物理層のイーサネット

■ 10Mbpsのイーサネット。

  10Mbpsのイーサネット仕様には、
  10Base5、10Base2、10Base-Tなどがあり、
  それぞれIEEE802.3、802.3a、802.3iとして標準化されている。

  このうち今日でも広く使われている10BASE-Tは、
  伝送ケーブルとしてEIA/TIA568-Aに準拠した
  非シールドより対線(カテゴリ3以上)を用いる。

  またケーブル両端のコネクタには、
  RJ45(ISO8877)に準拠した8ピンのモジュラーコネクタを使い、
  このうち、1番と2番を送信用に、3番と6番を受信用に使う。

  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 規格名      | 10Base5       | 10Base2       | 10BaseT       |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | トポロジ    | バス型        | バス型        | スター型      |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 媒体        | 同軸ケーブル  | 同軸ケーブル  | UTPケーブル   |               |
  |             |               |               | (Cat3以上)    |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | ケーブル長  | 500m          | 185m          | 100m          |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 伝送速度    | 10Mbps        | 10Mbps        | 10Mbps        |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 接続台数    | 100台         | 30台          | 1,024台       |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+

■ ファーストイーサネット。Fast Ethernet。

  100Mbpsのイーサネット仕様には、
  100Base-TX、100Base-FXなどがある。
  いずれもIEEE802.3uとして標準化されており、
  一般にファーストイーサネットと呼ばれる。

  このうち100BASE-TXは、
  伝送ケーブルとしてEIA/TIAカテゴリ5以上を使用、
  2対4芯で実際の伝送をする。
  コネクタには10Base-Tと同様に、RJ-45を使用する。

  また、100BASE-FXは、
  伝送ケーブルとしては、
  62.5/125μmのマルチモード光ファイバケーブルを使用。
  コネクタには、STコネクタまたはSCコネクタを使用する。

  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 規格名      | 100BaseTX     | 100BaseFX     |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | トポロジ    | スター型      | ポイントツー  |               |               |
  |             |               | ポイント型    |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 媒体        | UTPケーブル   | 光ファイバ    |               |               |
  |             | (Cat5以上)    | ケーブル      |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | ケーブル長  | 100m          | 400m          |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 伝送速度    | 100Mbps       | 100Mbps       |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 接続台数    | 1,024台       | 2台           |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+

■ ギガビットイーサネット。Gigabit Ethernet。GbE。

  1Gbps(1000Mbps)のイーサネット仕様には、
  1000Base-T、1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CXなどがある。
  1000Base-TはIEEE802.3ab、その他はIEEE802.3zとして標準化されており、
  一般にギガビットイーサネットと呼ばれる。

  このうち1000BASE-Tは、
  伝送ケーブルとしてはカテゴリ5e以上のUTPを使用。
  4対8芯すべてを伝送に用いる。

  また1000Base-LX、1000Base-SXは、
  伝送ケーブルとして光ファイバを用いる。

  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 規格名      | 1000BASE-T    | 1000BASE-LX   | 1000BASE-SX   | 1000BASE-CX   | 
  |             |               |               |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | 媒体        | UTPケーブル   | SMF/MMF       | MMF           | シールド付き  |
  |             | (Cat5e〜)     | 1300nm        | 850nm         | 平衡型        |
  |             | 4対使用       |               |               | ケーブル      |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  | ケーブル長  | 100m          | 3〜10km       | 260m          |	              |	
  |             |               |               |               |               |
  |             |               |               |               |               |
  +-------------+---------------+---------------+---------------+---------------+

■ 仕様のまとめ。

  代表的な仕様だけを表にまとめておく。
  
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3i  | 10Base-T。                                                  |
  |              | UTPを伝送媒体とする10Mbpsイーサネット。                     |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3u  | 100Base-TX/FX。                                             |
  |              | UTP/光ファイバを伝送媒体とする100Mbpsイーサネット。         |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3ab | 1000Base-TX。                                               |
  |              | UTPを伝送媒体とする1Gbpsイーサネット。                      |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3z  | 1000BASE-SX/LX/CX。                                         |
  |              | 光ファイバを伝送媒体とする1Gbpsイーサネット。               |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3ae | 10GbE。10 Gigabit Ethernet。                                |
  |              | イーサネットをWANのバックボーン回線として使うための仕様。   |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3af | PoE。Power over Ethernet。                                  |
  |              | 1本のUTPケーブルでデータ通信と電源供給の両方を実現するもの。|
  +--------------+-------------------------------------------------------------+
  | IEEE 802.3ah | EFM。Ethernet in the First Mile。                           |
  |              | イーサネットをWANのアクセス回線として使うための仕様。       |
  +--------------+-------------------------------------------------------------+

■ STPとUTP。

  LANに使用するツイストペアケーブルの仕様は、
  TIA/EIA（アメリカ電気通信工業会/アメリカ電子工業会）という組織によって、
  TIA/EIA-568A規格で定められている。

