10ギガビット・イーサネット 10ギガビット・イーサネットの概要

概要

10GbEは1GbEに続く通信速度を持つプロトコルとして開発され、最初の規格は2002年 6月にIEEE 802.3aeとして標準化された。LANの主流であるイーサネットで初めてWANでの利用を前提とした技術を含む^[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運用されている。通信には既にギガビット・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はサポートしない（これはデータの送信が終了する前に衝突を検出できないためである）。MACにおけるイーサネットフレーム処理は従来規格と共通している^[3]。

物理層の規格には複数ある。ネットワーク機器のポートは、異なる物理層規格をサポートするSFP+などのモジュールによって実装されることが多い。媒体には、光ファイバー、同軸ケーブル、ツイストペアケーブル、基板上配線の4種類がある。初期にはツイストペアでは必要な周波数特性を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7種の方式が規定された。2004年〜2007年にかけて同軸ケーブル・ツイストペアケーブルなど銅線媒体による規格が後発している。

規格の分類

符号化の方式により、大きく以下の4つに分類される。

10GBASE-R: LAN/MAN用途の規格。64b/66b符号化。回線速度は 10.3125 GBaud (ギガボー)。
10GBASE-W: WAN接続用途の規格。64b/66bに加え、SONET/SDHの形式に信号変換するもの。回線速度は 9.95328 GBaud。
10GBASE-X: 低速伝送を多重化した規格。8b/10b符号化。回線速度は 3.125 GBaud。
10GBASE-T: ツイストペアケーブル規格。固有の符号化。回線速度は 0.8 GBaud (=400 MHz)。

名称		規格	ケーブル	距離長	用途
10GBASE-R	10GBASE-SR	802.3ae-2002	MMF	300m	光ファイバ短距離
	10GBASE-LR	802.3ae-2002	SMF	10km	光ファイバ中距離
	10GBASE-ER	802.3ae-2002	SMF	40km	光ファイバ長距離
	10GBASE-LRM	802.3aq-2006	MMF	220m	古い光ファイバ
	10GBASE-KR	802.3ap-2007	基板上配線	1m	高周波回路・省配線
	10GBASE-PR	802.3av-2009	SMF (PON)	20km	10G-EPON
	10GPASS-XR	802.3bn-2016	同軸 (PON)	-	10G-EPON延伸HFC
10GBASE-W	10GBASE-SW	802.3ae-2002	MMF	300m	光ファイバWAN短距離
	10GBASE-LW	802.3ae-2002	SMF	10km	光ファイバWAN中距離
	10GBASE-EW	802.3ae-2002	SMF	40km	光ファイバWAN長距離
10GBASE-X	10GBASE-LX4	802.3ae-2002	SMF	10km	光ファイバ中距離(低周波)
	10GBASE-CX4	802.3ak-2004	4対2芯同軸	15m	データセンター内LAN短距離
	10GBASE-KX4	802.3ap-2007	基板上配線	1m	低周波回路・多配線
10GBASE-T	10GBASE-T	802.3an-2006	Cat.6A	100m	ツイストペア
10GBASE-T	10GBASE-T1	802.3ch-2020	撚対線1対	15m	車載用ツイストペア

ツイストペアケーブル

10GBASE-T

2006年に802.3anで標準化。ツイストペアケーブルにより最大100mの10Gbps接続をサポートする^[a]^[4]。1000BASE-Tと兼用可能なRJ-45のケーブルで接続可能であり、オートネゴシエーションがサポートされることで10GBASE-Tへのスムーズな移行が可能となっているが、ケーブル・コネクタ性能を改善したものに置き換える必要がある。より安価な選択肢として、従来性能のものが使えるように通信速度を落とした2.5GBASE-T・5GBASE-Tも策定されている。

2007年より半導体が出荷されており^[5]^[6]^[7]^[8]、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^[9]。SFP+として着脱可能なモジュール製品も登場している^[10]。

