SEIL/x86 Ayameで10GbE対応ルータを構築する

2024年12月17日 火曜日


【この記事を書いた人】
asahi

2024年新卒入社でSEIL/SA-Wシリーズルータのファームウェアを開発しています。ハードウェア寄りの技術が興味があり趣味で電子工作もやっています。

「SEIL/x86 Ayameで10GbE対応ルータを構築する」のイメージ

IIJ 2024 TECHアドベントカレンダー 12/17の記事です】

SEIL/x86 Ayameをベアメタル環境で動作させるには、トライアルまたはエンタープライズエディションのライセンスが必要です。Amazonで販売されているスタンダードエディションのライセンスでは起動できません。
また、SEIL/x86 Ayameのベアメタル環境での動作はサポートされていません。試される場合は自己責任で行ってください。

始めまして、asahiです。今年2024年に新卒入社し、所属はネットワーク本部基盤プロダクト開発部で、SEILシリーズSA-Wシリーズのファームウェア開発を担当しています。

背景

学生時代から自宅サーバなどの構築は行っていましたが、今年4月の入社に伴う転居のため一旦すべて解体しました。

転居も完了し再度構築を始めましたが、これを機に家庭向け10Gbpsベストエフォート回線が普及しつつある現状を踏まえて、自宅ネットワークの10Gbps対応を行うことにしました。

昨年、熊本さんが同じくSEIL/x86 Ayameを使用して10GbE対応ルータの構築に挑戦されていますが、マシンスペックと仮想化のオーバーヘッドの影響で10Gbpsスループットを達成できていませんでした。そこで、今回はサーバに(ハイパーバイザを使用せずに)直接SEIL/x86 Ayameをインストールするベアメタル構成とすることで、ハードウェアを最大限に活用することを狙います。

SEIL/x86 Ayameとは

SEIL/x86 Ayameは、IIJが開発したx86アーキテクチャ向けの高機能ソフトウェアルータです。IPsec、L2TPv3 over IPsec、L2TP/IPsecなどのVPN機能、OSPF、RIP、BGPなどの各種ダイナミックルーティング、ファイアウォール、IPv4ポリシールーティングなどの豊富な機能を利用できます。

使用機材

今回使用した機材を紹介します。すべて以前中古で購入したものを使用します。自宅環境の10GbEは10Gbase-TとSFP+を併用しているため、それぞれのNICを追加し双方に対応させます。

サーバ: Fujitsu PRIMERGY TX1320 M3

TX1320 M3 外観

TX1320 M3 外観

今回選定した理由として、10GbEのNICを複数使用可能なPCIeスロットが豊富でスリム筐体で比較的コンパクトな点を重視しました。また、PCIeスロット付近に十分なエアフローがあるため、発熱の大きい10GbE NICでも安定動作が期待できます。

スペック

  • CPU:Intel Xeon E3-1220 v6
  • メモリ:4GB DDR4 ECC
  • ストレージ:32GB SATA SSD

NIC1: Intel X540-T2

10Gbase-Tが2ポート搭載されたNICです。

NIC2: Huawei SP310

SFP+が2ポート搭載されたNICです。Intel 82599コントローラ搭載です。

NIC3: Fujitsu D2735-2

1000base-Tが2ポート搭載されたNICです。Intel 82576コントローラ搭載です。
余っていたのでとりあえず刺しておきます。

TX1320 M3 内部

TX1320 M3 内部

実際に構築する

今回は、KVM用の仮想マシンイメージを使用してインストールします。

  1. 配布サイトから、KVM用の仮想マシンをダウンロードし、展開します
  2. qemu-imgのddサブコマンドでインストールするSSDにイメージを書き込みます

    qemu-img dd -f qcow2 -O raw if=seilx86.qcow2 of=/dev/sdb

  3. 書き込んだSSDをサーバに接続し、起動します
  4. 無事に起動したため、ライセンスキーを入力します。
  5. 再起動し、show systemコマンドで状態を確認してみます

無事インストールが完了しました。

SEIL/x86 AyameのEthernetインターフェースはOSが認識した順にge0から付番されるため、ベアメタル構成の場合物理的な並びと順序が一致しないことが起こります。そのため、インターフェースの識別を容易にし誤配線を減らすためラベルを付けました。