  まずツイストペアケーブルは、
  ケーブルを保護するシールドの有無により分類される。
  STPとUTPの2種類がある。

  (1) STP。Shielded Twisted-Pair。

    STPは、シールドと呼ばれる網のような銅線でケーブルを保護しており、
    外部からの電気的影響を抑えることができるようになっている。
    UTPと比較してケーブルが太く、硬くなるので敷設の自由度は低くなる。
  
    UTPはシールドで保護されていないので、
    電気的影響は比較的受けやすくなっている。
    またUTPはSTPに比べ、ケーブルが細く曲げやすいため敷設が簡単である。

  (2) UTP。Unshielded Twisted-Pair。

    シールドなしツイストペアケーブル。
    絶縁体で被覆した銅線を2本1組で撚り合わせ、
    4組を束ねて外皮で被ったケーブル。
    ただし、導体によるシールドは施されていない。

    同軸タイプの接続と異なり、接続間の間隔は任意である。
    データレートに応じて、カテゴリ1,2,3,4,5の5種類が使われる。

    LANケーブルのコネクタには、RJ-45を使用する。
    ちなみに、電話線のコネクタは、RJ-11である。

■ カテゴリ。

  イーサネットに使用するUTPケーブルは、
  電気的な特性によってクラス分けされている。
  分類された各クラスのことをカテゴリという。
  この中でも、カテゴリ3、カテゴリ5、カテゴリ5eが重要。

  (1) カテゴリ3。Cat3。 

    10Base-Tなどのアプリケーションに使用するケーブル。
    最大周波数は16MHzまで。実効周波数は、10MHz。

  (2) カテゴリ5。Cat5。 

    100Base-TXなどのアプリケーションに使用するケーブル。
    最大周波数は100MHzまで。実効周波数は、31.25MHz。

  (3) カテゴリ5e。Cat5e。 

    1000BASE-Tで使用するケーブル。
    最大周波数は100MHz。実効周波数は、62.5MHz。
    カテゴリ5よりもノイズに強い。

  +-----+-----------------------+------------+
  | Cat | 用途                  | 伝送速度   |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 1   | 音声通信              | 1Mbps      |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 2   | 4Mbpsトークンリング   | 4Mbps      |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 3   | 10Base-T              | 10Mbps     |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 4   | 16Mbpsトークンリング  | 16Mbps     |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 5   | 10Base-T/100Base-TX   | 100Mbps    |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 5e  | 1000Base-T            | 1000Mbps   |
  +-----+-----------------------+------------+
  | 6   |                       |            |
  +-----+-----------------------+------------+

  ※ カテゴリ6。Cat6。 

    今のところ、最も高品質なUTPケーブル。
    最大周波数は250MHzまで。

    カテゴリ6では、ケーブルの電気特性を上げるために、
    ケーブル内部に十字型の支持材を通して4対の信号線を分離するとともに、
    信号線相互の位置関係を一定に保っている。
    こうすると、電気信号を通したときの干渉を一定にすることができる。

    そのためカテゴリ6ケーブルは、
    従来のカテゴリ5eケーブルよりも、硬くて曲げにくくなった。

  参考URL
  http://www.itmedia.co.jp/dict/References/utpcategory.html

■ ストレートとクロス。

  イーサネットに使用するUTPケーブルは、
  結線の方法によっても分類される。2種類の結線方法があり、
  それぞれストレートケーブル、クロスケーブルという。
  用途が異なるので注意する。

  (1) ストレートケーブル

    異なる種類の機器(PCとハブ等)を接続する場合は、
    ストレートケーブルが用いられる。

    

  (2) クロスケーブル。

    同じ種類の機器(ハブとハブ等)を接続する場合は、
    クロスケーブルが用いられる。

    

  ※ ストレートとクロスの使い分け。

    同じグループ内はクロス。異なるグループ間はストレート。

    

■ 符号化方式。

  イーサネットでは、
  ケーブル両端の電圧を変化させることにより、
  0か1のデジタル信号を相手方に伝えることができる。
  どのように電圧を変化させるか？

  (1) 10BASE-Tの場合。

    マンチェスタ符号化を用いる。
    元のビットが1なら01、0なら10に置き換えた上で、
    1を(+)の電圧、0を(-)の電圧に置き換える。
    こうすると直流成分が減り、信号の減衰を抑えられる。

  (2) 100BASE-TXの場合。

    4B/5BとMLT-3を用いる。
    4ビットの単位情報を5ビットに置換えてから、
    3値の電気信号に載せていくが、
    ビットが0なら電圧を変えず、1なら順に上下させる。
    こうすると電圧変化が滑らかになり、実効周波数が抑えられる。

  (3) 1000BASE-Tの場合。

    8B1Q4と4D-PAM5を使う。
    8ビットの情報に誤り訂正ビットを加えて9ビットとし、
    4対のケーブル上の5値の電気信号に載せる。
    1つの電気信号(625通り)で9ビットの情報を送ることができる。

[ つづきはこちら ]

2004/03/02 pm