ケーブル

ツイストペアケーブルは主に以下のものが規定され^[11]、1000BASE-Tよりもノイズ耐性や周波数特性の高いケーブルが要求される。多くはカテゴリー6AのUTPケーブルが用いられる^[12]。

ケーブル種類	周波数特性	距離長	備考
Cat.6 UTP	250MHz	55m	TIA/EIA TSB-155-A (2007年) で定義され、TIA/EIA-568-C.2-2009 に盛り込まれた。37mまで接続可能、37～55mの範囲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^[b]、55～100mはAnnex.Cの条件を満たす限り利用可能としている。JEITAやBICSIによると、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^[13]。
Cat.6A UTP	500MHz	100m	TIA/EIA-568-B.2 Addendum 10 (2008年)で定義され、ISO/IEC 11801:2002 修正1・2 (2008年・2010年)、ANSI/TIA-568.2-D (2018年)で更新されている。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ため外周がやや太い^[13]。2008年時点ではノイズ耐性にいくつかの疑義^[c]がありSTPが推奨された^[13]が、2011年にTIAはTSB-190によるガイダンスにおいて運用上問題ないとする見解を出している。
Cat.6A STP	600MHz	100m	カテゴリー7が ISO/IEC TR 24750:2007 でクラスFとして、カテゴリー6A・7Aが ISO/IEC 11801:2002 修正1・2 (2008年・2010年) でクラスE_A・F_Aとしてそれぞれ定義されている。従来のRJ-45に代わりGG45やTERAコネクタなどが採用された。
Cat.7 STP	600MHz	100m
Cat.7A STP	1000MHz	100m

10GBASE-Tで用いるシールド付きケーブル。白い部分がシールド。シールド方式として、外装のみ、内装(ツイストペア)のみ、内外両方の3種が提案され、この順でノイズ耐性が向上する。これらはISO/IEC 11801により名称がそれぞれ与えられている。外装シールドのみの場合はRJ-45コネクタ、内装シールドを用いる場合はTERAやGG45コネクタで接続する。

10GBASE-Tで用いるツイストペアケーブルでは、いくつかの電気的特性が重視される。

ノイズシールド

ノイズシールドの有無でUTP・STPの2種のツイストペアケーブルがある。ノイズ耐性の高いSTPでは、機器側コネクタも異なる形状となり、機器のアース接続も必要となる。特にカテゴリー7ケーブルにはSTPしかないため、これをカテゴリ5や6対応の既存機器に接続するとノイズ源となりえる。STPのシールドには、ケーブル全体を覆うものとツイストペア線を覆うものがあり、方式によってノイズ耐性や接続コネクタが異なる。

ケーブル端のノイズ軽減

ケーブル両端のコネクタ接続部は配線が撚られていない範囲がありノイズ源となりえる。ある日本のケーブル・メーカー^[誰?]では、カテゴリ5で12mm、カテゴリ7で3mmまでこの範囲を短くしてノイズ源を防いでいる^[14]。

周波数特性

主にワイヤ径の違いで決まる。次のようにカテゴリ7以上の特性を持つケーブルも販売^[誰?]されている。

0.55mm: 650 MHz
0.58mm: 900 MHz
0.64mm: 1200 MHz

ACR (Attenuation to Crosstalk Radio, 減衰対クロストーク比): ケーブルのエイリアンクロストーク耐性を示すSN比。NEXT (Near-End Crosstalk, 近端漏話)およびFEXT (Far-End Crosstalk, 遠端漏話)と伝送損失との割合をdB単位で表す。ISO/IEC 11801で規定され、10GBASE-Tではこれを参照して伝送路の要求性能を定義している^[15]。

