イーサネット物理層

**イーサネット物理層**
	イーサネットネットワークで使用されるケーブルの種類の 1 つであるカテゴリ 5 ケーブルで最も一般的に使用される標準の8P8C ( RJ45と呼ばれることが多い) コネクタ
標準	IEEE 802.3 (1983 年以降)
物理メディア	同軸ケーブル、ツイストペアケーブル、光ファイバー
ネットワークトポロジ	ポイントツーポイント、スター、バス
主な変種	10BASE5、10BASE2、10BASE - T、 100BASE - TX、1000BASE-T 、 10GBASE -T
最大距離	ツイストペアで100m（328フィート）、光ファイバーで最大100km
動作モード	差動（バランス）、光、シングルエンド
最大ビットレート	1 Mbit/s ～ 400 Gbit/s
電圧レベル	± 2.5 V (ツイストペア経由)
一般的なコネクタの種類	8P8C、LC、SC、ST

コンピュータネットワーク標準の Ethernetファミリの物理層仕様は、電気電子技術者協会(IEEE)によって公開されており、デバイスとネットワーク間またはネットワークデバイス間の物理接続の電気的または光学的特性と転送速度を定義します。これは、 MAC 層と論理リンク層によって補完されます。特定の物理層の実装は、一般にPHYと呼ばれます。

イーサネット物理層は 1980 年に登場して以来進化を続けており、複数の物理メディアインターフェイスと、1 Mbit/sから400 Gbit/sまでの数桁の速度を網羅しています。物理メディアは、かさばる同軸ケーブルからツイストペア、光ファイバーまで多岐にわたり、標準化された到達距離は最大 80 km です。一般に、ネットワークプロトコルスタックソフトウェアは、すべての物理層で同様に動作します。

多くのイーサネットアダプタとスイッチポートは、自動ネゴシエーションを使用して、接続されている両方のデバイスでサポートされている最適な値に速度とデュプレックスを設定することにより、複数の速度をサポートしています。自動ネゴシエーションが失敗した場合、一部の複数速度デバイスはパートナーが使用する速度を感知しますが、 ^[1]これによりデュプレックスの不一致が発生する可能性があります。まれな例外を除き、100BASE-TXポート ( 10/100 ) は10BASE -Tもサポートし、1000BASE-Tポート ( 10/100/1000 ) は 10BASE-T と 100BASE-TX もサポートします。ほとんどの10GBASE-Tポートは 1000BASE-T もサポートしており、^{[2]一部は 100BASE-TX または 10BASE-T もサポートしています。}ツイストペア経由のイーサネットでは自動ネゴシエーションに実質的に依存できますが、複数の速度をサポートする光ファイバーポートはほとんどありません。いずれにしても、マルチレートファイバーインターフェイスでも単一の波長 (例: 1000BASE-SX または 10GBASE-SR の場合は 850 nm) のみがサポートされます。

10ギガビットイーサネットは、 2007年までに企業ネットワークとキャリアネットワークの両方ですでに使用されており、40Gbit/s ^[3]^[4]と100ギガビットイーサネット^[5]が承認されました。^[6] 2017年にイーサネットファミリに追加された最速の規格は、200Gbit/sと400Gbit/sでした。^[7] 800Gbit/sと1.6Tbit/sのイーサネット規格の開発は2021年に開始されました。^[8]

命名規則

一般的に、レイヤーはその仕様によって命名される。^[9]

