10ギガビット・イーサネット

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10ギガビット・イーサネットのインタフェースを持つルータ

10ギガビット・イーサネット (10 gigabit Ethernet、10GE、10GbE、10 GigE) はコンピュータネットワーク を構築する通信規格の1つ。イーサネットの中でLAN、WAN、MANに比較的用いられるプロトコルの1つである。

概要[編集]

10ギガビット・イーサネットはLocal Area Network(LAN)で主流となったイーサネット技術を継承しつつギガビット・イーサネットの10倍の速度を提供する技術。2002年6月にIEEE802.3aeで標準化が完了した。イーサネットで初めてWide Area Network(WAN)での利用を前提とした技術も含まれる[1]。ファイバーチャネル・オーバー・イーサネット(FCoE)は当技術の利用を前提としており[2]、LANに留まらずストレージエリアネットワークのような高速・高信頼性なネットワークの基礎としても期待される。

規格にはIEEE 802.3-2005がある。ここでは光ファイバーとInfiniBandのような銅線の2種類がある。IEEE 802.3anはツイストペアケーブルを使った規格である。転送速度が非常に高くツイストペアでは必要な周波数特性が確保できないと考えられていたため、まずは光ファイバーによる実装が普及した。ツイストペアケーブルの規格は更新され続けている[3]。通信は既にギガビット・イーサネットで普及している全二重を使い、半二重、リピーター機構、そしてそれに伴うCSMA/CDをサポートしない（データの送信が終了する前に衝突を検出できないため）。物理層の規格は複数ある。

10GbE環境にしたとしても、必ずしも1GbEの10倍の速度が得られるわけではない。低速なHDDの場合、実測2倍程度の速度しか出せないため、高速モデルのHDDを採用する必要がある。そもそも、HDDでは10GbEの速度を活かしきることができないため、予算が許すのであれば高速なSSDを使用し、可能であればSSD複数でのRAIDを利用するなど高速化を図る必要がある。

規格の分類[編集]

大分類

  • 10GBASE-W
WANを考慮しSONET/SDHとの接続が容易となるようにした規格 (9.95Gbps)
  • 10GBASE-R
LAN/MAN用規格 (10.3Gbps)
  • 10GBASE-X
低速伝送を多重化した規格

伝送距離による分類

  • 10GBASE-T
詳細は「#10GBASE-T」を参照
カテゴリーにより最大値は37m～100m
  • 10GBASE-S
300m以下
  • 10GBASE-L
10km以下
  • 10GBASE-E
40km以下


上記を組み合わせて10GBASE-LRのように呼ぶ。以下のような規格がある

  • 10GBASE-SR
マルチモード光ケーブル 300m IEEE 802.3aeとして標準化。
  • 10GBASE-LR
シングルモード光ケーブル 10km IEEE 802.3aeとして標準化。
  • 10GBASE-LRM
マルチモード光ケーブル 220m シングルモード光ケーブル 300m(波長は 1310nm)
  • 10GBASE-ER
シングルモード光ケーブル 40km
  • 10GBASE-ZR
シングルモード光ケーブル 80km [4]
  • 10GBASE-LX4
シングルモード光ケーブル 10km (3.125Gbps×4)
  • 10GBASE-LX4
マルチモード光ケーブル 300m (3.125Gbps×4)
  • 10GBASE-CX4
同軸ケーブル (stub) IEEE 802.3akとして標準化。
  • より対線 (ツイストペアケーブル)
IEEE 802.3anとして2006年6月に標準化。

その他

  • WAN PHY
64B/66BエンコードされたイーサネットフレームをSONET/SDHのフレームへと変換する機能を持つPHYの事。WAN PHYをもつ10GbE機器であっても、実際にSONET/SDHと接続するには10GBASE-Wポートを持ったSONET/SDH用の光クロスコネクト装置等に収容する必要がある。
  • LAN PHY
イーサネットフレームに64B/66Bエンコードのみを行い信号を送り出すPHY。

銅ケーブル[編集]

10GBASE-Tインタフェースを持つスイッチ

10GBASE-T[編集]

