB-Sticks eignen sich nicht besonders gut fürs Raspi-NAS, dann schon eher eine besonders „große“ MicroSD-Karte.

Externe Magnetfestplatten im 2,5-Zoll-Format mit USB-3.0-Anschluss fassen derzeit bis zu 5 TByte, aber nur mit „dicken“ Laufwerken mit 15 Millimetern Bauhöhe. Einige dieser 4- und 5-TByte-Platten brauchen bei Zugriffen bis zu 4 Watt; mit zwei davon wäre die Stromversorgung des RPi4 überfordert. Die „normalen“ 7- oder 9,5-Millimeter-Laufwerke speichern maximal 2 TByte; sie sind sparsamer und Probleme mit der Raspi-Stromversorgung daher unwahrscheinlich. Die wenigen externen 2,5-Zoll-Platten mit mehr als 5 TByte sind intern als RAID 0 aus zwei Disks aufgebaut und schlucken womöglich zu viel Strom für den Raspi-Anschluss – beide Ports zusammen dürfen nicht mehr als 6 Watt ziehen. Eine USB-3.0-Platte im 2,5-Zoll-Format mit 2 TByte bekommt man ab etwa 65 Euro, für eine dicke 4-TByte-Version zahlt man rund 110 Euro. Solche Laufwerke liefern in ihren schnellsten Zonen über 140 MByte/s, in den inneren Spuren immer noch 50 bis 60 MByte/s.

Von externen 3,5-Zoll-Festplatten raten wir beim Raspi dringend ab: Sie fassen zwar über 10 TByte, brauchen aber eine externe Stromversorgung – und die ist bei manchen dermaßen ineffizient, dass dauerhaft 10 Watt oder mehr fließen. Außerdem sind manche dieser Laufwerke laut, einige erwärmen sich stark. Wer dermaßen viel NAS-Kapazität braucht, kauft besser ein „richtiges“ NAS, zum Beispiel die Buffalo LinkStation 520D für zwei 3,5-Zoll-Platten ab 80 Euro. Der Mehrpreis zum Raspi fällt da im Vergleich zu den Kosten der Festplatten kaum noch ins Gewicht.

Externe SSDs wiederum sind zwar viel schneller als Festplatten, geräuschlos und vertragen auch kräftige Stöße – sind aber auch teuer. 1 TByte kostet hier mindestens 130 Euro, 2 TByte sogar 300 Euro. Die höhere SSD-Geschwindigkeit wirkt sich beim Raspi-NAS eher selten aus: SSDs sind besonders bei zufällig verteilten Zugriffen schneller als Magnetfestplatten, aber beim NAS kommt es eher auf die Geschwindigkeit bei sequenziellen Zugriffen an und die ist durch das Netzwerk ohnehin begrenzt. Anders als mancher denkt, sind SSDs nicht unbedingt sparsamer als 2,5-Zoll-Magnetfestplatten; manche SSDs ziehen beim Schreiben sogar deutlich mehr Strom.

USB-Sticks eignen sich nicht so gut als Raspi-NAS-Massenspeicher. Einerseits arbeiten viele Sticks extrem lahm, andererseits ziehen manche schon 1 bis 1,5 Watt, wenn sie bloß eingesteckt sind. USB-Platten im 2,5"-Format und USB-SSDs beherrschen üblicherweise Stromsparmodi, dank derer sie im Leerlauf sparsamer bleiben.

Prinzipiell ist es möglich, zwei USB-Platten am RPi4 zu einem RAID 1 mit redundanter Datenspeicherung zu verkoppeln. Das ist allerdings etwas kompliziert, führt zu höherer Leistungsaufnahme und zu mehr Kabeln. Bei einem Raspi-NAS geht es eher um Sparsamkeit, niedrige Kosten und möglichst simple Konfiguration – für einen zentralen Netzwerkspeicher mit möglichst geringem Ausfallrisiko nimmt man dann doch besser ein ordentliches NAS-Fertiggehäuse. Wer partout Redundanz für seine auf dem Raspi-NAS gespeicherten Daten wünscht, kann das auch ohne RAID erreichen, etwa durch (per cronjob) zeitgesteuerte Sicherheitskopien auf einer zweiten USB-Platte oder auf einem zweiten Raspi-NAS. Mit letzterem kann man seine Daten sogar vor Verschlüsselungstrojanern wie Emotet schützen.