Ethernetインターフェースにラベルを付けた様子

Ethernetインターフェースにラベルを付けた様子

SEIL/x86 Ayameルータの証として、SEIL/x86ステッカーを貼りました。

SEIL/x86ステッカーを貼りつけ

SEIL/x86ステッカーを貼り付け

スループットを測定してみる

では、構築したルータが10Gbpsスループットを達成できているか、簡単に測定してみます。

測定の構成は図のように10Gbase-Tを搭載した2台のLinuxマシンを接続し、iperf3で測定を行います。

L3ルーティングのみの測定

まず、一番シンプルなL3ルーティングのみでのスループットを測定してみます。

特にオプションを指定しない1ストリームの測定では、8Gbps程度が限界のようです。SEIL/x86 Ayameはマルチコア対応であり、複数フローをコアごとに分散して処理します。今回使用したCPUは4コアであるため、並列ストリーム数を4に増やして測定してみます。

結果9.4Gbps程度と、ほぼ理論値どおりのスループットが出ることを確認できました。

コンフィグ

interface.ge2.ipv4.address: 172.16.0.1/24
interface.ge3.ipv4.address: 172.16.1.1/24

測定結果

manager@nwtest ~> iperf3 -c 172.16.1.2
Connecting to host 172.16.1.2, port 5201
[  5] local 172.16.0.2 port 38582 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd
[  5]   0.00-1.00   sec   988 MBytes  8.28 Gbits/sec    4   1.77 MBytes
[  5]   1.00-2.00   sec   982 MBytes  8.23 Gbits/sec    7    549 KBytes
[  5]   2.00-3.00   sec   973 MBytes  8.16 Gbits/sec    5    547 KBytes
[  5]   3.00-4.00   sec   960 MBytes  8.05 Gbits/sec    5    625 KBytes
[  5]   4.00-5.00   sec   975 MBytes  8.18 Gbits/sec    5    632 KBytes
[  5]   5.00-6.00   sec   958 MBytes  8.04 Gbits/sec    5    696 KBytes
[  5]   6.00-7.00   sec   972 MBytes  8.15 Gbits/sec    5    666 KBytes
[  5]   7.00-8.00   sec   974 MBytes  8.17 Gbits/sec    5    639 KBytes
[  5]   8.00-9.00   sec   975 MBytes  8.18 Gbits/sec    5    631 KBytes
[  5]   9.00-10.00  sec   958 MBytes  8.04 Gbits/sec    5    703 KBytes
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr
[  5]   0.00-10.00  sec  9.49 GBytes  8.15 Gbits/sec   51             sender
[  5]   0.00-10.00  sec  9.48 GBytes  8.14 Gbits/sec                  receiver