IEEE 802.3an-2006で定められたアンシールデッド(UTP)またはシールデッド(STP)のツイストペアケーブルにより最大100mを10ギガビットで接続する[5]。オートネゴシエーションがサポートされることで、10GBASE-Tと1000BASE-Tのスムーズな移行が可能となる。2008年より半導体が出荷されており[6][7][8][9]、これらを用いたスイッチングハブ、レイヤ3スイッチ、サーバ向けネットワークカード(NIC)も出荷されている[10]。利点のひとつは1000BASE-Tと兼用可能なRJ-45のツイストペアケーブルで接続可能な事である。光ファイバのようなXENPAK、XFP、SFP+など光トランシーバが必要無く比較的安価に導入が可能となる。

ケーブル[編集]

左からF/UTP、U/FTP、F/FTPの順にノイズに強くなる。白い部分がシールドである。

シールドされてないツイストペアケーブル(UTP)とシールドされたツイストペアケーブル(STP)がある。STPでもシールド方式により下表の分類がある。STPは正しくアースを接続しないと静電気などにより逆にノイズ発生源となる。将来の10Gイーサネットに備えてケーブルだけをカテゴリ7にして、シールドに配慮していないカテゴリ5や6時代のネットワーク機器を接続すると、十分な性能が発揮できないことも考えられる。ケーブルを撚ることでノイズの侵入を最小限にしているが、ケーブル両端のコネクタ接続部は撚りが解かれてしまう。ある日本のケーブル・メーカー[誰?]によるとカテゴリ5の当該長さは12mm、カテゴリ7では3mmまで短くしているという[11]。

TIA/EIA TSB-155ではカテゴリ6・UTPケーブル (周波数特性:250MHz) で最大37mまでの接続が可能とされている。37～55mではエイリアンクロストークの状況により条件付きで利用可能[12]、55～100mはAnnex.Cの条件を満たす限り利用可能としている[3]。JEITAやBICSIによると、カテゴリ6・UTPケーブルはエイリアンクロストークやノイズに対する耐性が不十分で性能が発揮できない可能性があった[3][13]。TIA/EIA－568-B.2 Addendum 10で新しいカテゴリ6A・UTPケーブル (周波数特性:500MHz) が定義された。これは100mの接続を可能とするものである。ケーブル同士をボンディングした際に生じるエイリアンクロストークを減少させるように設計されており外周がやや太めになっている[3]。カテゴリ6A・UTPはISO/IEC 25N1173で更新された。それでもなおカテゴリ6A・UTPケーブルとアンシールデッドの8P8C (通称RJ45) コネクタには以下の問題が指摘されている。

  • ケーブルがノイズに弱く必要な周波数マージンが不足する場合がある[3]。
  • 異種メーカー品もしくは複数カテゴリのケーブルを混在させた場合、ケーブル間のエイリアンクロストークが無視できず規格を満たさない可能性がある[3][13]。
  • コネクタ(パッチパネル) 間のエイリアンクロストークにより、コネクタ間隔をある程度広くしなければならない可能性がある[3]。

これらに対してTIAはTSB-190によるガイダンスで上記は運用上問題ないとする見解を出している[13]。ISO/IEC 25N1173ではカテゴリ6A/7A STPケーブルが策定されており、これらは上記問題を解決すると指摘している[3]。

シールド方式の比較
業界用語 ISO/IEC 11801 ケーブルシールド ペア線シールド
UTP U/UTP なし なし
FTP, STP, ScTP F/UTP 箔 なし
STP, ScTP S/UTP 編組 なし
S-FTP, SFTP, STP SF/UTP 編組, 箔 なし
STP, ScTP, PiMF U/FTP なし 箔
FFTP F/FTP 箔 箔
SSTP, SFTP, STP PiMF S/FTP 編組 箔
  • ケーブルシールド (ケーブル全体を覆う)
    U： 非シールド
    F： ホイル・シールド
    S： 網組シールド
  • ペア線シールド (内部の対ごと覆う)
    UTP： 非シールデッド・ツイスト･ペア
    FTP： ホイル・シールデッド・ツイスト･ペア