コネクタ

シールド方式によって接続されるコネクタが異なっている。多くはRJ-45が使用される^[12]。

コネクタ	ケーブル	周波数特性	概要
RJ-45 (8P8C)	Cat.6, 6A(UTP), 8.1	250 MHz	8ピンコネクタ。従来イーサネットのツイストペアケーブル規格で広く普及しているもの。IEC 60603-7で規定され、10GBASE-TではコネクタシールドのないPart 7-4、コネクタシールドのあるPart 7-5の2種が規定されている^[16]。
GG45	Cat.6A(STP), 7, 7A, 8.2	600 MHz	12ピンコネクタ。ツイストペアが隣接するように対面外側に重複の3〜6ピンを追加したもの。RJ-45と互換性がありUTP接続可能。IEC 60603-7-7で規定。
ARJ45	Cat.6A(STP), 7, 7A, 8.2	3 GHz	GG45から従来の3〜6ピンを取り除いたもの。RJ-45と互換性がなくUTP接続不可。IEC 61076-3-110で規定。
TERA	Cat.6A(STP), 7, 7A, 8.2	2 GHz	新しい形状を採用したもの。RJ-45と互換性がない。IEC 61076-3-104で規定。

変調技術

10GBASE-T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、以下の技術を利用している。

データ符号化: DSQ128による16値パルス振幅変調(PAM16)
誤り訂正: 低密度パリティ検査符号(LDPC)
電力均一化: トムリンソン-原島プリコーディング(Tomlinson-Harashima Precoding, THP)

全体として、以下の符号化手順でデータを送出する^[17]。

64ビットごとに1ビットのdata/ctrlヘッダを付加し、65ビットのブロックとする(64B/65B)。
50ブロックをまとめて、3250ビットのフレームとする。
スクランブル処理し、さらにCRC8と補助ビット(Auxiliary bit)を付与し3259ビットのフレームとする。
3259ビットを1536ビットと1723ビットのブロックに分割する。
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ビットを付与して2048ビットのブロックとする。
1536ビット(=512×3)のブロックから3ビットずつ、2048ビット(=512×4)のブロックから4ビットずつ取り出し、512個の7ビット値に分割する。
7ビット値から2個のPAM16シンボルを生成する(DSQ128)。
生成したPAM16シンボルを4レーンに256個(=512×2÷4)ずつ送出する。
(THPで電力均一化する。)

同様の方式は2.5GBASE-Tおよび5GBASE-Tで流用されている。

DSQ128は、802.3anタスクフォース(標準化作業部会)でブロードコム(当時)が開発提案した。1レーン2.5Gbpsの伝送速度の実現にあたり、3.125ビットの情報を持つシンボルを毎秒800メガシンボルの速度で伝送するとSNRやそれに伴う符号誤り率が最も改善することが判明した^[18]。そこで、4ビットを持つPAM16シンボルと約3.58ビットを持つPAM12が検討されたが、最終的にPAM16が採用されている。この方式では、7ビットを128状態(=2⁷)のPAM16符号2シンボルに変換する。2シンボルのPAM16では本来256状態(=16²)を表現できるが、このうち半分を不使用パターンとして切り捨てることにより3dBのSNR改善を達成している。この改善の仕組み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)を略した符号化名称となった由来である^[18]^[d]。

10GBASE-Tの通信速度10Gbpsは、符号化前の情報ビット(実際に転送したいデータ)に対するレートに基づく。DSQ128符号では、7ビットの伝送信号から2シンボルを生成して毎秒800メガシンボルで送付するため、ツイストペア1対あたり $800{\mbox{M[symbol/s]}}\times 7{\mbox{[bit]}}\div 2{\mbox{[symbol]}}=2.8{\mbox{G[bps]}}$ 、4対で11.2Gbpsの転送能力がある。この伝送信号は、元の情報ビット3200ビット(=64×50)にエラー訂正などを加えた3584ビット(=1536+2048)の一部であるため、伝送信号に含まれる情報ビットの割合は約89.3%(=3200/3584)の符号化効率となり、1対あたり $2.8{\mbox{G[bps]}}\times {\frac {3200}{3584}}=2.5{\mbox{G[bps]}}$ 、4対で10Gbpsの転送能力となる^[e]。