iperf Done.
manager@nwtest ~> iperf3 -c 172.16.1.2 -P 4
Connecting to host 172.16.1.2, port 5201
[  5] local 172.16.0.2 port 55470 connected to 172.16.1.2 port 5201
[  7] local 172.16.0.2 port 55474 connected to 172.16.1.2 port 5201
[  9] local 172.16.0.2 port 55490 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ 11] local 172.16.0.2 port 55502 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd
[  5]   0.00-1.00   sec   191 MBytes  1.60 Gbits/sec    0    571 KBytes
[  7]   0.00-1.00   sec   198 MBytes  1.66 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   0.00-1.00   sec   370 MBytes  3.10 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[ 11]   0.00-1.00   sec   372 MBytes  3.12 Gbits/sec    0   1010 KBytes
[SUM]   0.00-1.00   sec  1.11 GBytes  9.48 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   1.00-2.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    631 KBytes
[  7]   1.00-2.00   sec   188 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   1.00-2.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[ 11]   1.00-2.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   1.00-2.00   sec  1.10 GBytes  9.42 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   2.00-3.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    631 KBytes
[  7]   2.00-3.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   2.00-3.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[ 11]   2.00-3.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   2.00-3.00   sec  1.10 GBytes  9.41 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   3.00-4.00   sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    631 KBytes
[  7]   3.00-4.00   sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   3.00-4.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[ 11]   3.00-4.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   3.00-4.00   sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   4.00-5.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   4.00-5.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   4.00-5.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[ 11]   4.00-5.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   4.00-5.00   sec  1.10 GBytes  9.41 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   5.00-6.00   sec   188 MBytes  1.58 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   5.00-6.00   sec   188 MBytes  1.58 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   5.00-6.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.09 MBytes
[ 11]   5.00-6.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.15 MBytes
[SUM]   5.00-6.00   sec  1.10 GBytes  9.43 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   6.00-7.00   sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   6.00-7.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   6.00-7.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.09 MBytes
[ 11]   6.00-7.00   sec   375 MBytes  3.15 Gbits/sec    0   1.21 MBytes
[SUM]   6.00-7.00   sec  1.10 GBytes  9.42 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   7.00-8.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   7.00-8.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   7.00-8.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.09 MBytes
[ 11]   7.00-8.00   sec   374 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.21 MBytes
[SUM]   7.00-8.00   sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   8.00-9.00   sec   188 MBytes  1.58 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   8.00-9.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   8.00-9.00   sec   375 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.09 MBytes
[ 11]   8.00-9.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.21 MBytes
[SUM]   8.00-9.00   sec  1.10 GBytes  9.42 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   9.00-10.00  sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    659 KBytes
[  7]   9.00-10.00  sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    901 KBytes
[  9]   9.00-10.00  sec   374 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.09 MBytes
[ 11]   9.00-10.00  sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.21 MBytes
[SUM]   9.00-10.00  sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr
[  5]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.57 Gbits/sec    0             sender
[  5]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.57 Gbits/sec                  receiver
[  7]   0.00-10.00  sec  1.84 GBytes  1.58 Gbits/sec    0             sender
[  7]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.58 Gbits/sec                  receiver
[  9]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec    0             sender
[  9]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec                  receiver
[ 11]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.14 Gbits/sec    0             sender
[ 11]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec                  receiver
[SUM]   0.00-10.00  sec  11.0 GBytes  9.42 Gbits/sec    0             sender
[SUM]   0.00-10.00  sec  11.0 GBytes  9.41 Gbits/sec                  receiver


iperf Done.

 

NAPTを行った場合

続いて、インターネット接続用にルータを使用する場合はNAPTを行うことが多いので、NAPTを行った場合のスループットも測定してみます。

NAPTを行うと負荷が上昇し、1ストリームの場合では6.2Gbps程度と2割程度低下していますが、4ストリーム並列で測定した場合では9.4Gbps程度を維持しており、NAPTを行った場合でもほぼ理論値どおりのスループットが出ることを確認できました。

コンフィグ

interface.ge2.ipv4.address: 172.16.0.1/24
interface.ge3.ipv4.address: 172.16.1.1/24
nat.ipv4.napt.0.interface:  ge3
nat.ipv4.napt.0.private:    172.16.0.0-172.16.0.255

測定結果

manager@nwtest ~> iperf3 -c 172.16.1.2
Connecting to host 172.16.1.2, port 5201
[  5] local 172.16.0.2 port 49134 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd
[  5]   0.00-1.00   sec   738 MBytes  6.18 Gbits/sec    2   1.10 MBytes
[  5]   1.00-2.00   sec   750 MBytes  6.29 Gbits/sec    2   1001 KBytes
[  5]   2.00-3.00   sec   736 MBytes  6.18 Gbits/sec    2    899 KBytes
[  5]   3.00-4.00   sec   741 MBytes  6.22 Gbits/sec    1   1.10 MBytes
[  5]   4.00-5.00   sec   754 MBytes  6.33 Gbits/sec    2   1.00 MBytes
[  5]   5.00-6.00   sec   740 MBytes  6.20 Gbits/sec    2    921 KBytes
[  5]   6.00-7.00   sec   735 MBytes  6.17 Gbits/sec    1   1.11 MBytes
[  5]   7.00-8.00   sec   752 MBytes  6.31 Gbits/sec    2   1.00 MBytes
[  5]   8.00-9.00   sec   738 MBytes  6.19 Gbits/sec    2    897 KBytes
[  5]   9.00-10.00  sec   742 MBytes  6.22 Gbits/sec    1   1.10 MBytes
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr
[  5]   0.00-10.00  sec  7.25 GBytes  6.23 Gbits/sec   17             sender
[  5]   0.00-10.00  sec  7.25 GBytes  6.23 Gbits/sec                  receiver