主にワイヤ径の違いで周波数特性が決まる。次のようにカテゴリ7 (周波数特性:600MHz) 以上の1,200MHzのケーブルも販売されている。

  • 0.55mm : 650MHz
  • 0.58mm : 900MHz
  • 0.64mm : 1,200MHz

コネクタ[編集]

UTPでは従来規格のイーサネットで広く普及した650MHz対応のIEC 60603-7コネクタ 8P8C (通称RJ45) を使用する。STPではTERA、GG45、ARJ45も規程されている[3]。

変調技術[編集]

IEEE 802.3anでは、ツイストペアケーブル1組あたり2.5Gbpsの伝送速度を実現するため、情報の符号化にDSQ128と16値PAM (pulse-amplitude modulation、PAM)を、誤り訂正符号に(DSQ128の枠組みの中で)低密度パリティ検査符号(LDPC)を、電力均一化にトムリンソン-原島プリコーディング(Tomlinson-Harashima Precoding、THP)を利用している。800メガシンボル/秒で3.125情報ビットの伝送すると最もSNRがよくなることがわかっていたため、PAM16とPAM12が検討されたが、最終的にDSQ128を併用したPAM16が採用された[14]。

DSQ128[編集]

DSQ128はIEEE 802.3an作業部会でブロードコム(当時)が提案(開発)した符号化方式。Double SQuareの略とされている。7ビットを3ビットと4ビットに分割し、いずれもPAM16で符号化して連続して送出する方式で、256状態→128状態とすることで符号間の距離を倍にしSNRを3dBを稼げる。この符号間距離を説明するために、市松模様(checkerboard pattern)がよく使われるが、これがDouble SQuare(2つの正方形)の由来でもある[15]。

符号化手順[編集]

全体としては以下の流れでデータを送出する[16]。

  • 1. 64ビットごとにData ビットを付加し、65ビットのブロックとする(64B/65B)
  • 2. 50ブロックをまとめて、3250ビットのフレームとする(3200情報ビット)。
  • 3. さらにCRC8とAuxiliary channel ビットを付与し3259ビットのフレームとする。
  • 4. 3259ビットを1536ビットと1723ビットのブロックに分割する。
  • 5. 1723ビットのブロックにLDPC(2048, 1723)を適用し、エラー訂正符号325ビットを付与する。
  • 6. 1536ビットのブロックから3ビット、2048ビットのブロックから4ビット取り出しDSQ128を適用する(合計3584ビット)。
  • 7. DSQ128の2つのPAM16を送出する。
  • (8. THPで電力均一化する。)

転送能力[編集]

4対のツイストペアケーブルで10Gbpsを伝送可能である。符号化効率は約89.3%(3200/3584)で、3.5ビット/シンボルに対し3.125情報ビット/シンボルを達成していることから、伝送線路1本あたり、800メガシンボル/秒 * 3.125ビット/シンボル = 2.5Gbpsを達成できており4対で10Gbpsの転送能力がある。

レイテンシ[編集]

3200情報ビットをまとめて符号化する必要があることから、レイテンシ(ラウンドトリップタイム)は最大で2.5マイクロ秒程度となることが示されている[17]。これは音声、高可用性クラスタの相互接続等で問題になることがあるが、1000BASE-Tを引き続き用いることで回避している。広い帯域を期待するSANは、これがボトルネックとなることがあり、光ファイバやFibre Channelを採用することがある。

消費電力[編集]

消費電力も問題となっている。登場当時は1ポート当たり20W前後が示唆されており実用レベルではなかった。半導体プロセスの進化による消費電力が低下した現在でも3.5～5W程度が必要である。これはSFP+が期待する1W程度に比べはるかに大きく相応の電力供給能力と放熱能力が要求されることを意味する。

10GBASE-CX4[編集]

比較的短距離向けの規格である。IEEE 802.3akで規格が定められInfinibandによく似た技術を使用している。片方向で4本、両方向で8本の伝送路を持ちそれぞれ2本の銅ケーブルを使用するため、計16本の銅ケーブルとなる。最長15m (49フィート) しか伸ばせないが、10Gビット・イーサネットとしては最もポート単価が安い。通信半導体デバイスはマルチソースアグリーメント (MSA) に従いデバイスから外部コネクタまで接続する。XENPAK、X2、XPAKのコネクタは標準のMSAピン配列である。CX4モジュールは少なくともXENPAKとX2には揃えられてありXPAKにも恐らくある。各伝送路は3.125ギガボー (Gbaud) の通信容量を持つ。 802.3ae 48節のプロトコルが4本のデータ転送を管理し同期をとる。これはPCS (Physical Coding Sublayer) で処理される。

