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10 ギガビット イーサネット(略称10GE、10GbE、または10 GigE ) は、10ギガビット/秒の速度で イーサネット フレームを伝送するコンピュータ ネットワーク技術のグループです。これは、IEEE 802.3ae-2002標準で最初に定義されました。以前のイーサネット標準とは異なり、10GbE は、一般にネットワーク スイッチによって接続される全二重ポイントツーポイント リンクのみを定義します。共有メディアCSMA/CD操作は、以前の世代のイーサネット標準から引き継がれていません[1]。そのため、半二重操作とリピータ ハブは10GbE には存在しません。[2]より高速な100 ギガビット イーサネットリンクの最初の標準は、 2010 年に承認されました。 [3]
10GbE 規格には、さまざまな物理層(PHY) 規格が含まれています。スイッチやネットワーク インターフェイス コントローラなどのネットワーク デバイスは、 SFP+ベースのものなど、プラグ可能な PHY モジュールを介してさまざまな PHY タイプを持つことができます。[4]以前のバージョンのイーサネットと同様に、10GbE では銅線または光ファイバー ケーブルを使用できます。銅線ケーブルの最大距離は 100 メートルですが、帯域幅の要件があるため、より高品質のケーブルが必要です。[a]
10GbEの採用は、イーサネットの以前の改訂版よりも緩やかです。2007年には100万の10GbEポートが出荷され、2009年には200万ポート、2010年には300万ポート以上が出荷され、[5] [6] 2011年には900万ポートになると推定されています。 [7] 2012年の時点で、10GbEのギガビット帯域幅あたりの価格はギガビットイーサネット[アップデート]と比較して約3分の1でしたが、10GbEのポートあたりの価格は依然としてより広範な採用を妨げていました。[8] [9]
2022年までに、10GBase-Tのポートあたりの価格は規模に応じて50〜100ドルに下がりました。[10] 2023年には、 10GbE WANポートを標準装備したWi-Fi 7ルーターが登場し始めました。
標準
長年にわたり、電気電子技術者協会(IEEE) 802.3 ワーキング グループは10GbE に関連するいくつかの標準を公開してきました。
物理層モジュール
さまざまな 10GbE 物理層標準を実装するために、多くのインターフェイスは、さまざまな物理 (PHY) 層モジュールを差し込むことができる標準ソケットで構成されています。PHY モジュールは公式の標準化団体で指定されているのではなく、より迅速にネゴシエートできるマルチソース アグリーメント(MSA) によって指定されています。10GbE の関連 MSA には、 XENPAK [12] [13] [14] (および関連する X2 と XPAK)、XFP、SFP+ などがあります。[15] [16] PHY モジュールを選択する場合、設計者はコスト、到達範囲、メディア タイプ、消費電力、およびサイズ (フォーム ファクター) を考慮します。単一のポイントツーポイント リンクは、プラグ可能でサポートされている 10GbE 光ポートまたは銅線ポート タイプ (10GBASE-SR など) が同一である限り、両端で異なる MSA プラグ可能形式 (XPAK と SFP+ など) を持つことができます。
XENPAK は 10GE の最初の MSA であり、最大のフォーム ファクタを持っていました。その後、X2 と XPAK が、より小さなフォーム ファクタを持つ競合標準となりました。X2 と XPAK は、市場で XENPAK ほど成功していません。XFP は X2 と XPAK の後に登場し、こちらもより小型です。
最新のモジュール規格は、拡張された小型フォームファクタ プラガブル トランシーバで、一般に SFP+ と呼ばれています。小型フォームファクタ プラガブル トランシーバ(SFP)をベースにANSI T11ファイバー チャネルグループが開発したこの規格は、XFP よりもさらに小型で消費電力も低くなっています。SFP+ は、10GE システムで最も人気のあるソケットとなっています。[17] [15] SFP+ モジュールは光から電気への変換のみを行い、クロックおよびデータ回復は行わないため、ホストのチャネル イコライゼーションに高い負荷がかかります。SFP+ モジュールは、従来の SFP モジュールと共通の物理フォーム ファクタを共有しているため、XFP よりも高いポート密度が可能になり、 19 インチ ラック幅のブレードで 24 または 48 ポートの既存の設計を再利用できます。
