ギガビット・イーサネット

インテル PRO/1000 GT PCIネットワーク・インターフェイス・コントローラー

コンピュータネットワークにおいて、ギガビットイーサネット（GbEまたは1GigE ）は、1ギガビット/秒の速度でイーサネットフレームを送信することを指す用語です。最も一般的な規格である1000BASE-Tは、 IEEE 802.3ab規格で定義されています。1999年に導入され、ファストイーサネットに比べて速度が大幅に向上していること、そして広く入手可能で経済的であり、従来の規格と同等のケーブルや機器を使用できることから、有線ローカルネットワークにおいてファストイーサネットに取って代わりました。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年に承認されました。 [ 1 ]

歴史

イーサネットは1970年代初頭にゼロックスPARCで行われた研究の成果であり、後に広く実装される物理層およびリンク層プロトコルへと進化しました。ファストイーサネットは速度を10メガビット/秒から100メガビット/秒に向上させました。ギガビットイーサネットは次の段階で、速度を1000メガビット/秒に 向上させました

ギガビットイーサネットの最初の規格は、 1998年6月にIEEEによってIEEE 802.3zとして策定され、光ファイバーが必要とされました。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。[ a ] 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光ファイバ規格が追加されました。1000BASE-LX10（ベンダー固有の拡張として既に広く実装されていました）と1000BASE-BX10です。これは、ファーストマイルイーサネットとして知られる大規模なプロトコル群の一部でした。

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（例えば、大容量のキャンパスネットワーク）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 ]その後、ギガビットイーサネットは急速に多くのコンピュータに搭載されるようになりました。

リピータハブを介して接続された半二重GbEリンクはIEEE仕様の一部であったが[ 3 ]、この仕様は維持されておらず、実際にはスイッチを使用した全二重動作のみが使用されている。

種類

PCI-X経由でコンピューターに接続する、Intel製の1000BASE-T対応ネットワークインターフェースカード

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)、またはシールドバランス銅線 (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、マルチモード光ファイバー伝送用の1000BASE-SX 、シングルモード光ファイバー伝送用の1000BASE-LX 、そしてシールド付き平衡銅線伝送用の、ほぼ廃止された1000BASE-CXが含まれています。これらの規格では、DC平衡信号を確保し、クロックリカバリを可能にするために、25%のオーバーヘッド[ b ]を追加する8b/10b符号化方式が採用されています。その後、シンボルはNRZ伝送符号を用いて送信されます。

光ファイバー トランシーバーは、ほとんどの場合、SFP形式または古いデバイス上のGBIC 形式でユーザーが交換可能なモジュール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 スキームを使用します。

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動作を定義します。

ファースト マイルのイーサネットには、後に 1000BASE-LX10 および -BX10 の長距離光ファイバー バリアントが追加されました。

銅線

ツイストペアベースのイーサネット物理トランスポート層（TP-PHY）の比較[ 4 ]
名称 規格 ステータス 速度（Mbit/s）必要なペア数 方向ごとのレーン数 1ヘルツあたりのビット数 回線コードレーンあたりの シンボルレート（MBd）帯域幅 (MHz) 最大距離 (m) ケーブル (最小必要) ケーブル定格 (MHz) 使用方法
1000BASE-T802.3ab-1999 (CL40) 電流 1000 4 4 4 TCM 4D-PAM-5 125 62.5 100 カテゴリー5100 LAN
1000BASE-T1802.3bp-2016電流 1000 1 1 2.6 6PAM-3 80B/81B RS-FEC 750 375 40 カテゴリー6A500 自動車、IoT、M2M
1000BASE-TXTIA/EIA-854 (2001) 廃止 1000 4 2 4 PAM-5 250 125 100 カテゴリー6250 市場の失敗
1000BASE-CX802.3z-1998 (CL39)レガシー 1000 データセンター。1000BASE-Tより古い。ほとんど使用されない
1000BASE-KX802.3ap-2007 (CL70)電流 1000 PCB

1000BASE-T

Supermicro AOC-SGP-I2 デュアルポート ギガビット イーサネットNIC、PCI Express × 4 カード

IEEE 802.3ab は、1000BASE-T として知られるツイストペア配線上のギガビット イーサネットのオリジナル規格です。

各1000BASE-Tネットワークセグメントは、最大100メートル（330フィート）の長さが推奨され、[ 5 ] [ c ]カテゴリ5以上の ケーブルを使用する必要があります。

