ツイストペア経由のイーサネット

最も一般的なタイプのイーサネットに使用できる標準ツイストペアケーブル
8P8Cプラグ

ツイストペア・イーサネット技術は、イーサネット・コンピュータ・ネットワークの物理層にツイストペア・ケーブルを使用します。これは、すべてのイーサネット物理層のサブセットです。

初期のイーサネットでは様々なグレードの同軸ケーブルが使用されていましたが、1984年にStarLANがシンプルなシールドなしツイストペアケーブルの可能性を示しました。これが10BASE-Tとその後継規格である100BASE-TX、1000BASE-T、10GBASE-T、40GBASE-Tの開発につながり、それぞれ10Mbpsと100Mbps、そして1Gbps、10Gbps、40Gbpsの速度をサポートしました 。 [ a ]

シングルペアイーサネット（SPE ）として知られる、単一のツイストペア上のイーサネットが商用化されました。10 Mbps のシングルツイストペアイーサネットの 2 つの新しい派生である10BASE-T1Sと10BASE-T1Lが、IEEE Std 802.3cg-2019 で標準化されました。[ 2 ] 10BASE-T1S は自動車産業に起源を持ち、かなりの電気ノイズが存在する他の短距離アプリケーションで役立つ可能性があります。[ 3 ] 10BASE-T1L は長距離イーサネットで、最大 1 km の接続をサポートします。これらの規格は両方とも、モノのインターネットを実装するアプリケーションで使用されています。10BASE-T1S は、自動車分野でCAN XLの直接の競合であり、 PHY レベルの衝突回避スキーム（PLCA）が含まれています。[ 4 ]

初期の規格では8P8Cモジュラーコネクタ[ b ]が使用され、サポートされているケーブル規格はカテゴリ3からカテゴリ8までの範囲でした。これらのケーブルは通常、各接続に4対のワイヤを備えていますが、初期のイーサネットではそのうち2対しか使用されていませんでした。初期の-T規格とは異なり、-T1インターフェースは1対の導体で動作するように設計されており、IEC 63171-1 [ 5 ]およびIEC 63171-6 [ 6 ]と呼ばれる2つの新しいコネクタが導入されています。

歴史

ツイストペアネットワークの最初の2つの初期の設計は、 1986年にIEEE標準化協会によってIEEE 802.3eとして標準化された1メガビット/秒のStarLANと、1987年1月に開発された10メガビット/秒のLattisNetでした。[8] [9] どちらも10BASE-T標準（1990年にIEEE 802.3iとして公開）より前に開発され、異なる信号方式を使用していたため、10BASE-Tとは直接互換性がありませんでした。[ 10 ]

1988年、AT&Tは10Mbit/sで動作することにちなんで名付けられたStarLAN 10をリリースしました。[ 11 ] StarLAN 10の信号方式は10BASE-Tの基礎として使用され、接続状態を素早く示すリンクビートが追加されました。 [ c ]

スター トポロジでツイストペア ケーブルを使用することで、以前のイーサネット標準のいくつかの弱点が解決されました。

10BASE-T は現在、通常動作の信号速度としてはあまり使用されていませんが、Wake-on-LANパワーダウン モードのネットワーク インターフェイス コントローラや、特殊な低電力、低帯域幅のアプリケーションでは、依然として広く使用されています。10BASE-T は、最大ギガビット イーサネット速度のほとんどのツイストペア イーサネット ポートでサポートされています。

ネーミング

これらの規格の一般的な名称は、物理媒体の特性に由来しています。先頭の数字（ 10BASE-Tの10）は、伝送速度（Mbit/s）を表します。BASEはベースバンド伝送が使用されていることを示します。Tはツイストペアケーブルを表します。同じ伝送速度の規格が複数ある場合は、 TXやT4のように、Tの後に続く文字または数字で区別されます。文字または数字は、符号化方式とレーン数を表します。[ 13 ]