SFP+ Direct Attach[編集]

10GBASE-CX4をSFP+サイズに縮小するためにSFP+ Direct Attachケーブルが販売されている。SFP+のインターフェイスを銅線(通常は同軸ケーブル)でクロス直結したものである。必要であれば変調もする。スイッチメーカー独自規格となり相互接続性は保証されずケーブル長も最大5m程度であるが、10Gbase-Tよりもポート単価、消費電力、敷設に優れ、光ケーブルと同等の低レイテンシを実現できる。近距離接続の代替やスイッチのスタックに普及している。

光ファイバー・ケーブル[編集]

信号に光を使うだけで伝送するMACフレームは銅ケーブルのイーサネットと変わらない[18]。光ファイバーには以下の2種類ある。主に距離や速度で使い分けられている。光トランシーバーはホスト同士を4チャンネル・パラレライズド・ブリッジ(IEEE 802.3規格の48節)、又は49節のブリッジで結ぶ。XENPAK、X2、XPAKは48節改を、XFPは48節そのものを使う。光ファイバーの種類はレイヤー1の物理層で規定されている。回線速度は10.3125Gbit/sで符号化方式は64B/66Bが使われる。ただし10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EWはSDH/SONETの符号化方式を使う[18]。

SMF (シングル・モード・ファイバー) 
伝送距離が長いが高価である。
MMF (マルチ・モード・ファイバー) 
伝送距離が短いが安価である。

規格[編集]

10GBASE-SR (Short Reach)
マルチモード光ファイバーを使って短距離をサポートする。最大伝送距離はケーブルにより66mから82mである。300mが可能な新しい50μm 2,000MHz·km、850nmのマルチモード光ファイバーがある。
10GBASE-LRM
2006年に承認された802.3aqで標準化された[19]。これはFDDIと100BASE-FXネットワーク用に1990年代初頭にインストールされた62.5µm マルチモード光ファイバーであり最長220mをサポートする。
10GBASE-LR (Long Reach)
波長1,310nmの光源で最大10kmのシングルモード光ファイバーをサポートする。IEEE 802.3 49節の64B-66B フィジカル・コーディング・サブレイヤー (Physical Coding Sublayer、PCS) を使用しシリアル伝送を行う。
10GBASE-ER (Extended Reach)
波長1,550nmを使ったシングルモード光ファイバーで最大40kmまでサポートする。
10GBASE-ZR
波長1,550nmを使ったシングルモード光ファイバーで最大80kmまでサポートする[20]。
10Gビット・イーサネットの主要な規格 (光ファイバー)[18]
規格 10GBASE-SR 10GBASE-LR 10GBASE-ER
光ファイバ MMF
コア径
62.5μm		 MMF
コア径
50μm		 新型MMF
コア径
50μm		 SMF SMF
最大伝送距離 26m/33m 66m/82m 300m 10km 30km/40km
波長 840 - 860nm 840 - 860nm 840 - 860nm 1,260 - 1,355nm　 1,530 - 1,565nm
符号化方式 64B/66B 64B/66B 64B/66B 64B/66B 64B/66B

その他[編集]

日本での使用例[編集]

