ギガビットイーサネット

コンピュータネットワークでは、ギガビットイーサネット（GbEまたは1GigE ）は、 1秒あたり1ギガビットの速度でイーサネットフレームを送信することを指す。最も一般的な変種である1000BASE-Tは、 IEEE 802.3ab規格で定義されている。1999年に使用され始め、高速イーサネットよりも大幅に速度が向上したこと、広く入手可能で経済的で以前の規格と同様のケーブルと機器を使用できることから、有線ローカルネットワークで高速イーサネットに取って代わった。より高速な10ギガビットイーサネットの最初の規格は2002年に承認された。^[1]

イーサネットは、1970 年代初頭にXerox PARCで行われた研究の成果であり、その後、広く実装される物理層およびリンク層プロトコルに進化しました。ファスト イーサネットでは、速度が 10 メガビット/秒 (Mbit/s) から 100 メガビット/秒に向上しました。ギガビット イーサネットは次のイテレーションで、速度が 1000 Mbit/s に向上しました。

• ギガビット イーサネットの最初の標準は、1998 年 6 月にIEEEによってIEEE 802.3zとして作成され、光ファイバーが必要でした。802.3z は一般に 1000BASE-X と呼ばれ、-X は -CX、-SX、-LX、または (非標準の) -ZX のいずれかを指します。(「X」の歴史については、ファスト イーサネット § 命名法を参照してください。)
• 1999 年に批准されたIEEE 802.3ab は、シールドなし ツイストペア(UTP)カテゴリ 5、5e 、または6ケーブルによるギガビット イーサネット伝送を定義し、1000BASE-T として知られるようになりました。802.3ab の批准により、組織は既存の銅線ケーブル インフラストラクチャを使用できるようになり、ギガビット イーサネットはデスクトップ テクノロジになりました。
• 2004 年に批准されたIEEE 802.3ahでは、さらに 2 つの GbE ファイバー規格、1000BASE-LX10 (ベンダー固有の拡張機能として既に広く実装されていた) と 1000BASE-BX10 が追加されました。これは、 Ethernet in the First Mileとして知られる大規模なプロトコル グループの一部でした。

当初、ギガビットイーサネットは大容量のバックボーンネットワークリンク（大容量のキャンパスネットワークなど）に導入されました。2000年と2001年には、Appleの Power Mac G4とPowerBook G4が それぞれ1000BASE-T接続を搭載した最初の量産パーソナルコンピュータとなりました。^[2]すぐに他の多くのコンピュータに組み込まれた機能になりました。

リピータハブを介して接続された半二重GbEリンクはIEEE仕様の一部でしたが^[3]、この仕様は更新されなくなり、スイッチを使用した全二重動作のみが使用されています。

ギガビット イーサネットには、光ファイバー(1000BASE-X)、ツイストペア ケーブル(1000BASE-T)、またはシールド付きバランス銅ケーブル (1000BASE-CX) を 使用する 5 つの物理層標準があります。

IEEE 802.3z 規格には、マルチモード ファイバーでの伝送用の 1000BASE-SX 、シングルモード ファイバーでの伝送用の 1000BASE-LX 、およびシールドされた平衡銅線ケーブルでの伝送用のほぼ廃止された 1000BASE-CX が含まれます。これらの規格では、ライン レートを 1000 Mbit/s から 1250 Mbit/s に 25% 増加させる8b/10b エンコーディングが使用され、DC 平衡信号が保証され、クロック回復が可能になります。その後、シンボルはNRZ を使用して送信されます。

光ファイバー トランシーバーは、ほとんどの場合、SFP形式のユーザー交換可能なモジュールまたは古いデバイス上のGBICとして実装されます。

広く使用されている 1000BASE-T インターフェイス タイプを定義する IEEE 802.3ab は、シンボル レートを可能な限り低く抑えてツイスト ペア経由の伝送を可能にするために、異なるエンコード方式を使用します。

IEEE 802.3ap は、さまざまな速度での電気バックプレーン上のイーサネット操作を定義します。

Ethernet in the First Mile には、後に 1000BASE-LX10 と -BX10 が追加されました。

1000BASE-T (IEEE 802.3ab とも呼ばれる) は、ツイストペア配線によるギガビット イーサネットの標準です。

各1000BASE-Tネットワークセグメントは、最大長100メートル（330フィート）が推奨され、^{[5] [a]}カテゴリ5以上のケーブル（ Cat 5eおよびCat 6を含む）を使用する必要があります。

自動ネゴシエーションは、セクション28D.5「条項40（1000BASE-T）に必要な拡張」に従って、 1000BASE-T ^[6]を使用するための要件です。^[7]少なくともクロックソースはネゴシエートされる必要があり、1つのエンドポイントはマスターで、もう1つのエンドポイントはスレーブである必要があります。