光モジュールは、XAUI、XFI、またはSerDes Framer Interface (SFI) インターフェイスのいずれかによってホストに接続されます。XENPAK、X2、および XPAK モジュールは、XAUI を使用してホストに接続します。XAUI (XGXS) は 4 レーンのデータ チャネルを使用し、IEEE 802.3 条項 47 で指定されています。XFP モジュールは XFI インターフェイスを使用し、SFP+ モジュールは SFI インターフェイスを使用します。XFI と SFI は、単一レーンのデータ チャネルと、IEEE 802.3 条項 49 で指定されている 64b/66b エンコーディングを使用します。
SFP+モジュールは、さらに線形と制限の2種類のホストインターフェイスに分類できます。10GBASE-LRMモジュールを使用する長距離アプリケーションを除き、制限モジュールが推奨されます。[16]
光ファイバー
10ギガビットイーサネットに使用される光ファイバーには、シングルモード（SMF）とマルチモード（MMF）の2つの基本的なタイプがあります。 [22] SMFでは光はファイバーを通る単一の経路をたどりますが、MMFでは複数の経路をたどるため、差動モード遅延（DMD）が発生します。SMFは長距離通信に使用され、MMFは300m未満の距離に使用されます。SMFはコアが狭く（8.3μm）、より正確な終端および接続方法が必要です。MMFはコアが広く（50または62.5μm）、MMFの利点は、短距離では低コストの垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）で駆動できることです。マルチモードコネクタは安価で、現場で確実に終端するのが簡単です。SMFの利点は、長距離でも機能することです。[23]
802.3 規格では、FDDI グレードの MMF ファイバーが参照されています。このファイバーは 62.5 μm のコアを持ち、850 nm で最小モード帯域幅が 160 MHz·km です。このファイバーは、1990 年代初頭にFDDIおよび100BASE-FXネットワーク用に最初に導入されました。802.3 規格では、光 MMF ファイバー タイプOM1、OM2、OM3、および OM4を規定するISO/IEC 11801も参照しています。OM1 は 62.5 μm のコアを持ち、他のファイバーは 50 μm のコアを持ちます。850 nm では、OM1 の最小モード帯域幅は 200 MHz·km、OM2 は 500 MHz·km、OM3 は 2000 MHz·km、OM4 は 4700 MHz·km です。 FDDIグレードのケーブルは現在では時代遅れになっており、新しい構造化ケーブル配線ではOM3またはOM4ケーブルが使用されています。OM3ケーブルは、低コストの10GBASE-SR光ファイバーを使用して、10ギガビットイーサネットを300メートル伝送できます。[24] [25] OM4は400メートルを伝送できます。[26]
SMFケーブルとMMFケーブルを区別するために、SMFケーブルは通常黄色で、MMFケーブルはオレンジ色（OM1とOM2）または水色（OM3とOM4）です。ただし、光ファイバーでは、特定の光速度や技術に対して統一された色はなく、例外として、角度付き物理接触コネクタ（APC）は緑色で統一されています。[27]
アクティブ光ケーブル (AOC) もあります。これらは光電子部品がすでに接続されているため、ケーブルと光モジュール間のコネクタは不要です。標準の SFP+ ソケットに差し込みます。メーカーは必要な長さとケーブルの種類に合わせて電子部品を適合させることができるため、他の光ソリューションよりもコストが低くなります。[要出典]
10GBASE-SR
10GBASE-SR（「短距離」）は、マルチモードファイバー用のポートタイプであり、850nmレーザーを使用します。[28]その物理コーディングサブレイヤー（PCS）は64b/66bであり、IEEE 802.3条項49で定義され、その物理媒体依存（PMD）サブレイヤーは条項52で定義されています。シリアル化されたデータをラインレートで配信します。10.3125 英ポンド[ 29]