自動ネゴシエーションは1000BASE-T実装の要件です[ 6 ] [ 7 ]少なくともリンクのクロックソースをネゴシエートする必要があり、一方のエンドポイントはマスターで、もう一方のエンドポイントはスレーブである必要があります。

10BASE-Tと100BASE-TXでは双方向に1対のケーブルを使用するのに対し、1000BASE-Tでは適応型イコライゼーションを用いたエコーキャンセルにより双方向同時伝送に4対のケーブルを使用する。この回路は電話ハイブリッドで用いられるハイブリッド回路[ 8 ]と呼ばれる。回線符号化方式は5値パルス振幅変調（PAM-5）である。シンボルレートは100BASE-TX（125メガボー）と同一であり 、5値信号の雑音耐性も100BASE-TXの3値信号と同一である。これは、1000BASE-Tが4次元トレリス符号化変調（TCM）を用いて4対間で6dBの符号化利得を実現しているため である。

オートネゴシエーションは2ペアのみで行われるため、2つの1000BASE-Tインターフェースを2ペアのみのケーブルで接続した場合、インターフェースはネゴシエーションを完了し、最適な共通動作モードとしてギガビットを選択しますが、リンクは確立されません。これは、ほとんどの場合、[ d ]データ通信には4ペアすべてが必要であるためです。ほとんどの1000BASE-T実装には、この動作を診断するための特定のレジスタがあります。

データは4つのペアで、一度に8ビットずつ送信されます。まず、8ビットのデータは、線形帰還シフトレジスタに基づく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で行われているものと似ていますが、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。マッピング例を以下に示します。

記号 000001010011100101110111
ライン信号レベル 0+1+2−10+1−2−1

自動MDI/MDI-X設定は1000BASE-T規格のオプション機能として規定されており[ 10 ]、一般的に実装されているため、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）間で使用できます。この機能により、イーサネットクロスオーバーケーブルが不要になり、多くの旧式のハブやスイッチに見られるアップリンクポートと通常ポートの選択や手動セレクタスイッチが不要になり、配線ミスが減少します。

既存のCat-5eおよびCat-6ケーブルの拡張と最大限活用のため、新しい規格である2.5GBASE-Tおよび5GBASE-Tは、1000BASE-T用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。

1000BASE-T1

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

1000BASE-TX

2001年、米国電気通信工業会（TIA）は、1000BASE-Tに類似した、より実装が簡単な規格を1000BASE-TX（TIA/EIA-854）として策定し、推進しました。[ 12 ]この簡素化された設計により、理論上は、4つの双方向ペアではなく、4つの単方向ペア（送信2ペアと受信2ペア）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す

1000BASE-CX

802.3z-1998 CL39で標準化された1000BASE-CXは、平衡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）を使用して、最大距離25メートルのギガビットイーサネット接続を実現する初期の規格です。セグメント長が短いのは、信号伝送速度が非常に高いためです。IT専門家が配線を行う特定のアプリケーションでは現在でも使用されています。例えば、IBM BladeCenter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、一般的な銅線接続では1000BASE-Tが後継となっています。[ 13 ]

1000BASE-KX

802.3ap-2007 CL70は、IEEE 802.3ap規格の一部として、電気バックプレーンを介したイーサネット動作に関する1000BASE-KXを標準化しました。この規格は、100Mbpsから10Gbps（100BASE-KXから10GBASE-KX4）のリンク帯域幅で、1～4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、1.25GBdの電気（光ではない）信号速度 を使用します

光ファイバー

1000BASE-Xは、業界では光ファイバーを介したギガビットイーサネット伝送を指すために使用されています。選択肢には、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規格に基づいています。[ 14 ]