10、100、1000、10G、... – 物理層の最上位の公称使用可能速度（サフィックスなし = メガビット/秒、G = ギガビット/秒）。ラインコードは除きますが、その他の物理層オーバーヘッド（プリアンブル、SFD、IPG ）は含まれます。一部の WAN PHY（W）は、互換性の理由からわずかに低いビットレートで動作します。エンコードされた PHY サブレイヤーは通常、より高いビットレートで動作します。
BASE、BROAD、PASS –それぞれベースバンド、ブロードバンド、またはパスバンドの信号を示します。
-T、-T1、-S、-L、-E、-Z、-C、-K、-H ... – 媒体 (PMD): T =ツイストペア、-T1 = シングルペアツイストペア、S = 850 nm 短波長 (マルチモードファイバー)、L = 1300 nm 長波長 (主にシングルモードファイバー)、EまたはZ = 1500 nm 超長波長 (シングルモード)、B = WDMを使用した双方向ファイバー (主にシングルモード) 、P = パッシブ光 ( PON )、C = 銅線/ツインナックス、K =バックプレーン、2または5または36 =到達距離 185/500/3600 m の同軸(旧式)、F = ファイバー、さまざまな波長、H =プラスチック光ファイバー
X、R – PCS エンコード方式 (世代により異なる): Xは8b/10bブロックエンコード (ファストイーサネットの場合は4B5B )、 Rはラージブロックエンコード ( 64b/66b )
1、2、4、10 – LAN PHY の場合はリンクあたりの使用レーン数を示します。WAN PHY の場合はキロメートル単位の到達距離を示します。

10 Mbit/s の場合、すべてのバリアントでマンチェスターコードが使用されるため、エンコードは示されません。ほとんどのツイストペアレイヤーでは固有のエンコードが使用されるため、ほとんどの場合、-Tのみが使用されます。

特に光接続の場合、到達距離は、すべてのチャネルパラメータ (モード帯域幅、減衰、挿入損失など) が満たされたときに動作することが保証される最大達成可能リンク長として定義されます。チャネルパラメータが優れていると、より長く安定したリンク長を実現できる場合が多くあります。逆に、チャネルパラメータが悪いリンクでも動作することはできますが、距離は短くなります。到達距離と最大距離は同じ意味です。

物理層

次のセクションでは、公式のイーサネットメディアタイプの概要を説明します。これらの公式標準に加えて、多くのベンダーがさまざまな理由 (多くの場合、光ファイバーケーブルによる長距離のサポート) で独自のメディアタイプを実装しています。

初期の実装と10 Mbit/s

初期のイーサネット規格では、信号が自己クロックされ、ハイパスフィルターによる悪影響を受けないように、マンチェスターコーディングが使用されていました。

100 メガビット/秒

すべてのファーストイーサネットバリアントはスタートポロジを使用し、通常は4B5Bラインコーディングを使用します。

1 ギガビット/秒

ギガビットイーサネットのすべてのバリアントはスタートポロジを使用します。1000BASE-Xバリアントは8b/10b PCSエンコーディングを使用します。当初、半二重モードは標準に含まれていましたが、その後廃止されました。^[15]半二重でギガビット速度をサポートするデバイスはほとんどありません。

2.5 および 5 Gbit/s

2.5GBASE-T および 5GBASE-T は 10GBASE-T の縮小版であり、Cat 6A以前のケーブルよりも長距離の伝送が可能です。これらの物理層は、ツイストペア銅線ケーブルとバックプレーンのみをサポートします。

10 ギガビット/秒

10 ギガビットイーサネットは、公称データレートが 10 Gbit/s のイーサネットバージョンで、ギガビットイーサネットの 10 倍の速度です。最初の 10 ギガビットイーサネット規格である IEEE Std 802.3ae-2002 は、2002 年に公開されました。その後の規格には、シングルモードファイバー (長距離)、マルチモードファイバー (最大 400 m)、銅線バックプレーン (最大 1 m)、銅線ツイストペア (最大 100 m) のメディアタイプが含まれています。すべての 10 ギガビット規格は、IEEE Std 802.3-2008 に統合されました。ほとんどの 10 ギガビットバリアントは、64b/66b PCS コード( -R ) を使用します。10 ギガビットイーサネット、特に10GBASE-LRと10GBASE-ER は、キャリアネットワークで大きな市場シェアを誇っています。

25 ギガビット/秒

シングルレーン25ギガビットイーサネットは、P802.3byタスクフォースによって開発された100ギガビットイーサネット規格の4つのレーンのうちの1つの25.78125GBdレーンに基づいています。 ^[18]ツイストペア経由の25GBASE-Tは、IEEE 802.3bq内で40GBASE-Tと並んで承認されました。 ^[19]^[20]