範囲は使用されるマルチモードファイバーの種類によって異なります。[24] [30]
MMF は SMF に比べてコネクタのコストが低いという利点があり、コアが広いため機械的な精度がそれほど必要ありません。
10GBASE-SR トランスミッタは、低コストで低消費電力の VCSEL を使用して実装されています。OM3 および OM4 光ケーブルは、 VCSEL で動作するように設計されているため、レーザー最適化されていると言われることがあります。10GBASE-SR は、最も低コスト、最も低消費電力、最も小型のフォーム ファクタの光モジュールを提供します。
10GBASE-SRL（10GBASE-SR lite）と呼ばれる、より低コストで低消費電力の変種もあります。これは10GBASE-SRと相互運用可能ですが、到達距離は100メートルしかありません。[31]
10GBASE-LR
10GBASE-LR（長距離）はシングルモードファイバー用のポートタイプで、1310nmレーザーを使用します。64b/66b PCSはIEEE 802.3条項49で定義され、PMDサブレイヤーは条項52で定義されています。シリアル化されたデータを10.3125GBdのラインレートで配信します。[29]
10GBASE-LR トランスミッタは、ファブリ ペローまたは分布帰還型レーザー(DFB) を使用して実装されています。DFB レーザーは VCSEL よりも高価ですが、高出力で波長が長いため、長距離にわたってシングルモード ファイバーの小さなコアに効率的に結合できます。[引用が必要]
10GBASE-LR の最大ファイバー長は 10 キロメートルですが、使用されるシングルモード ファイバーの種類によって異なります。
10GBASE-LRM
10GBASE-LRM（ロングリーチマルチモード）は、もともとIEEE 802.3aqで規定されており、マルチモードファイバー用のポートタイプで、1310 nmレーザーを使用します。64b/66b PCSはIEEE 802.3条項49で定義され、PMDサブレイヤーは条項68で定義されています。シリアル化されたデータを10.3125 GBdのラインレートで配信します。[32] 10GBASE-LRMは、受信イコライゼーションに電子分散補償（EDC）を使用します。[33]
10GBASE-LRM は、FDDI グレードのマルチモード ファイバーで最大 220 メートル (720 フィート) の距離を許容し、OM1、OM2、および OM3 ファイバー タイプでも同じ最大 220 メートルの距離を許容します。[24] 10GBASE-LRM の距離は、古い 10GBASE-LX4 標準ほど遠くはありません。一部の 10GBASE-LRM トランシーバーは、標準シングルモード ファイバー (SMF、G.652) で最大 300 メートル (980 フィート) の距離も許容しますが、これは IEEE または MSA 仕様の一部ではありません。[34] FDDI グレード、OM1、および OM2 ファイバーで仕様が満たされるようにするには、送信機をモード調整パッチ コードで接続する必要があります。OM3 または OM4 でのアプリケーションでは、モード調整パッチ コードは必要ありません。[35]
10GBASE-ER
10GBASE-ER（拡張範囲）はシングルモードファイバー用のポートタイプで、1550 nmレーザーを使用します。64b/66b PCSはIEEE 802.3条項49で定義され、PMDサブレイヤーは条項52で定義されています。シリアル化されたデータを10.3125 GBdのラインレートで配信します。[29]
10GBASE-ER トランスミッタは、外部変調レーザー (EML)を使用して実装されます。
10GBASE-ERは、エンジニアリングリンクでは40キロメートル（25マイル）、標準リンクでは30キロメートルの到達距離を持ちます。[24] [14]
10GBASE-ZR
いくつかのメーカーは、10GBASE-ZRという名前で80km（50マイル）の範囲を導入しています。この80km PHYはIEEE 802.3ae規格では規定されておらず、メーカーはOC -192 / STM-64 SDH / SONET仕様に記載されている80km PHYに基づいて独自の仕様を作成しました。[36]
10GBASE-LX4