ファイバーベースPHYの凡例[ 4 ]
ファイバータイプ導入性能
MMF FDDI 62.5/125µm1987 160 MHz·km @ 850 nm
MMF OM1 62.5/125 µm1989 200 MHz·km @ 850 nm
MMF OM2 50/125 µm1998 500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM3 50/125 µm20031500MHz・km @ 850nm
MMF OM4 50/125µm20083500MHz・km @ 850nm
MMF OM5 50/125µm20163500MHz・km @ 850nm + 1850MHz・km @ 950nm
SMF OS1 9/125µm19981.0 dB/km @ 1300/1550 nm
SMF OS2 9/125 µm20000.4 dB/km @ 1300/1550 nm
名称 規格 ステータス メディア コネクタ トランシーバーモジュール到達距離（m） #メディア(⇆)#ラムダ(→)レーン数( →)注記
ギガビットイーサネット（GbE） - （データレート：1000Mbit/s、伝送コード：8B/10B × NRZ、ラインレート：1.25GBd  、全二重（または半二重））
1000BASE-CX802.3z-1998 (CL39)レガシー TWPシールドバランス（150Ω） 8P8C DE-9 FC/HSSDC CX4 (SFF-8470) (IEC 61076-3-103)該当なし25 4 該当なし 4 データセンター。1000BASE -Tより古い。ほとんど使用されない
1000BASE-KX802.3ap-2007 (CL70)電流 Cuバックプレーン該当なし該当なし1 1 該当なし 4 PCB
1000BASE-SX802.3z-1998 (CL38)電流 光ファイバー770 – 860 nmST SC LC MT-RJ [ 15 ]SFPGBICダイレクトプラグOM1: 2752 1 1 建物内LANで人気
OM2: 550
OM3: 1k [ 16 ]
1000BASE-LSX独自規格（IEEE非準拠）電流 光ファイバー1310 nmLC SFPOM1: 2k [ 17 ]2 1 1 ベンダー固有; FPレーザートランスミッター
OM2: 1k [ 18 ]
OM4: 2k [ 19 ]
1000BASE-LX802.3z-1998 (CL38)電流 光ファイバー1270～1355 nmSC LC SFP GBICダイレクトプラグOM1: 5502 1 1
OM2: 550
OM3: 550
OSx: 5k
1000BASE-LX10802.3ah-2004 (CL59)電流 光ファイバー1260～1360 nmLC SFPOM1: 5502 1 1 -LXと同一ですが、出力/感度が向上しています。802.3ah以前は、一般的に単に-LXまたは-LHと呼ばれていました
OM2: 550
OM3: 550
OSx: 10k
1000BASE-BX10電流 光ファイバー送信: 1260～1360 nm受信: 1480～1500 nmOSx: 10k1 単に-BXおよびBiDiと呼ばれることが多い
1000BASE-EX独自規格（IEEE非準拠）電流 光ファイバー1310 nmSC LC SFP GBICOSx: 40k2 1 1 ベンダー固有
1000BASE-ZX / EZX独自規格（IEEE非準拠）電流 光ファイバー1550 nmSC LC SFP GBICOSx: 70k2 1 1 ベンダー固有
1000BASE-RHx802.3bv-2017 (CL115)電流 650nm光ファイバFOT （PMD/MDI）該当なしPOF：≤ 501 1 1 自動車、産業、家庭; [ 20 ] [ 21 ]ラインコード：64b65b × PAM16ラインレート：325 MBdバリアント：-RHA（50 m）、-RHB（40 m）、-RHC（15 m）。
1000BASE-PX802.3ah-2004 802.3bk-2013 (CL60)電流 光ファイバー送信：1270 nm受信：1577 nmSC SFP XFPOSx: 10k～40k1 1 1 EPON ; FTTH ;ポイントツーマルチポイントトポロジを使用します。
1000BASE-CWDM [ 22 ] [ 23 ]ITU-T G.694.2電流 光ファイバー1270～1610 nmLC SFPOSX: 40k～100k2 1 1 CWDMは2本のファイバーで複数の並列チャネルを持つことを可能にし、スペクトル帯域幅は11 nm、18の並列チャネルが可能
1000BASE-DWDM [ 24 ] [ 23 ]ITU-T G.694.1電流 光ファイバー1528～1565 nmLC SFPOSX: 40k～120k2 1 1 DWDMは、2本のファイバーで複数の並列チャネルを持つことを可能にします。スペクトル帯域幅は0.2 nmで、45～160の並列チャネルが可能です。

1000BASE-SX

1000BASE-SXは、770 ～860ナノメートルの近赤外（NIR）光波長を使用し、マルチモード光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の距離を少なくとも1kmまで延長している。[ 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、キャリア中立のインターネット交換における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

1000BASE-LSX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[ 27 ]受け入れられ ている用語です。1000BASE-SXと非常によく似ていますが、1310nm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、マルチモード光ファイバーのペアで最大2kmの長距離伝送を実現します。ベンダー間で-LX、-LX10、-SXの使用が曖昧であるため、1000BASE-SXや1000BASE-LXと混同されやすいです。この距離は、ファブリペローレーザー送信機 を使用することで実現されています

1000BASE-LX

1000BASE-LXは、IEEE 802.3 Clause 38で規定された光ファイバーギガビットイーサネット規格で、長波長レーザー（1,270～1,355 nm）を使用し、最大RMSスペクトル幅は4nmです