40 ギガビット/秒

このイーサネットのクラスは、2010年6月にIEEE 802.3baとして標準化されました。この作業には、最初の100 Gbit/s世代は2011年3月にIEEE 802.3bgとして公開されました。^[21]^[22] A40 Gbit/sツイストペア規格は、2016 年に IEEE 802.3bq-2016 として公開されました。

50 ギガビット/秒

IEEE 802.3cdタスクフォースは、50Gbit/sレーンを使用する次世代の100および200Gbit/s規格とともに50Gbit/sを開発した。^[24]

100 ギガビット/秒

10 ギガビットおよび 25 ギガビット/秒のレーンを使用する第 1 世代の 100 ギガビットイーサネットは、2010 年 6 月に 40 ギガビットイーサネットとともに IEEE 802.3ba として標準化されました。^[21] 50 ギガビット/秒のレーンを使用する第 2 世代は、50 ギガビットおよび 200 ギガビット/秒の標準とともに IEEE 802.3cd タスクフォースによって開発されました。^[24]単一の 100 ギガビット/秒のレーンを使用する第 3 世代は、200 ギガビットおよび 400 ギガビット/秒のイーサネットとともに IEEE 802.3ck として 2022 年 9 月に標準化されました。^[25]^[26]

200 ギガビット/秒

第一世代の200 Gbit/sはIEEE 802.3bsタスクフォースによって定義され、802.3bs-2017で標準化されました。^[27] IEEE 802.3cdタスクフォースは、それぞれ1つ、2つ、または4つの50 Gbit/sレーンを使用して、50および次世代の100および200 Gbit/s標準を開発しました。^[24] 100 Gbit/sレーンを使用する次世代は、100および400 Gbit/s PHYと100 Gbit/sレーンを使用するアタッチメントユニットインターフェイス（AUI）とともに、2022年9月にIEEE 802.3ckとして標準化されました。^[25]^[26]

400 ギガビット/秒

200および400Gbit/sのイーサネット規格はIEEE 802.3bs-2017で定義されています。^[27] 1Tbit/sがさらなる目標となる可能性があります。^[28]

2018年5月、IEEE 802.3は、100 Gbit/sレーンを使用する100、200、400 Gbit/s PHYとアタッチメントユニットインターフェース（AUI）の標準を開発するための802.3ckタスクフォースを立ち上げました。^[25]新しい標準は2022年9月に承認されました。^[26]

2008年、イーサネットの共同発明者の一人であるロバート・メトカーフは、テラビットイーサネットを使用した商用アプリケーションは2015年までに実現する可能性があるが、新しいイーサネット標準が必要になる可能性があると述べた。^[29]これに続いて100テラビットへのスケーリングが急速に進み、おそらく2020年にはそうなるだろうと予測された。これらは技術能力の理論的な予測であり、そのような速度が実際に実用的な価格で利用可能になる時期を推定したものではない。^[30]

800 ギガビット/秒

イーサネット技術コンソーシアムは、 2020年4月に、緊密にバンドルされた400GBASE-Rをベースにした800Gbit/sイーサネットPCSバリアントを提案しました。^[31]

2021年12月、IEEEはP802.3dfタスクフォースを立ち上げ、2軸銅線、電気バックプレーン、シングルモードおよびマルチモード光ファイバーを介した800および1600Gbit/sのバリアントと、100および200Gbit/sレーンを使用する新しい200および400Gbit/sのバリアントを定義しました。^[32]

1.6 テラビット/秒

2022年12月、IEEEはP802.3djタスクフォースを立ち上げ、200、400、800、1600Gbit/sのツインアクシャル銅線、電気バックプレーン、シングルモードおよびマルチモード光ファイバーのバリアントと、100および200Gbit/sレーンを使用する新しいバリアントを定義しました。^[32]

最初の1マイル

ファーストマイルのイーサネットは、プロバイダーから家庭や中小企業に直接インターネットアクセスサービスを提供します。

サブレイヤー

ファストイーサネットから始まり、物理層の仕様は設計と相互運用性を簡素化するために3つのサブレイヤーに分割されています。^[36]