10GBASE-LX4は、マルチモードファイバーとシングルモードファイバー用のポートタイプです。3.125 Gbit/sで動作する4つの独立したレーザーソースと、1310 nm付近の4つの固有波長による粗波長分割多重を使用します。8b /10b PCSはIEEE 802.3条項48で定義され、物理媒体依存（PMD）サブレイヤーは条項53で定義されています。[24]
10GBASE-LX4はSMFで10キロメートル（6.2マイル）の範囲をカバーします。FDDIグレード、OM1、OM2、OM3マルチモードケーブルでは300メートル（980フィート）まで到達できます。[b]この場合、SMFオフセットローンチモード調整パッチコードを介して接続する必要があります。[24] ：サブクラウス53.6および38.11.4
10GBASE-PR
IEEE 802.3avで最初に規定された10GBASE-PRは、パッシブ光ネットワーク用の10ギガビットイーサネットPHYであり、ダウンストリーム方向に1577nmレーザーを使用し、アップストリーム方向に1270nmレーザーを使用する。そのPMDサブレイヤーは第75条で規定されている。ダウンストリームは、ポイントツーマルチポイント構成で10.3125Gbit/sのラインレートでシリアル化されたデータを配信する。[24]
10GBASE-PRには、10GBASE-PR10、10GBASE-PR20、10GBASE-PR30の3つの電力バジェットが規定されている。[24] : 75.1.4
10GBASE-BR
複数のベンダーが、 10GBASE-LRまたは-ERと機能的に同等のシングルモードファイバー接続が可能な、シングルストランドの双方向10 Gbit/s光学機器を発表しましたが、これは1本の光ファイバーケーブルを使用しています。1000BASE-BX10と同様に、これは各光トランシーバー内のパッシブプリズムと、1270nmと1330nmなどの2つの異なる波長を使用するトランシーバーのマッチングペアを使用して実現されます。モジュールは、さまざまな送信電力と10〜80kmの範囲の距離で利用できます。[37] [38]
これらの進歩はその後、10、20、または 40 km の範囲で IEEE 802.3cp-2021 で標準化されました。
銅
10 ギガビット イーサネットは、ツイン アクシャル ケーブル、ツイスト ペア ケーブル、およびバックプレーン上でも実行できます。
10GBASE-CX4
10GBASE-CX4 は、 802.3 によって公開された最初の 10 ギガビット銅線規格です (802.3ak-2004 として)。XAUI 4 レーン PCS (条項 48) と、同じ SFF-8470 コネクタを備えたInfiniBandテクノロジで使用されるものと同様の銅線ケーブルを使用します。最大 15 m (49 フィート) の距離で動作するように指定されています。各レーンは 3.125 GBd の信号帯域幅を伝送します。
10GBASE-CX4はスタッキングスイッチに使用されています。[39]低消費電力、低コスト、低遅延という利点がありますが、新しいシングルレーンSFP+規格よりもフォームファクタが大きく、ケーブルがかさばり、光ファイバーや10GBASE-Tよりも到達距離がはるかに短くなります。このケーブルはかなり硬く、カテゴリー5/6 UTPや光ファイバーよりもかなり高価です。
10GBASE-CX4アプリケーションは現在、SFP+ダイレクトアタッチを使用して実現されるのが一般的であり、2011年時点では[アップデート]10GBASE-CX4の出荷量は非常に少ない。[40]
SFP+ 直接接続
ダイレクトアタッチ（DA）、ダイレクトアタッチ銅線（DAC）、10GSFP+Cu [41]とも呼ばれ、10GBASE-CR [42]または 10GBASE-CX1と呼ばれることもありますが、後者の 2 つの名前のいずれにも IEEE 標準はありません。短いダイレクトアタッチケーブルはパッシブツインアキシャルケーブルアセンブリを使用し、長いものは電子増幅器を使用して範囲を追加します 。これらの DAC タイプは、SFP+ ハウジングに直接接続します。SFP+ ダイレクトアタッチのケーブル長は固定で、銅線の場合は最大 15 m です。[43] 10GBASE-CX4 と同様に、DA は低電力、低コスト、低遅延であり、かさばらないケーブルを使用し、SFP+ フォームファクタが小さいという利点もあります。SFP+ ダイレクトアタッチは現在非常に人気があり、10GBASE-SR よりも多くのポートがインストールされています。[40]