1000BASE-T は、10BASE-Tおよび100BASE-TXとは異なり、ハイブリッド回路^[8] (電話ハイブリッドに似ている) と呼ばれる適応型イコライゼーションによるエコーキャンセルと 5 レベルパルス振幅変調(PAM-5) を使用して、双方向の同時伝送に 4 対のケーブルすべてで 4 レーンを使用します。シンボルレートは 100BASE-TX (125 メガボー(MBd)) と同一であり、5 レベルシグナリングのノイズ耐性も 100BASE-TX の 3 レベルシグナリングと同一です。これは、1000BASE-T が 4 対で 6 dB の符号化ゲインを実現するために 4 次元トレリス符号化変調(TCM) を 使用しているためです。

ネゴシエーションは 2 ペアのみで行われるため、2 つの GbE インターフェイスが 2 ペアのみのケーブルで接続されている場合、インターフェイスは最大公約数 (HCD) として「ギガビット」を正常に選択しますが、^{[説明が必要]}リンクは確立されません。ほとんどの GbE 物理デバイスには、この動作を診断するための特定のレジスタがあります。一部のドライバーは、この状況により低速ではあるものの機能的な接続につながる「Ethernet@Wirespeed」オプションを提供します。^[9]

データは 4 対の銅線で 8ビットずつ送信されます。まず、8 ビットのデータは、線形フィードバック シフト レジスタに基づく複雑なスクランブル処理によって 4 つの 3 ビット シンボルに拡張されます。これは100BASE-T2で行われる処理と似ていますが、使用するパラメータが異なります。次に、3 ビット シンボルは、送信中に連続的に変化する電圧レベルにマッピングされます。マッピングの例は次のとおりです。

自動MDI/MDI-X設定は1000BASE-T規格のオプション機能として指定されており、 ^[10]つまり、ストレートケーブルは2つのGbE対応ネットワークノードインターフェース（両方ともMDI）間、および2つのスイッチまたはハブインターフェース（両方ともMDI-X）間で機能することが多いということです。この機能によりクロスオーバーケーブルが不要になり、多くの古いハブやスイッチに見られるアップリンクと通常のポートの選択や手動セレクタースイッチが不要になり、インストールエラーが大幅に減少します。

既存の Cat-5e および Cat-6 ケーブルの使用を拡張し、最大限に活用するために、新しい規格である2.5GBASE-T および 5GBASE-Tは、1000BASE-T で使用するために設計された既存の銅線インフラストラクチャ上で、それぞれ 2.5 Gbit/s および 5.0 Gbit/s で動作します。これらは10GBASE-Tに基づいていますが、より低い信号周波数を使用します。

IEEE 802.3は、IEEE Std 802.3bp-2016で1000BASE-T1を標準化しました。^[11]自動車や産業用途向けに、単一のツイストペアを介したギガビットイーサネットを定義します。15メートル（タイプA）または40メートル（タイプB）の距離のケーブル仕様が含まれています。伝送は750 MBdでPAM-3を使用して行われます。

米国電気通信工業会（TIA）は、1000BASE-Tに類似した、より実装が簡単な標準規格を作成し、1000BASE-TX（TIA/EIA-854）と呼んで推進しました。^[12]簡素化された設計では、理論上は、4つの双方向ペアの代わりに4つの単方向ペア（2つのペアTXと2つのペアRX）のみを使用することで、必要な電子機器のコストを削減できました。しかし、このソリューションは商業的には失敗しました。^[要出典]おそらく、必要なカテゴリ6ケーブルと1000BASE-T製品のコストが急速に低下したためです。

802.3z-1998 CL39 で標準化された 1000BASE-CX は、バランスシールドツイストペアとDE-9または8P8Cコネクタ (1000BASE-T とは異なるピン配置) を使用した、最大距離 25 メートルのギガビットイーサネット接続の初期標準です。セグメント長が短いのは、信号伝送速度が非常に速いためです。IT プロフェッショナルが配線を行う特定のアプリケーションではまだ使用されていますが、たとえば IBM BladeCenter では、ブレードサーバーとスイッチモジュール間のイーサネット接続に 1000BASE-CX を使用していますが、一般的な銅線用途では 1000BASE-T が後継となっています。 ^[13]

802.3ap-2007 CL70 標準化 1000BASE-KX は、電気バックプレーン上のイーサネット操作に関する IEEE 802.3ap 標準の一部です。この標準は、100 Mbit から 10 Gbit/秒 (100BASE-KX から 10GBASE-KX4) のリンク帯域幅で、1 レーンから 4 レーンのバックプレーン リンク (レーンごとに 1 つの RX 差動ペアと 1 つの TX 差動ペア) を定義します。1000BASE-KX バリアントは、1.25 GBdの電気 (光ではない) 信号速度を使用します。