ケーブル配線

8P8Cモジュラープラグのピン配置
ANSI/TIA-568 T568A終端
ピンペアワイヤー[ d ]色
13ヒント ペア3ワイヤー1白/緑
23指輪 ペア3ワイヤー2緑
32ヒント ペア2 ワイヤー1白/オレンジ
41指輪 ペア1 ワイヤー2青
51ヒント ペア1 ワイヤー1白/青
62指輪 ペア2ワイヤー2オレンジ
74ヒント ペア4ワイヤ1白/茶色
84指輪 ペア4ワイヤ2茶色
ANSI/TIA-568 T568B終端
ピンペアワイヤー[ d ]色
12ヒント ペア2 ワイヤー1白/オレンジ
22指輪 ペア2ワイヤー2オレンジ
33ヒント ペア3ワイヤー1白/緑
41指輪 ペア1 ワイヤー2青
51ヒント ペア1 ワイヤー1白/青
63指輪 ペア3ワイヤー2緑
74ヒント ペア4ワイヤ1白/茶色
84指輪 ペア4ワイヤ2茶色

ほとんどのイーサネットケーブルはストレート配線（ピン1とピン1、ピン2とピン2など）です。ただし、場合によってはクロスオーバー配線（受信と送信、送信と受信）が必要になることもあります。

イーサネット用ケーブルは、両端ともT568AまたはT568B終端規格に準拠します。これらの規格は、2対目と3対目の位置が入れ替わっている点のみが異なるため（2対目は、かつて広く普及していた10BASE-Tと100BASE-TXでのみ使用されていた唯一の対です）、片端にT568A配線、もう片端にT568B配線を備えたケーブルは、古い2対目規格のクロスオーバーケーブルとして機能します。

10BASE-T または 100BASE-TX ホストは通常​​、メディア依存型インターフェイス( MDI ) と呼ばれるコネクタ配線を使用して、ピン 1 と 2 で送信し、ピン 3 と 6 で受信します。インフラストラクチャ ノード (ハブやスイッチなど) は通常、 MDI-Xと呼ばれる相補配線構成を使用します。Xはクロスオーバーを表します。MDI- Xは単にペアを逆にして、ピン 3 と 6 で送信し、ピン 1 と 2 で受信します。これらのポートはストレート ケーブルを使用して接続されるため、各送信機はケーブルのもう一方の端にある受信機と通信します。(最新のツイストペア イーサネットは 4 つのペアすべてを異なる方法で使用しており、MDI と MDI-X の区別は適用されません。)

最近の機器では、必要に応じてMDIとMDI-Xの配置を自動的に切り替えることができることが多く、クロスケーブルや手動選択が不要になっています。しかし、従来の配置では、同じ（固定の）タイプのポートを持つ2つのノードを接続する場合、クロスケーブルが必要になります。接続される両方のデバイスが1000BASE-Tをサポートしている場合、ストレートケーブルとクロスケーブルのどちらを使用しても接続されます。[ 14 ]

10BASE-Tトランスミッタは、+2.5 Vまたは-2.5 Vの2つの差動電圧を送信します。100BASE-TXトランスミッタは、+1 V、0 V、-1 Vの3つの差動電圧を送信します。[ 15 ] 10BASE5（シックネット）や10BASE2 （シンネット）などのブロードバンドおよび同軸ケーブルを使用する以前のイーサネット標準とは異なり、10BASE-Tは、使用する配線の種類を正確に指定せず、ケーブルが満たさなければならない特定の特性を指定します。これは、指定された配線標準に準拠していない既存のツイストペア配線システムで10BASE-Tを使用することを見込んで行われました。指定されている特性には、減衰、特性インピーダンス、伝搬遅延、および数種類のクロストークがあります。ケーブルテスターは、これらのパラメータをチェックしてケーブルが10BASE-Tで使用できるかどうかを判断するために広く利用可能です。これらの特性は、100メートルの24ゲージのシールドなしツイストペアケーブルで満たされると予想されます。ただし、高品質のケーブルを使用すれば、150 メートル以上の信頼性の高いケーブル配線が実現できることが多く、10BASE-T 仕様に精通した技術者はこれを実現可能とみなしています。