2010年代半ばでもギガビット・イーサネットより価格が極めて高い、放熱ファンの騒音が大きい等の理由から主に業務用として普及している。

日本インターネットエクスチェンジの例
都内5か所の拠点間が40km以内であるため、それぞれのスイッチ間を10GBASE-ERで直接繋いでいる。10km以内のところは10GBASE-LRで繋いでいる。最大4リンクのリンク・アグリゲーションも使っている。
BIGLOBEの例
東京近郊のデータセンター間で利用している。40km以上になる区間には光信号を中継延長する光伝送装置を置いている[18]。
映像制作会社の例
2007年初頭、都内の映像(コンピュータグラフィックス等の)制作会社で社内LANでの採用が始まった。コンポジット作業PCなど高速ディスクアクセス要求が高い場面があった。10GBASE-CX4のネットワークカードをWindows XPに装着し、10ギガビット対応のNAS等と10GBASE-CX4対応の安価なスイッチで運用されている。従来はファイバーチャネル接続のストレージエリアネットワークの守備範囲であったが、安価な点が魅力となっている。ファイバーチャネルに劣る部分もあるものの、共同作業者間でTB単位の大容量データの共有、集約、保護が簡単に行え、業務効率化を安価に実現できる等広まりつつある。そうして制作された映画第一号に「よなよなペンギン」がある。
NURO 光 10G
2015年6月1日よりSo-netから個人宅向け下り10GbpsのFTTHサービス:NURO 光 10Gが提供されている[21]。光回線終端装置から10GBASE-TでPCへ接続する。

次期規格[編集]

「40ギガビット・イーサネット」「100ギガビット・イーサネット」がIEEE内のHigh Speed Study Groupで規格が策定され、2010年6月に正式承認された。規格名は「IEEE 802.3ba」。2011年6月には世界初の実証実験が行われた[22]。

関連項目[編集]

出典と注記[編集]

  1. ^ WANのサポート
  2. ^ FCoE
  3. ^ a b c d e f g h i http://www.bicsi-japan.org/event/2008/pdf/kaneda.pdf
  4. ^ Optcore 10GBASE-ZR SFP+.
  5. ^ サイトにより「正確には9.42Gbps」と記しているところもあるが、10GBASE-Tは正確に10Gbpsであり、9.42Gbpsという記載は誤り。
  6. ^ Broadcom 10GBASE-T PHY
  7. ^ Teranetics 10GBASE-T PHY
  8. ^ Solar Flare 10GBASE-T PHY
  9. ^ Aquantia 10GBASE-T PHY
  10. ^ Intel 10Gigabit AT2 Server Adapter
  11. ^ 日経NETWORK 2007年4月号 「10ギガイーサLANケーブル」 p84
  12. ^ ANEXTの実測が必要と言う事である
  13. ^ a b c http://home.jeita.or.jp/is/seminar/110210_igcs/pdf/4.pdf
  14. ^ ethernet alliance10GBASE-T: 10 Gigabit Ethernet over Twisted-pair Copper Version 1.0 August 2007 p15
  15. ^ ethernet alliance10GBASE-T: 10 Gigabit Ethernet over Twisted-pair Copper Version 1.0 August 2007 p16
  16. ^ IEEE 802.3 Clause 55.3.2
  17. ^ ethernet alliance10GBASE-T: 10 Gigaビット Ethernet over Twisted-pair Copper Version 1.0 August 2007 p12
  18. ^ a b c d 日経NETWORK 2007年10月号 「"今どき"のイーサネット プロバイダとIX」 p34-p35
  19. ^ IEEE Standards Status Report for 802.3aq
  20. ^ Optcore 10GBASE-ZR SFP+
  21. ^ 世界最速光回線インターネット接続サービスNURO 光 10G
  22. ^ 100GbEのIX実証実験に世界で初めて成功、インターネットマルチフィードなど、Internet Watch、2011年6月1日付

外部リンク[編集]

イーサネットとLANの技術
速度
全般
  • 物理層（英語版）
  • オートネゴシエーション
  • EtherType
  • フロー制御（英語版）
  • フレーム
  • ジャンボフレーム（英語版）
    • 組織
  • IEEE 802.3
  • イーサネットアライアンス（英語版）
    • 媒体
    歴史的な規格
  • CSMA/CD
  • StarLAN（英語版）
  • 10BROAD36（英語版）
  • 10BASE-F
  • 10BASE5（英語版）
  • 10BASE2（英語版）
  • FOIRL（英語版）
  • 100BaseVG
  • LattisNet（英語版）
  • Long Reach Ethernet（英語版）
    • 応用
    トランシーバ
  • MAU（英語版）
  • GBIC（英語版）
  • SFP
  • XENPAK（英語版）
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