1000BASE-Xは、業界では光ファイバー経由のギガビットイーサネット伝送を指すために使われており、オプションには1000BASE-SX、1000BASE-LX、1000BASE-LX10、1000BASE-BX10、または非標準の-EXおよび-ZX実装が含まれます。同じ8b/10bラインコードを使用する銅線バリアントも含まれます。1000BASE-Xは、ファイバーチャネル用に開発された物理層標準に基づいています。^[14]

1000BASE-SX は、770 ～ 860ナノメートルの近赤外線(NIR)光波長を使用してマルチモード ファイバー上で動作する光ファイバーギガビット イーサネット規格です。

この規格では、62.5 μm/160 MHz×km マルチモード光ファイバーの最大長は220メートル 、62.5 μm/200 MHz×kmは275メートル、50 μm/400 MHz×kmは500メートル、50 μm/500 MHz×kmは550メートルと規定されている。^{[25] [26]}光ファイバーケーブルメーカーは、OM3やOM4などのより新しい光ファイバーグレードを使用することで、1000BASE-SXの到達距離を少なくとも1kmに延長している。^[16]

この規格は、大規模なオフィスビル、コロケーション施設、キャリア中立型インターネット交換所内の建物内リンクで非常に人気があります。

SX インターフェースの光パワー仕様: 最小出力パワー = -9.5  dBm。最小受信感度 = -17 dBm。

1000BASE-LSX は非標準ですが、ギガビット イーサネット伝送を指す業界で認められた^[27] 用語です。1000BASE-SX と非常によく似ていますが、1310 nm 波長のレーザーで動作する SX よりも高品質の光学系により、マルチモード ファイバー ペアで最大 2 km の長距離を実現します。ベンダー間で -LX、-LX10、-SX の使用があいまいなため、1000BASE-SX または 1000BASE-LX と混同されやすいです。この範囲は、ファブリ ペロー レーザートランスミッターの使用によって実現されます。

1000BASE-LX は、IEEE 802.3 条項 38 で規定されている光ファイバー ギガビット イーサネット規格であり、長波長レーザー (1,270～1,355 nm) と最大 RMS スペクトル幅 4 nm を使用します。

1000BASE-LX は、10 μm シングルモード ファイバーを介して最大 5 km の距離で動作するように指定されています。

1000BASE-LXは、最大セグメント長550mの一般的なマルチモードファイバーでも動作します。リンク距離が300mを超える場合は、特別な発射調整パッチコードの使用が必要になる場合があります。^[28]これにより、ファイバーの中心から正確なオフセットでレーザーが発射され、ファイバーコアの直径全体に広がり、マルチモードファイバーでレーザーが利用可能なモードのごく一部に結合するときに発生する差動モード遅延と呼ばれる効果が減少します。

1000BASE-LX10 は、最初のギガビット ファイバー バージョンから 6 年後に、Ethernet in the First Mileタスク グループの一部として標準化されました。実質的には 1000BASE-LX と同じですが、高品質の光学部品により、シングル モード ファイバー ペアで最大 10 km の距離を実現します。標準化される前、1000BASE-LX10 は、1000BASE-LX/LH または 1000BASE-LH と呼ばれる独自の拡張機能として、多くのベンダーによってすでに広く使用されていました。^[29]

1000BASE-EX は、非標準ですが業界ではギガビット イーサネット伝送を指す用語として受け入れられています^[30]。1000BASE-LX10 と非常によく似ていますが、1310 nm 波長のレーザーで動作する LX10 よりも高品質の光学系により、シングルモード ファイバー ペアで最大 40 km の長距離を実現します。LH (Long Haul) と呼ばれることもあり、ベンダー間で -LX(10)、-LH、-EX、-ZX の使用があいまいであるため、1000BASE-LX10 または 1000BASE-ZX と混同されやすいです。1000BASE-ZX は、1550 nm 波長の光学系を使用する、非常によく似た非標準の長距離バリアントです。

1000BASE-BX10 は、各方向に異なる波長を持つシングルモード ファイバーの 1 本のストランドで最大 10 km まで伝送できます。ファイバーの両側の端末は同じではなく、下流 (ネットワークの中心から外部へ) に送信する端末は 1490 nm の波長を使用し、上流に送信する端末は 1310 nm の波長を使用します。これは、各トランシーバー内のパッシブ スプリッター プリズムを使用して実現されます。