100BASE-TX は 10BASE-T と同じ配線パターンに従いますが、ビット レートが高いため、配線の品質と長さの影響をより受けます。

1000BASE-Tは、ハイブリッド回路とキャンセラーを使用して、4つのペアすべてを双方向で使用します。[ 16 ]データは4D-PAM5を使用してエンコードされます。これは、5つの電圧（-2V、-1V、0V、+1V、+2V）でパルス振幅変調（PAM）を使用した4次元です。 [ 17 ]ラインドライバのピンには+2Vから-2V​​が現れる場合がありますが、ケーブル上の電圧は通常+1V、+0.5V、0V、-0.5V、-1Vです。[ 18 ]

100BASE-TX と 1000BASE-T はどちらも、最低でもカテゴリ 5 ケーブルを必要とし、最大ケーブル長を 100 メートル (330 フィート) に指定するように設計されています。

共有ケーブル

10BASE-Tと100BASE-TXは、動作に2つのペア（ピン1-2、3-6）のみを必要とします。一般的なカテゴリー5ケーブルは4つのペアを持つため、10Mbpsおよび100Mbps構成では、予備のペア（ピン4-5、7-8）を他の用途に使用できます。予備のペアは、Power over Ethernet（PoE）、2本の一般電話サービス（POTS）回線、または2つ目の10BASE-Tまたは100BASE-TX接続に使用できます。実際には、10/100Mbpsイーサネット機器は未使用のピンを電気的に終端するため（「ボブ・スミス終端」）、これらのペアを分離するには細心の注意が必要です。 [ 19 ]ギガビットイーサネットでは、1000BASE-Tは4つのペアすべてを必要とするため、ケーブルの共有は選択肢になりません。

シングルペア

よりコンピュータ向けの2対および4対の変種に加えて、10BASE-T1、[ 20 ] 100BASE-T1 [ 21 ]および1000BASE-T1 [ 22 ]シングルペアイーサネット( SPE ) 物理層は、自動車、IoT、M2Mアプリケーション[ 23 ]またはその他の相互接続アプリケーションのオプションのデータチャネルとして使用することを目的としています。[ 24 ]シングルペアが全二重で動作する距離は、速度によって異なります。802.3cg-2019 10BASE-T1L では1000 m (1 km)、100BASE-T1 (リンクセグメントタイプ A) では15 m (49 ft)、最大4つのインラインコネクタを備えた1000BASE-T1 リンクセグメントタイプ B を使用した場合は最大40 m (130 ft) です。両方の物理層で、インピーダンスが100 Ωの平衡ツイストペアが必要です。ケーブルは1000BASE-T1では600MHz、100BASE-T1では66MHzの伝送が可能でなければならない。15mの単一ペアで2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/sの伝送速度が802.3ch-2020で標準化されている。[ 25 ] 2023年6月、802.3cyは最大11mの長さで25Gbit/sの速度を追加した。[ 26 ]

PoEと同様に、Power over Data Lines（PoDL）はデバイスに最大50Wの電力を供給できます。[ 27 ]

シングルペアイーサネット (SPE)
ワイヤーの色 PMA信号
青BI_DA+
白BI_DA−

コネクタ

片端にM12Xコネクタ、もう片端にモジュラーコネクタを備えたCat 6Aケーブル
  • 8P8Cモジュラーコネクタ：家庭からデータセンターまで、管理された環境における固定用途では、このコネクタが主流です。壊れやすいロックタブのため、適合性と耐久性が制限されます。このコネクタ形式では、最大Cat 8ケーブルをサポートする帯域幅が定義されています。
  • M12X：これはイーサネット用に設計されたM12コネクタで、IEC 61076-2-109規格に準拠しています。12mmの金属ネジに4対のシールドピンが収められています。公称帯域幅は500MHz（Cat 6A）です。このコネクタファミリーは、ファクトリーオートメーションや輸送など、化学的および機械的に過酷な環境で使用されます。サイズはモジュラーコネクタとほぼ同じです。
  • シングルペア イーサネットでは独自のコネクタが定義されています。
    • IEC 63171-1 LC : [ 5 ]これはモジュラーコネクタと同様のロックタブを備えた2ピンコネクタですが、厚みがあります。
    • IEC 63171-6産業用：[ 6 ]この規格は、ロック機構が異なる5種類の2ピンコネクタと、電源専用ピンを備えた1種類の4ピンコネクタを定義しています。ロック機構は、金属製のロックタブから、ネジロックまたはプッシュプルロックを備えたM8およびM12コネクタまで多岐にわたります。4ピンコネクタはM8ネジロックのみで定義されています。