PCS (物理コーディングサブレイヤー) - このサブレイヤーは、自動ネゴシエーションと基本的なエンコーディング (8b/10b など)、レーンの分離と再結合を実行します。イーサネットの場合、PCS の上部にあるビットレートは公称ビットレートです。たとえば、従来のイーサネットの場合は 10 Mbit/s、ギガビットイーサネットの場合は 1000 Mbit/s です。
PMA (物理媒体接続サブレイヤー) - このサブレイヤーは、PMA フレーミング、オクテット同期/検出、および多項式スクランブル/デスクランブルを実行します。
PMD (物理媒体依存サブレイヤー) - このサブレイヤーは、物理媒体用のトランシーバーで構成されます。

ツイストペアケーブル

イーサネットのいくつかの種類は、すでに多くの場所に敷設されている 4 対の銅構造ケーブル上で動作するように特別に設計されています。10BASE-T および 100BASE-TX とは異なり、1000BASE-T 以上では、エコーキャンセレーションを使用して、双方向の同時伝送に 4 対のケーブルすべてを使用します。

ポイントツーポイントの銅線ケーブルを使用すると、データとともに電力を供給することができます。これはPower over Ethernetと呼ばれ、IEEE 802.3 規格でいくつかのバリエーションが定義されています。10BASE-T (または 100BASE-TX) をモード Aと組み合わせると、ハブまたはスイッチは 2 ペアのみで電力とデータの両方を送信できます。これは、他の 2 ペアをアナログ電話信号用に空けるように設計されています。^[37]^{[検証失敗]}モード Bで使用されるピンは、10BASE-T および 100BASE-TX で使用されない予備のペアで電力を供給します。IEEE 802.3bt で定義されている4PPoE は、4 ペアすべてを使用して最大 100 W を供給できます。

ケーブルの要件は、伝送速度と採用されているエンコード方式によって異なります。一般的に、速度が速いほど、高品質のケーブルとより高度なエンコードが必要になります。

最小ケーブル長

一部の光ファイバ接続では、受信信号の最大レベル制約のため、ケーブル長が最小になっています。^[41]長距離波長用に設計された光ファイバポートは、建物内で使用する場合、信号減衰器が必要になることがあります。

RG-58同軸ケーブルで動作する10BASE2の設置では、反射を最小限に抑えるために、ネットワークケーブルに接続されたステーション間に最低0.5mの距離が必要です。^[42]

ツイストペアケーブルで動作する10BASE-T、100BASE-T、および1000BASE-Tのインストールでは、スタートポロジが使用されます。これらのネットワークには最小ケーブル長は必要ありません。^[43]^[44]

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外部リンク

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[33] "800GSpecification" (PDF) . 2020-03-10 . 2020-09-16閲覧。

[34] 「Infineon が Ethernet over VDSL 技術特許の獲得で MDU/MTU 市場におけるリーダーシップを強化」。ニュースリリース。Infineon Technologies AG。2001 年 1 月 8 日。2001 年 4 月 13 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8 月 27 日閲覧。

[35] 「インフィニオンが第2四半期の業績を発表」。ニュースリリース。インフィニオンテクノロジーズ。2001年4月24日。 2011年8月28日閲覧。...シスコ社と戦略的設計契約を締結し、インフィニオンの10BaseS技術を組み込んだ新しい長距離イーサネット製品を開発

[36] IEEE 802.3図 1–1—IEEE 802.3 標準と ISO/IEC 開放型システム間相互接続 (OSI) 参照モデルの関係

[37] 「Tech Info - LAN and Telephones」 Zytrax.com 。 2011 年12 月 17 日閲覧。

[38] IEEE 802.3 14.5.1 MDI コネクタ

[39] IEEE 802.3表 25–2—ツイストペア MDI コンタクトの割り当て

[40] IEEE 802.3 40.8.1 MDI コネクタ

[41] 「ギガビット SFP ポート上の Cisco 100BASE-FX SFP ファストイーサネットインターフェイスコンバータ」。Cisco Systems。2007年 10 月 13 日のオリジナルからアーカイブ。

[42] 「IEEE イーサネット標準 802.3-2008 条項 10.7.2.1-2」(PDF)。

[43] 「イーサネット衝突のトラブルシューティング」。2016年8 月 9 日閲覧。

[44] ギガビットイーサネット(PDF) 、2016年8月9日取得