他に、一般に「BiDi」（双方向）と呼ばれる非標準の高出力シングルストランド光学機器は、1490/1550 nm の範囲の波長ペアを使用し、モジュール コスト、ファイバー パス損失、スプライス、コネクタ、パッチ パネルに応じて、20、40、80 km 以上の距離に到達できます。到達距離が非常に長い BiDi 光学機器では、1510/1590 nm の波長ペアが使用される場合があります。

1000BASE-ZX は、1,550 nm の波長を使用して、シングルモード ファイバーで少なくとも 70 km (43 マイル) の距離を実現するギガビット イーサネット伝送を指す非標準のマルチベンダー^[31]用語です。ベンダーによっては、シングルモード ファイバーで最大 120 km (75 マイル) の距離を指定しているところもあり、1000BASE-EZX と呼ばれることもあります。80 km を超える範囲は、使用するファイバーのパス損失、具体的には 1 km あたりの dB 単位の減衰値、トランシーバー間にあるコネクタ/パッチ パネルとスプライスの数と品質に大きく依存します。^[32]

1000BASE-CWDMは、ギガビットイーサネット伝送を指す非標準ですが業界では受け入れられている用語です^{[22] [23]}。1000BASE-LX10と非常によく似ていますが、LX10よりも高品質の光学系と、1270～1610nmの波長レーザーで動作するCWDMの使用により、40～120kmの長距離と、1対のシングルモードファイバーで最大18の並列チャネルを実現します。

CWDMを使用するには、ファイバーリンクの両端にMux/Demuxユニット、対応する波長のCWDM MUX/DEMUX、および対応する波長のSFPが必要です。^[23]チャネル数を増やすためにDWDMを直列にすることも可能です。

最もよく使用される波長: 1270 nm、1290 nm、1310 nm、1330 nm、1350 nm、1370 nm、1390 nm、1410 nm、1430 nm、1450 nm、1470 nm、1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610 nm

CWDMはDWDMよりも安価で、コストは約1/5～1/3です。^{[33] [34]} CWDMは、ファイバーが利用できる場合、従来の-LX/-LZトランシーバーよりも約5～10倍高価です。

1000BASE-DWDMは、非標準ですが業界ではギガビットイーサネット伝送を指す用語として受け入れられています^{[24] [23]}。1000BASE-LX10と非常によく似ていますが、LX10よりも高品質の光学系と1528～1565nmの波長レーザーで動作するDWDMの使用により、40～120kmの長距離と、1対のシングルモードファイバーで最大64～160の並列チャネルを実現します。

最もよく使用されるチャネルは、波長 1528.77-1563-86 nm の CH17-61 です。

DWDMを使用するには、ファイバーリンクの両端にMux/Demuxユニット、対応する波長のDWDM MUX/DEMUX、および対応する波長のSFPを使用する必要があります。^[23] CWDMを直列に接続してチャネル数を増やすことも可能です。^{[引用が必要]}

IEEE 802.3bv-2017 は、赤色光 (600～700 nm) による-R 64b/65bラージ ブロック エンコーディングを使用して、ステップ インデックスプラスチック光ファイバー(POF) を介したギガビット イーサネットの標準化を定義します。1000BASE-RHA は家庭および消費者向け (裸の POF をクランプするだけ)、1000BASE-RHB は産業用、1000BASE-RHC は自動車用アプリケーション向けです。

同じリンク上のそれぞれの1000BASE-Xイーサネットインターフェースとの光相互運用性がある可能性があります。^[35]また、特定のタイプの光学系では波長の不一致が生じる可能性もあります。^[36]

相互運用性を実現するには、いくつかの基準を満たす必要がある。^[37]

• ラインエンコーディング
• 波長^[b]
• デュプレックスモード
• メディア数
• メディアの種類と寸法

1000BASE-X イーサネットは100BASE-Xと下位互換性がなく、 10GBASE-Xと上位互換性もありません。

• インターフェースビットレートのリスト
• 物理コーディングサブレイヤー

• ノリス、マーク、ギガビット イーサネット技術とアプリケーション、Artech House、2002 年。ISBN 1-58053-505-4 

• IEEE 802.3 を 2010 年 7 月 26 日にアーカイブしたものをWayback Machineで入手
• IEEE802.3 規格
• IEEE とギガビット イーサネット アライアンスがギガビット イーサネット オーバー カッパー標準の正式承認を発表 2009 年 7 月 31 日、Wayback Machineにアーカイブ - IEEE からの発表 1999 年 6 月 28 日
• IEEE P802.3ab 1000BASE-T タスクフォース (履歴情報)
• IEEE 802.3 CSMA/CD (イーサネット)
• 10GEA の 1000BASE-T ホワイトペーパー 2012 年 7 月 2 日にWayback Machineにアーカイブされました
• ギガビットイーサネット自動ネゴシエーション