自動ネゴシエーションとデュプレックス

ギガビットイーサネットまでのツイストペアイーサネット規格では、全二重通信と半二重通信の両方が定義されています。しかし、ギガビット速度での半二重通信は、既存のハードウェアではサポートされていません。[ 28 ] [ 29 ] 2.5GBASE-Tから40GBASE-Tまでのより高速な規格[ 30 ]は、 2.5～40 Gbit/sで動作し、結果として、一般的にネットワークスイッチによって接続される全二重のポイントツーポイントリンクのみを定義しており、従来の共有メディアCSMA/CD通信はサポートされていません。[ 31 ]

ツイストペア経由のイーサネットには、様々な動作モード（10BASE-T半二重、10BASE-T全二重、100BASE-TX半二重など）が存在し、ほとんどのネットワークアダプタは異なる動作モードに対応しています。1000BASE -T接続を正常に動作させるには、 オートネゴシエーションが必要です。

リンクされた2つのインターフェースが異なるデュプレックスモードに設定されている場合、このデュプレックスの不一致により、ネットワークの動作速度は公称速度よりもはるかに遅くなります。管理者がインターフェースを固定モード（例：100Mbps全二重）に設定し、リモートインターフェースの設定を怠って自動ネゴシエーションに設定したままにしておくと、意図せずデュプレックスの不一致が発生する可能性があります。その後、自動ネゴシエーションプロセスが失敗すると、リンクの自動ネゴシエーション側で半二重モードが想定されます。

