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バックナンバー

■ その116「DLNAの仕組み」
[2007/03/26]
■ その115「ドメインとActive Directory」
[2007/03/19]
■ その114「ワークグループができること」
[2007/03/12]
■ その113「WPSの仕組み」
[2007/03/05]
■ その112「Gopherの生い立ちと現在」
[2007/02/26]
■ その111「Wikiの使われ方」
[2007/02/19]
■ その110「文字コードとは」
[2007/02/05]
■ その109「IISの生い立ち」
[2007/01/29]
■ その108「NASの登場と一般への普及」
[2007/01/22]
■ その107「HomePNAのいろいろ」
[2007/01/15]
■ その106「Ogg Vorbisの成り立ち」
[2006/12/25]
■ その105「MIDIの原理とSMFの構造」
[2006/12/18]
■ その104「AIFFの構造」
[2006/12/11]
■ その103「WAVの構造と現状」
[2006/12/04]
■ その102「WMAの歴史」
[2006/11/27]
■ その101「AACの特徴」
[2006/11/20]
■ その100「MP3/MPEG Audioの仕組み」
[2006/11/13]
■ その99「HSDPAの仕組み」
[2006/11/06]
■ その98「H.264・MPEG-4 AVCの特徴」
[2006/10/30]
■ その97「IEEE 802.16e（モバイルWiMAX）の特徴」
[2006/10/23]
■ その96「TIFFの特徴」
[2006/10/16]
■ その95「PNGの現状と今後」
[2006/10/02]
■ その94「GIFの構造」
[2006/09/25]
■ その93「10GBASEの種類（2）」
[2006/09/11]
■ その92「10GBASEの種類」
[2006/09/04]
■ その91「GbEのいろいろ」
[2006/08/28]
■ その90「JPEGの特徴」
[2006/08/21]
■ その89「DivXの広がり」
[2006/08/07]
■ その88「MPEGの仕組み」
[2006/07/31]
■ その87「WMVのこれまで」
[2006/07/24]
■ その86「AVIの生い立ちとそのコーデック」
[2006/07/10]
■ その85「QuickTimeの変遷」
[2006/07/03]
■ その84「Realのこれまでと今後」
[2006/06/26]
■ その83「ShareとWinny」
[2006/06/19]
■ その82「DOCSISの仕組み」
[2006/06/12]
■ その81「SQLインジェクションの流れ」
[2006/06/05]
■ その80「RSSの動作」
[2006/05/29]
■ その79「Skypeの仕組み」
[2006/05/22]
■ その78「BitTorrentの特徴と今後」
[2006/05/15]
■ その77「Winnyの仕組みと現状」
[2006/05/08]
■ その76「WinMXの特徴」
[2006/04/24]
■ その75「Gnutellaの歴史と構造」
[2006/04/17]
■ その74「Napsterの歴史」
[2006/04/10]
■ その73「P2Pのいろいろ」
[2006/04/03]
■ その72「IEEE 802.11nの動向」
[2006/03/27]
■ その71「ActiveX Scriptingの動作」
[2006/03/20]
■ その70「Ajaxの仕組み」
[2006/03/13]
■ その69「DHTMLの動作」
[2006/03/06]
■ その68「Scriptの定義」
[2006/02/27]
■ その67「JavaScriptの仕組み」
[2006/02/20]
■ その66「Javaの動作」
[2006/02/13]
■ その65「RFCのプロセス」
[2006/02/06]
■ その64「ActiveX DocumentとActiveX Controlの違いと共通点」
[2006/01/30]
■ その63「ActiveX Controlの機能」
[2006/01/23]
■ その62「ActiveXを構成するもの」
[2006/01/16]
■ その61「Cookieの仕組みと用途」
[2005/12/26]
■ その60「malwareとその分類」