iperf Done.
manager@nwtest ~> iperf3 -c 172.16.1.2 -P 4
Connecting to host 172.16.1.2, port 5201
[  5] local 172.16.0.2 port 46222 connected to 172.16.1.2 port 5201
[  7] local 172.16.0.2 port 46234 connected to 172.16.1.2 port 5201
[  9] local 172.16.0.2 port 46240 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ 11] local 172.16.0.2 port 46252 connected to 172.16.1.2 port 5201
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd
[  5]   0.00-1.00   sec   194 MBytes  1.63 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   0.00-1.00   sec   194 MBytes  1.63 Gbits/sec    0    663 KBytes
[  9]   0.00-1.00   sec   370 MBytes  3.10 Gbits/sec    0   1.08 MBytes
[ 11]   0.00-1.00   sec   375 MBytes  3.14 Gbits/sec    0    925 KBytes
[SUM]   0.00-1.00   sec  1.11 GBytes  9.50 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   1.00-2.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   1.00-2.00   sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    663 KBytes
[  9]   1.00-2.00   sec   375 MBytes  3.15 Gbits/sec    0   1.08 MBytes
[ 11]   1.00-2.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0    925 KBytes
[SUM]   1.00-2.00   sec  1.10 GBytes  9.41 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   2.00-3.00   sec   188 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   2.00-3.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    663 KBytes
[  9]   2.00-3.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.08 MBytes
[ 11]   2.00-3.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0    925 KBytes
[SUM]   2.00-3.00   sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   3.00-4.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   3.00-4.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   3.00-4.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   3.00-4.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   3.00-4.00   sec  1.10 GBytes  9.43 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   4.00-5.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   4.00-5.00   sec   188 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   4.00-5.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   4.00-5.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   4.00-5.00   sec  1.10 GBytes  9.41 Gbits/sec    0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[  5]   5.00-6.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   5.00-6.00   sec   186 MBytes  1.56 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   5.00-6.00   sec   376 MBytes  3.15 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   5.00-6.00   sec   375 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   5.00-6.00   sec  1.10 GBytes  9.41 Gbits/sec    0
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[  5]   6.00-7.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   6.00-7.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   6.00-7.00   sec   373 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   6.00-7.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   6.00-7.00   sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
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[  5]   7.00-8.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   7.00-8.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   7.00-8.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   7.00-8.00   sec   374 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   7.00-8.00   sec  1.10 GBytes  9.42 Gbits/sec    0
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[  5]   8.00-9.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   8.00-9.00   sec   187 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   8.00-9.00   sec   374 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   8.00-9.00   sec   374 MBytes  3.13 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   8.00-9.00   sec  1.09 GBytes  9.40 Gbits/sec    0
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[  5]   9.00-10.00  sec   188 MBytes  1.58 Gbits/sec    0    732 KBytes
[  7]   9.00-10.00  sec   188 MBytes  1.57 Gbits/sec    0    706 KBytes
[  9]   9.00-10.00  sec   375 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.30 MBytes
[ 11]   9.00-10.00  sec   375 MBytes  3.14 Gbits/sec    0   1.04 MBytes
[SUM]   9.00-10.00  sec  1.10 GBytes  9.43 Gbits/sec    0
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[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr
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[  5]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.57 Gbits/sec                  receiver
[  7]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.57 Gbits/sec    0             sender
[  7]   0.00-10.00  sec  1.83 GBytes  1.57 Gbits/sec                  receiver
[  9]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec    0             sender
[  9]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec                  receiver
[ 11]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.14 Gbits/sec    0             sender
[ 11]   0.00-10.00  sec  3.65 GBytes  3.13 Gbits/sec                  receiver
[SUM]   0.00-10.00  sec  11.0 GBytes  9.42 Gbits/sec    0             sender
[SUM]   0.00-10.00  sec  11.0 GBytes  9.41 Gbits/sec                  receiver


iperf Done.

まとめ

自宅に余っていた機材を活用して10GbE対応ルータを構築できました。

28ポートフル10Gなスイッチと合わせて、社宅の回線は1Gbpsで個別契約はできないですが10G Readyな環境を手に入れられました。

 

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asahi

2024年12月17日 火曜日

2024年新卒入社でSEIL/SA-Wシリーズルータのファームウェアを開発しています。ハードウェア寄りの技術が興味があり趣味で電子工作もやっています。

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