1000BASE-LX は、10 μm シングルモード ファイバー経由で最大 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光ファイバーにも対応しています。リンク距離が300mを超える場合は、特殊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、レーザーは光ファイバーの中心から正確なオフセットで発射され、光ファイバーコアの直径全体に拡散します。これにより、マルチモード光ファイバーにおいてレーザーが利用可能な少数のモードにのみ結合する際に発生する差動モード遅延と呼ばれる効果を軽減します。

1000BASE-LX10

1000BASE-LX10は、最初のギガビットファイバー版の6年後、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、高品質の光学系により、シングルモードファイバー1本で最大10kmの長距離伝送を実現します。標準化される以前から、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既に広く使用されていました。[ 29 ]

1000BASE-EX

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、LX10よりも高品質の光学系と1310nm波長のレーザーを使用することで、シングルモード光ファイバーのペアで最大40kmの長距離伝送を実現します。LH（Long Haul）と呼ばれることもあり、ベンダー間で-LX(10)、-LH、-EX、-ZXの使用が曖昧であるため、1000BASE-LX10や1000BASE-ZXと混同されやすいです。1000BASE -ZXは、 1550nm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伝送方式です。

1000BASE-BX10

1000BASE-BX10は、シングルモード光ファイバーの1本で最大10kmの伝送が可能で、各方向に異なる波長を使用します。光ファイバーの両端の端末は同一ではなく、下流（ネットワークの中心から外部へ）伝送する端末は1490nmの波長を使用し、上流伝送する端末は1310nm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によって実現されます

他に、一般的に「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ファイバーは、1490/1550 nm帯の波長ペアを使用し、モジュールコスト、光ファイバーのパス損失、スプライス、コネクタ、パッチパネルに応じて20、40、80 km以上の距離を伝送できます。超長距離BiDi光ファイバーでは、1510/1590 nmの波長ペアが使用される場合があります。

1000BASE-ZX

1000BASE-ZXは、1,550nmの波長を使用し、シングルモード光ファイバーで少なくとも70km（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、非標準ですが複数のベンダーで使用されている[31]用語です。一部のベンダーは、シングルモード光ファイバーで最大120km（75マイル）の距離を指定しており、1000BASE-EZXと呼ばれることもあります。80kmを超える範囲は、使用している光ファイバーのパス損失、具体的には1km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／パッチパネルおよびスプライスの数と品質に大きく依存します。[ 32 ]

1000BASE-CWDM

1000BASE-CWDMは、ギガビットイーサネット伝送を指す非標準の用語ですが、業界では[ 22 ] [ 23 ]受け入れられています。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、最大40～120kmの長距離伝送と、2本のシングルモード光ファイバーで最大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を直列に接続することも可能です。

主な用途波長: 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、光ファイバーを利用できる場合、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

1000BASE-DWDMは、ギガビットイーサネット伝送を指す非標準の用語ですが、業界では[ 24 ] [ 23 ]、ギガビットイーサネット伝送を指す用語として広く使用されています。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、最大40～120kmの長距離伝送と、シングルモード光ファイバー2本で最大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。

1000BASE-RH x

IEEE 802.3bv-2017は、赤色光（600～700 nm）を用いた-R 64b/65b大ブロック符号化を用いたステップインデックス型プラスチック光ファイバー（POF）によるギガビットイーサネットの標準化を定義しています。1000BASE-RHAは家庭用および消費者向け（裸のPOFをクランプするだけ）、1000BASE-RHBは産業用、1000BASE-RHCは車載用途を対象としています

光相互運用性

同一リンク上の各1000BASE-Xイーサネットインターフェースと光相互運用性がある場合があります。[ 35 ]また、特定の種類の光学系では、波長の不一致が生じる可能性があります。[ 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 ]

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

参照

注記

  1. ^「X」の歴史については、「Fast Ethernet § 命名法」を参照してください。
  2. ^ 1000 Mbit /sの性能を達成するには1250 Mbit/sのラインレートが必要です。
  3. ^ ISOでは、長さはあくまで参考値です。EN 50173シリーズ規格への適合性を試験する場合、長さは合否の基準にはなりません。
  4. ^一部の実装では、2ペア接続で低速ながらも機能的なリンクを実現するEthernet@Wirespeedオプションが提供されています。 [ 9 ]
  5. ^特定のタイプの光学系では、波長の不一致があっても動作できる可能性があります。 [ 38 ]

参考文献

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