バックプレーン
バックプレーン イーサネットは、それを開発したタスク フォースの名前である802.3apとしても知られ、ブレード サーバーやアップグレード可能なライン カードを備えたモジュラーネットワーク機器などのバックプレーンアプリケーションで使用されます。802.3ap 実装は、2 つのコネクタを備えた最大 1 メートル (39 インチ) の銅プリント基板上で動作する必要があります。この標準では、10 Gbit/s 用の 2 つのポート タイプ ( 10GBASE-KX4および10GBASE-KR ) と、1 つの 1 Gbit/s ポート タイプ (1000BASE-KX) が定義されています。また、前方誤り訂正用のオプション レイヤー、バックプレーン自動ネゴシエーション プロトコル、および受信機が 3 タップ送信イコライザーを調整する 10GBASE-KR 用のリンク トレーニングも定義されています。自動ネゴシエーション プロトコルは、1000BASE-KX、10GBASE-KX4、10GBASE-KR、または 40GBASE-KR4 の動作を選択します。[c]
10GBASE-KX4
これは 4 つのバックプレーン レーン上で動作し、10GBASE-CX4 と同じ物理層コーディング (IEEE 802.3 条項 48 で定義) を使用します。
10GBASE-KR
これは単一のバックプレーンレーン上で動作し、10GBASE-LR/ER/SRと同じ物理層コーディング（IEEE 802.3 Clause 49で定義）を使用します。新しいバックプレーン設計では、10GBASE-KX4ではなく10GBASE-KRを使用します。[40]
10GBASE-T
10GBASE-T、またはIEEE 802.3an-2006 は、2006 年にリリースされた規格で、シールドなしまたはシールド付きのツイストペアケーブルを介して、最長 100 メートル (330 フィート) の距離で 10 Gbit/s の接続を提供します。[ 45]最大距離に到達するにはカテゴリ 6A が必要であり、カテゴリ 5e または 6 は、設置の品質に応じて最長 55 メートル (180 フィート) まで到達できます。[46] 10GBASE-T ケーブル インフラストラクチャは 1000BASE-T にも使用でき、自動ネゴシエーションを使用して使用する速度を選択することで、1000BASE-T から段階的にアップグレードできます。追加のライン コーディングオーバーヘッドにより、10GBASE-T は、他のほとんどの 10GBASE バリアント (1 マイクロ秒以下) と比較して、レイテンシがわずかに高くなります (2 ～ 4 マイクロ秒)。比較すると、1000BASE-Tの遅延は1～12マイクロ秒（パケットサイズによって異なります[d]）。[47] [48]
10GBASE-T は、イーサネットで既に広く使用されている IEC 60603-7 8P8Cモジュラー コネクタを使用します。伝送特性は現在500 MHzに指定されています。この周波数に到達するには、 100 m までの距離で 10GBASE-T を伝送するために、ISO/IEC 11801修正 2 または ANSI/TIA-568-C.2で指定されているカテゴリ 6A 以上の平衡ツイストペア ケーブルが必要です。カテゴリ 6 ケーブルは、 ISO TR 24750 または TIA-155-A のガイドラインに従って認定されている場合、より短い距離で 10GBASE-T を伝送できます。
802.3an 規格では、10GBASE-T のワイヤレベル変調として、トムリンソン・ハラシマ・プリコーディング(THP) と16 の離散レベルを持つパルス振幅変調(PAM-16) を使用するように規定されており、これは DSQ128 と呼ばれる 2 次元チェッカーボード パターンでエンコードされ、800 Msymbols/sec で回線に送信されます。[49] [50 ]プリコーディングの前に、 1723 ビットの[2048,1723] 2低密度パリティ チェック コードを使用して前方誤り訂正(FEC) コーディングが実行され、パリティ チェック マトリックスの構築はGF (2 6 )上の一般化リード ソロモン[32,2,31] コードに基づいています。[50]各 1723+1536 ブロック内には、1+50+8+1 のシグナリング ビットとエラー検出ビット、および 3200 のデータ ビット (回線上で 320 ns を占有) があります。対照的に、PAM-5 は 1000BASE-Tギガビット イーサネットで使用される変調技術です。