変種

ツイストペアベースのイーサネット技術の比較

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[ 32 ]
名前 規格（IEEE 802.3 条項番号） 状態 速度（Mbit/s）[ A ]ペアが必要です 方向ごとの車線数 データレート効率（ビット/秒/Hz）[ B ]ラインコードレーンあたりの シンボルレート（MBd）帯域幅（MHz）[ C ]最大距離（m） ケーブル[ D ]ケーブル定格（MHz） 使用目的
スターLAN -1 1BASE5802.3e-1987廃止 1 2 1 1 体育1 1 250 猫2約12 ラン
スターLAN -10 802.3e-1988廃止 10 2 1 1 体育 10 10 約100 猫3約12 ラン
ラティスネット802.3i-1990以前廃止 10 2 1 1 体育 10 10 100 猫3約12 ラン
10BASE-T802.3i-1990（CL14） 遺産 10 2 1 1 体育 10 10 100 猫316 ラン[ 33 ]
10BASE-T1S802.3cg-2019（CL147） 現在 10 1 1 0.8 4B5B DME25 12.5 15または25 [ E ]SPE25 自動車、IoT、M2M
10BASE-T1L802.3cg-2019（CL146） 現在 10 1 1 2.6 64B3T PAM-37.5 3.75 1,000 SPE20 自動車、IoT、M2M
100BASE-T1802.3bw-2015（CL96） 現在 100 1 1 3 3B2T PAM-3 66.6 633.3 315 SPE100 自動車、IoT、M2M
100ベースVG802.12-1995廃止 100 4 4 1.6 65B6B半二重のみ30 15 100 猫316 市場の失敗
100BASE-T4802.3u-1995 (CL23) 廃止 100 4 3 2.6 68B6T PAM-3半二重のみ25 12.5 100 猫316 市場の失敗
100BASE-T2802.3y-1997 (CL32) 廃止 100 2 2 4 LFSR PAM-5 25 12.5 100 猫316 市場の失敗
100BASE-TX802.3u-1995 (CL25) 現在 100 2 1 3.2 4B5B MLT-3 NRZ-I125 31.25 100 猫5100 ラン
1000BASE-TX802.3ab-1999 (CL25)、TIA/EIA 854 (2001)廃止 1,000 4 2 4 PAM-5 250 125 100 猫6250 市場の失敗
1000BASE-T802.3ab-1999（CL40） 現在 1,000 4 4 4 TCM 4D-PAM-5 125 62.5 100 猫5100 ラン
1000BASE-T1802.3bp-2016（CL97） 現在 1,000 1 1 2.6 6PAM-3 80B/81B RS-FEC 750 375 40 SPE500 自動車、IoT、M2M
2.5GBASE-T802.3bz-2016 (CL126) 現在 2,500 4 4 6.25 64B65B PAM-16 128-DSQ200 100 100 猫5e100 ラン
2.5GBASE-T1802.3ch-2020（CL149） 現在 2,500 1 1 3.5 564B/65B PAM-4 RS-FEC 1,406.25 703.125 15 SPE1,000 自動車、IoT、M2M
5GBASE-T802.3bz-2016 (CL126) 現在 5,000 4 4 6.25 64B65B PAM-16 128-DSQ 400 200 100 猫6250 ラン
5GBASE-T1802.3ch-2020（CL149） 現在 5,000 1 1 3.5 564B/65B PAM-4 RS-FEC 2,812.5 1,406.25 15 SPE2,000 自動車、IoT、M2M
10GBASE-T802.3an-2006（CL55） 現在 10,000 4 4 6.25 64B65B PAM-16 128-DSQ 800 400 100 カテゴリー6A500 LAN、データセンター
10GBASE-T1802.3ch-2020（CL149） 現在 10,000 1 1 3.5 564B/65B PAM-4 RS-FEC 5,625 2,812.5 15 SPE4,000 自動車、IoT、M2M
25GBASE-T802.3bq-2016 (CL113) 現行（販売されていない） 2万5000 4 4 6.25 PAM-16 RS-FEC (192, 186) LDPC 2,000 1,000 30 猫82,000 LAN、データセンター
40GBASE-T802.3bq-2016 (CL113) 4万 4 4 6.25 PAM-16 RS-FEC (192, 186) LDPC 3,200 1,600 30 猫82,000 LAN、データセンター
名前 標準 状態 速度（Mbit/s）[ A ]ペアが必要です 方向ごとの車線数 データレート効率（ビット/秒/Hz）[ B ]ラインコードレーンあたりの シンボルレート（MBd）帯域幅（MHz）[ C ]最大距離（m） ケーブル[ D ]ケーブル定格（MHz） 使用法
  1. ^ a b転送速度 = レーン数 × ビット/ヘルツ × スペクトル帯域幅
  2. ^ a bエンコードオーバーヘッドによる損失後のレーンあたりのヘルツあたりの有効ビット/秒
  3. ^ a bスペクトル帯域幅とは、信号が1サイクルを完了する最大速度です。シンボルはサイクルの正のピークと負のピークの両方で送信できるため、通常はシンボルレートの半分になります。例外として、10BASE-Tではマンチェスター符号を使用するためスペクトル帯域幅はシンボルレートと等しくなりますが、100BASE-TXではMLT-3符号化を使用するためスペクトル帯域幅は4分の1になります。
  4. ^ a bケーブル長が短い場合は、100mに必要なグレードよりも低いグレードのケーブルを使用できます。例えば、55m以下のCat 6ケーブル で10GBASE-Tを使用できます。同様に、5GBASE-TはほとんどのユースケースでCat 5eでも動作することが期待されます。  
  5. ^ポイントツーポイントリンクの場合は15 m、ミキシング/マルチタップセグメントの場合は25 m

参照

注記

  1. ^一般的に、高速実装は低速規格をサポートし、異なる世代の機器を混在させることを可能にします。このような組み合わせをサポートする接続では、包括的な機能が10/100または10/100/1000として指定されます。 [ 1 ]：123
  2. ^ 8P8C モジュラーコネクタは、電話業界の標準規格にちなんでRJ45と呼ばれることがよくあります。
  3. ^リンクビートのオン/オフを切り替えることで、当時の多くのネットワークインターフェースカードはStarLAN 10または10BASE-Tのいずれかで動作できました。 [ 12 ]
  4. ^ a b 568 規格の説明で使用されている用語「チップ」と「リング」は、古い通信技術を指し、接続のプラス部分とマイナス部分に相当します。

参考文献

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