[2005/12/19]
■ その59「rootkitの動作」
[2005/12/12]
■ その58「CSSの役割」
[2005/12/05]
■ その57「HTMLの変遷」
[2005/11/28]
■ その56「PONとその種類」
[2005/11/21]
■ その55「FWAの仕組み」
[2005/11/14]
■ その54「DoSとDDoS」
[2005/11/07]
■ その53「SNMPとMIBの動作」
[2005/10/03]
■ その52「Jumbo Frameとフレームサイズ」
[2005/09/12]
■ その51「WPA2の仕組み」
[2005/09/05]
■ その50「WPAとWPA-PSKの違い」
[2005/08/29]
■ その49「WPAの仕組み」
[2005/08/22]
■ その48「WebDAVの動作」
[2005/08/08]
■ その47「OFDMAの仕組みとOFDMとの違い」
[2005/08/01]
■ その46「OFDMの仕組み」
[2005/07/25]
■ その45「WiMAXの特徴」
[2005/07/11]
■ その44「Wi-Fiの役割」
[2005/07/04]
■ その43「FTPの目的と動作」
[2005/06/27]
■ その42「UPnPの動作」
[2005/06/20]
■ その41「ネットマスクの仕組み」
[2005/06/13]
■ その40「ARPの機能」
[2005/06/06]
■ その39「DNSの原理」
[2005/05/30]
■ その38「デフォルトゲートウェイの役割」
[2005/05/23]
■ その37「MACアドレスの仕組み」
[2005/05/16]
■ その36「スイッチとその進化」
[2005/05/09]
■ その35「ルータによるメリット」
[2005/04/25]
■ その34「ブリッジの原理」
[2005/04/18]
■ その33「リピータの機能」
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■ その32「IPアドレスのクラス」
[2005/04/04]
■ その31「ブロードキャスト/マルチキャスト/ユニキャスト」
[2005/03/28]
■ その30「SMTP AUTHと認証の種類」
[2005/03/14]
■ その29「Submissionポートとスパムメール対策」
[2005/03/07]
■ その28「Outbound Port25 Blockingとは」
[2005/02/28]
■ その27「PGPの仕組み」
[2005/02/21]
■ その26「PKIと認証局」
[2005/02/14]
■ その25「公開鍵暗号方式とは」
[2005/02/07]
■ その24「共通鍵暗号とは」
[2005/01/31]
■ その23「SSHの仕組みと応用」
[2005/01/24]
■ その22「SSLの役割」
[2005/01/17]
■ その21「POP3とIMAP4の違い」
[2004/12/27]
■ その20「POP3の役割と機能」
[2004/12/20]
■ その19「SMTPの機能と問題点」
[2004/12/13]
■ その18「SPIとパケットフィルタリング」
[2004/12/06]
■ その17「LANの概念とその広がり」
[2004/11/29]
■ その16「SIPの役割」
[2004/11/15]
■ その15「プロキシの利用」
[2004/11/08]
■ その14「VoIPの仕組み」
[2004/11/01]
■ その13「イーサネットとは」
[2004/10/25]
■ その12「IP/TCP/UDP/ICMPとは」
[2004/10/18]
■ その11「DHCPの役割」
[2004/10/04]
■ その10「MIMOとは」
[2004/09/27]
■ その9「DMZとその効果」
[2004/09/13]
■ その8「ファイアウォールとは」
[2004/09/06]
■ その7「NATとNAPTの違いとIPマスカレード」
[2004/08/30]
■ その6「VPNとVPNパススルーの仕組み」
[2004/08/23]
■ その5「無線LANの問題とWEP」
[2004/08/09]
■ その4「IEEE 802.11a/b/gって何を意味しているの？」
[2004/08/02]
■ その3「ダイナミックDNSって？」
[2004/07/26]
■ その2「グローバルIPアドレスとプライベートIPアドレス」
[2004/07/12]
■ その1「PPPoEって何だろう？」
[2004/07/05]