10GBASE-Tで使用されるラインエンコーディングは、より新しく低速な2.5GBASE-Tおよび5GBASE-T規格の基礎となり、既存のカテゴリ5eまたは6ケーブルを介して2.5または5.0 Gbit/sの接続を実現します。[51] 10GBASE-Tでは確実に機能しないケーブルでも、両端でサポートされている場合は2.5GBASE-Tまたは5GBASE-Tでは正常に動作する可能性があります。
10GBASE-T1
10GBASE-T1は自動車用途向けで、最長15mの単一の平衡導体ペアで動作し、802.3ch-2020で標準化されています。[52]
WAN PHY (10GBASE-W)
10 ギガビット イーサネット規格が開発された当時、ワイド エリア ネットワーク(WAN) トランスポートとしての 10GbE への関心が高まり、10GbE 用の WAN PHY が導入されました。WAN PHY は、9.953 Gbit /s で動作する軽量 SDH/SONET フレームを使用して、 OC-192/STM-64 SDH/SONET機器と相互運用できるように設計されました。WAN PHY は、ローカル エリア ネットワーク(LAN) PHY よりもわずかに遅いデータ レートで動作します。WAN PHY は、採用されているファイバー規格に応じて、最大 80 km のリンク距離を実現できます。
WAN PHYは、LAN PHYと同じ10GBASE-S、10GBASE-L、10GBASE-E光PMDを使用し、10GBASE-SW、10GBASE-LW、または10GBASE-EWとして指定されています。64b/66b PCSはIEEE 802.3条項49で定義され、PMDサブレイヤーは条項52で定義されています。また、条項50で定義されているWANインターフェイスサブレイヤー（WIS）も使用しており、これにより、フレームデータをSONET STS-192cと互換性のある形式にするために追加のカプセル化が追加されます。[24]
注記
- ^ カテゴリ 6 ケーブルは最長 55 メートルまで対応します。カテゴリ 6A以上は最長 100 メートルまで対応します。
- ^これらのファイバー タイプはすべて、1300 nm で 500 MHz × kmの最小モード帯域幅を持つように指定されています。
- ^ 40GBASE-KR4は802.3baで定義されています。[44]
- ^ ギガビットイーサネットパケットの最大転送時間はストアアンドフォワードで12.2 μs (1526 × 8 ÷ 10 9 ) 必要であり、これによりハードウェアのレイテンシが増加します。
参照
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Arista 7100T スイッチは、最長 100 メートルのカテゴリ 6a ケーブルで 10GBASE-T をサポートしますが、カテゴリ 5e (Cat-5e ケーブルでの 10GBASE-T のパフォーマンスは標準で指定されていないため保証できません。既存の Cat-5e ケーブルの使用可能性を確認するために、導入前にフィールド テストを行うことをお勧めします) および最長 55 メートルの距離のカテゴリ 6 ケーブルもサポートします。
- ^ データセンターにおける 10 ギガビットの広範な導入のための 10GBASE-T (PDF)、Intel 、 2011 年12 月 21 日取得
- ^ スイッチは 1000BASE-T から 10GBASE-T に切り替わります(PDF)、Teranetics、2009 年 10 月、2011 年12 月 21 日閲覧
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- ^ Maguire, Valerie (2020 年 6 月 4 日)。「IEEE Std 802.3ch-2020: マルチギガ車載イーサネット PHY」。
- IEEE 802.3-2018 - イーサネットの IEEE 標準
外部リンク
- イーサネットアライアンスウェブサイト
- 世界初の独立した10GBASE-T比較テスト研究