Apropos Verschlüssslung: Unter Linux kann man Datenträger mit LUKS verschlüsseln, aber das braucht Rechenleistung. Der BCM2711-Chip des RPi4 hat zwar Hardware-Einheiten für AES-Verschlüsselung, aber die bisherige Version von Raspbian kann diese nicht nutzen. Daher bricht die Datenrate beim Schreiben verschlüsselter Daten deutlich spürbar ein.

Mit einer einzelnen 2,5-Zoll-USB-Platte genügt zur Stromversorgung das USB-C-Netzteil der Raspberry Pi Foundation oder ein ähnliches 5-Volt-Netzteil, das 15 Watt (5 V/3 A) liefert. Die beiden USB-3.0-Ports geben gemeinsam höchstens 1,2 A ab, also 6 Watt. Daher wird es mit zwei Festplatten rasch eng, selbst wenn man für den Raspi ein stärkeres Netzteil verwendet.

Im Prinzip könnte man an den RPi4 auch einen USB-3.0-Hub mit eigenem Netzteil und daran wiederum mehrere USB-Platten anschließen. Auf derartig komplizierte Konstruktionen sollte man aber im Sinne höherer Zuverlässigkeit verzichten. Wir empfehlen das KISS-Prinzip: Keep it simple, stupid! Je weniger Komponenten und Kabel im Spiel sind, desto weniger Probleme, Defekte und Wackelkontakte können auftreten.

Der Broadcom-BCM2711-Chip des Raspberry Pi 4 heizt sich bei hoher Rechenleistung stark auf; schon nach 10 bis 30 Sekunden Dauerlast auf allen vier CPU-Kernen kann er so heiß werden, dass er seine Taktfrequenz drosselt. Im reinen NAS-Betrieb ist das sehr selten zu erwarten, weil dabei kaum jemals alle Kerne gleichzeitig belastet sind. Ein Zusatzkühler auf dem BCM2711 ist also überflüssig – es sei denn, man kopiert ständig verschlüsselte Daten oder nutzt den Raspi gleichzeitig noch für andere Zwecke. Auch in einem schlecht belüfteten Gehäuse kann ein Zusatzkühler sinnvoll sein.

Damit ein Raspi-NAS zuverlässig arbeitet, ist außer zuverlässiger Stromversorgung, Kühlung und Verkabelung auch ein geeigneter Aufstellort wichtig. Direkte Sonneneinstrahlung, andere Wärmequellen, Staub und Vibrationen wirken sich negativ aus. Eigentlich wäre auch der Einbau von Raspi und Platte in ein solides Gehäuse ratsam, doch spätestens an diesem Punkt laufen die Kosten aus dem Ruder: Wie erwähnt, bekommt man ein komplettes NAS für zwei 3,5-Zoll-Platten ab rund 80 Euro.

Für ein Raspi-NAS gibt man rasch über 100 Euro aus, wenn man Netzteil, MicroSD-Karte und USB-Festplatte mitrechnet. Dazu kommen noch die Stromkosten: 5 Watt summieren sich bei Dauerbetrieb übers Jahr auf 44 Kilowattstunden, für die man rund 13 Euro bezahlt. Bevor man sich also an die Konfiguration macht, sollte man sich genau überlegen, was man sich wünscht. Wenn es bloß darum geht, eine vorhandene USB-Platte ins Netz zu hängen, genügt oft schon die NAS-Funktion der Fritzbox. Sollen es hingegen mehrere Terabyte zuverlässiger Netzwerkspeicher mit Redundanz sein, nimmt man besser eine fertige NAS-Box mit ausgereifter Firmware von Firmen wie Buffalo, Qnap oder Synology. Das Raspi-NAS füllt die Nische dazwischen, wenn man Spaß am Basteln hat und volle Open-Source-Kontrolle möchte. (ciw)

Dieser Artikel stammt aus c't 12/2020.

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