その91「GbEのいろいろ」


■ GbEって何？

　「GbE（Giga bit Ethernet）」は名前の通り、1,000Mbps（＝1Gbps）で転送できるイーサネットの規格を指します。本来の名称は1000BASE-X（Xは後述）になってますが、さすがに数字が4桁までいくと書くのが面倒だし、間違えやすいということもあるのでしょう。同様に、後継規格である「10000BASE-X（10,000Mbps=10Gbps）」のイーサネットは10GbEといった表記になっています。


■ GbEのいろいろ

　さてそのGbE、IEEEでは2種類の標準化がなされました。1つはIEEE 802.3zと呼ばれる、光ファイバ/同軸ケーブルを使ったもので、「1000BASE-SX/1000BASE-LX/1000BASE-CX」という3種類の規格が定義されました。

　またこれとは別に、IEEE 802.3abと呼ばれる標準化規格もあり、こちらではUTPケーブルを使った「1000BASE-T」が定義されています。先に1000BASE-Xと書きましたが、本来1000BASE-XはIEEE 802.3zで定義される3種類の1000BASE規格を包括した呼び方です。ただ、最近はこれに1000BASE-Tまで含んだものとして認識されることが多いようです。ちなみに当初、1000BASE-TもIEEE 802.3zで包括される予定でした。実際、IEEE 802.3zのSpecificationを見ると、第40章には1000BASE-Tの定義が入ることが予定されていました。

　IEEE 802.3zに含まれた3規格を簡単にまとめてみると表1のようになっています。1000BASE-CXは到達距離の短さからもわかるとおり、マシンルーム内やサーバーラックの間といった近距離の接続を念頭に置いた規格です。

・表1
ケーブル 波長 セグメント長
1000BASE-SX MMF(マルチモード光ファイバ) 770～860nm 短波長レーザー 220～550m
1000BASE-LX SMF(シングルモード光ファイバ)もしくはMMF 1270～1355nm 長波長レーザー 550m(MMF)/5000m(SMF)
1000BASE-CX 2芯平衡型同軸ケーブル - 25m


図1：SMFとMMF
　一方、1000BASE-SX/LXは光ファイバを使い、より長距離まで伝達できるようになっています。「SMF（Single Mode Fiber）」と「MMF（Multi Mode Fiber）」のうち（図1）、SMFはガラスを使った細い芯の中を光がまっすぐ進むようになっており、長距離を伝達させても信号が減衰しにくい反面、ファイバの材質にはガラスなど硬いものを使わざるを得ず、曲げたりすることも難しいという特徴があります。逆にMMFでは、太い芯の中を光が反射しながら伝達してゆく構造で、材質にもプラスチックが使え、曲げやすい反面、長距離だと光の減衰が大きいため到達しないという点があり、それぞれ特徴が異なっています。その結果、MMFはマシンルーム内からビル内の配線に、SMFはビル間の配線に使われることが多いようです。

　この3種類の1000BASE-Xですが、物理層の「媒体依存部（PMD）」の構造こそ違いますが、その他は共通になっています。図2はこれを簡単にまとめたものです。まず上位のMAC層から、125Mオクテット（1オクテットは8bit）の速度でデータが「PCS（Physical Coding Sublayer）」というブロックに渡されます。PCSでは「8B10B」符号という方法を使い、もともとのデータにクロック信号を埋め込みます（同じ方法がPCI Expressなどでも利用されています）。

　これによりデータ量が8分の10倍に増えたデータ（コードグループ）は、今度は「PMA（Physical Medium Attachment）」と呼ばれるブロックに渡され、ここでシリアルに変換されます。結果としてデータは1,250Mbpsの速度になり、そのまま「PMU（Physical Medium Dependent）」に渡されます。ここで、各インターフェイスの特性に合わせて電気信号や光信号に変換され、送信されるというわけです。ちなみに受信の場合は、まったく逆の動きとなります。つまり、1000BASE-Xの3種類の規格はPMUのみが違っており、他はまったく同一です。


図2：1000BASE-X

■ 1000BASE-Tの場合

図3：1000BASE-T
　では、1000BASE-Tはどうでしょうか。これを簡単にまとめたのが図3です。まず上位のMAC層から「GMII（Giga bit Medium Independent Interface）」経由でデータを受け取るところまでは1000BASE-Xと同じです。しかし、PCS層ではこの受け取ったオクテットデータにスクランブルをかけ、さらにエラービットを付加した9bitのコードに変換します。

　この際に利用されるのが「8B1Q4」と呼ばれる符号化方式です。この9bitのデータは2の9乗＝512通りの組み合わせを持つわけですが、これをPMAでは4組の5値データに変換します。4組の5値データは5の4乗＝625通りの組み合わせを持つことになり、9bitのデータを1回で転送してお釣りがくる勘定になります。