レイテンシ

PHYがXGMII経由で3200ビット入力されてからMDIに256シンボルを出力完了するまでのレイテンシ(ラウンドトリップタイム)は最大2.56マイクロ秒と規定されている^[19]^[20]。これは音声、高可用性クラスタの相互接続、HPC等で問題になることがある^[20]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、光ファイバやファイバーチャネルを採用することがある。

消費電力

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(2017年)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-T1

2020年に802.3chで標準化^[21]。車載組み込み機器用途で、1対のツイストペア(シングルペア)で最大15m接続する。2.5GBASE-T1, 5GBASE-T1とともに MultiGBASE-T1 の総称で規定されている。

符号化においては10GBASE-Tの方式と一部共通し、64b/65b変換した符号50ブロックからなる3250ビットフレームの生成までは同様の手順をとる。これに10ビットの管理情報を加えてRS/FEC(360,326)符号を加えることで3600ビットフレームとし、スクランブル処理などを経て最終的に1800シンボルのPAM-4として送出する。回線速度5.625 GBaudによりシングルペアでの10Gbpsを実現している^[22]。

出典と注記

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[続きの解説]

「10ギガビット・イーサネット」の続きの解説一覧

[1] 近藤卓司(ノーテルネットワークス) (2002年7月17日). “特集：10ギガビット・イーサネット大解剖 - Part.1”. @IT. 2021年11月11日閲覧。

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[5] IEEE 802.3, Clause 55.1

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[日経NETWORK_2007/4-17] 日経NETWORK 2007年4月号「10ギガイーサLANケーブル」 p84

[18] IEEE 802.3, Clause 55.7.3

[19] IEEE 802.3, Clause 55.8.1

[20] IEEE 802.3 Clause 55.3.2

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[27] IEEE 802.3ch, Clause 149.3.2, Figure 149-6.

[28] IEEE 802.3, Clause 54.6

[29] “[www.aim-ele.co.jp/products/dac/ Direct Attach Cable]”. エイム電子株式会社. 2022年2月12日閲覧。

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[31] SFF-8431, Appendix E: SFP+ Direct Attach Cable Specifications "10GSFP+Cu" (Optional)

[32] SFF-8418, Change History/Rev 1.0

[33] SFF-8418, Ch.1序文, 最終セクション

[34] “FS光モジュールの互換性保証”. 2022年2月12日閲覧。

[35] “HP DAC Copper Cable with Cisco 4900M”. 2022年2月12日閲覧。 “...3rd party cables are not officially supported with our hardware. The recommended supported way to connect our hardware to 3rd party switches is by using transceivers and optical cables instead.(引用者註：CISCOコミュニティで提示されたCISCO製DACについてのHPEの回答の転記の引用)”

[36] IEEE 802.3, Clause 100.1

[37] IEEE 802.3, Clause 56.1

[38] IEEE 802.3, Table 100-3

[39] IEEE 802.3, Clause 101.3

[40] IEEE 802.3, Clause 48, 49, 50, 52, 53, 55, 68, 75

[41] IEEE 802.3 Clause 49

[42] IEEE 802.3 Clause 49.2.4

[43] “Common 10G Fiber Transceiver: 10G XENPAK, 10G X2, 10G XFP, 10G SFP+”. Blog of Fiber Transceivers (2013年6月18日). 2018年8月26日閲覧。

[44] IEEE 802.3, Clause 52.5

[45] Optcore 10GBASE-ZR SFP+^{[リンク切れ]}

[46] IEEE P802.3aq 10GBASE-LRM Task Force

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[49] IEEE 802.3, Clause 50.1

[50] IEEE 802.3, Clause 50.3.1

[51] 瀬戸康一郎『10ギガビット・イーサネットの教科書』インプレス、2005年3月30日、12頁。

[52] IEEE 802.3, Clause 75.1

[53] IEEE 802.3, Clause 75.6

[54] IEEE 802.3, Clause 76.3.2.4

[55] IEEE 802.3, Clause 65.2.3

[56] IEEE 802.3, Table 75-1

[57] 世界最速光回線インターネット接続サービスNURO 光 10G

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10ギガビット・イーサネット 10ギガビット・イーサネットの概要