　この「5値」ということがピンとこないかもしれませんので、もう少し補足しておきます。通常、デジタル信号は図4左側のように、HighとLowの2つの状態を持ちます。このHighとLowがそれぞれ0と1に対応するので（Highが0になるか1になるかは規格によって異なります）、1つの波形で1bitのデータを示すわけです。一方、5値はというと、図4右側のように電圧レベルが5つあるわけです。つまり、4つのPMUの中は5進数で動いていると言っても良く、4対の信号線で4桁の5進数を表現する形になります。

　結果として信号の周波数そのものは125MHzのままで、1回の転送で9bitを転送でき、うち実効データが8bit分となるので、トータルとしてのデータ転送速度は1Gbpsということになります。


図4：2値の信号と5値の信号
　先に1000BASE-TはIEEE 802.3zに含まれる予定だったと書きましたが、実際当初はこれに包括する形で検討を行なっていたようです。この場合、PMAから1,250Mbpsでデータが送られてきて、これを4対の信号線で分配すると1対あたり312.5Mbpsということになります。しかし、UTPケーブルでこれだけ高速な信号を流すのは事実上困難ということで互換性維持を放棄し、信号レベルを125MHzで維持できる方法として8B1Q4と5値4組の組み合わせを採用することにしました。

　ちなみにこの方式のメリットとして、既存の100BASE-TXがやはり125MHzの信号を使っている関係で互換性を保ちやすい（つまり、10/100/1000BASE-Tの自動認識・対応を容易に行ないやすい）といったことも挙げられるでしょう。

　ただし、信号レベルの電位差が以前より減ったこともあり、ややノイズなどの影響を受けやすくなりました。そのためケーブルには10/100BASE-Tまで使われていたCAT3/4は利用できず、CAT5の場合はセグメント長がやや制限されます。CAT5e（Enhanced CAT5）と呼ばれるケーブルや、さらにその上位のCAT6などでは100mまでセグメント長を伸ばすことが可能です。


■ その後のGbE

　1000BASE-XがIEEE 802.3zとして標準化されたのは1998年、1000BASE-TがIEEE 802.3abとして標準化されたのは1999年ですが、その後の普及の度合いはご存知の通りです。すでに1000BASE-T対応製品の価格は10/100BASE-T対応製品とほとんど変わらないところにまで落ちてきています。

　その一方、いくつか新しい規格も追加されました。まず、1000BASE-LXのレーザー出力を上げて、50km程度までの距離を伝送可能（SMFを利用の前提）にした「1000BASE-LH」、さらに同じくSMFを使い、1550nmの長波長レーザーによって最大100km程度まで伝送可能とした「1000BASE-ZX」が登場しました。

　ただ、これはIEEEによって標準化されたものではなく、特定のベンダーが自社製品同士の接続に利用しているケースなので、相互接続性などは保証されていないのが実情です。もっともこのクラスとなると用途が限られる（例えばデータセンター同士の接続など）関係で、広く相互運用性が必要というレベルではないので、あまり支障は出ていないようです。

　また、UTPケーブルを使う規格として「1000BASE-TX」というものも登場しました。こちらは1000BASE-Tと互換性はなく、4対の信号線を2対ずつ、上りと下りに割り当てるという方式で、速度は1対あたり500Mbpsにスピードアップされています。ケーブルはCAT6が必須となります。この方式は1000BASE-Tよりもコストダウンが可能ということで、TIA/EIA-854として標準化こそされましたが（2001年6月）、残念ながら1000BASE-Tが大勢を占めてしまい、ほとんど利用されない規格となってしまいました。

　このほか、ちょっと変わったところでは、FTTHなどに利用される「PDS（Passive Double Star）型PON（Passive Optical Network）」の規格として「1000BASE-PX」というものも登場しています。日本ではGE-PONという名称でNTT西日本やYahoo! BB光などが採用しており、IEEE 802.3ahとして標準化も完了しています。ただ、派生形は概ねこのあたりで終わりのようで、現在は10GbEやその先に焦点が当たっています。


2006/08/28 10:57
槻ノ木 隆
　国内某メーカーのネットワーク関係「エンジニア」から「元エンジニア」に限りなく近いところに流れてきてしまった。ここ２年ほどは、企画とか教育、営業に近いことばかりやっており、まもなく肩書きは「退役エンジニア」になると思われる。（イラスト：Mikebow）
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