ギガビット イーサネットとその仕組み (2022 年ガイド)

ギガビット イーサネットでは、標準の Cat 5 UTP (シールドなしツイスト ペア) ケーブルを使用して、最大 1.000 Mbps のネットワーク転送が可能です。 Cat 5 ケーブルは最大 100 Mbps までしか実行できないため、これをどのように実現できるでしょうか? この点と、ギガビット イーサネットのパフォーマンスに関する他の非常に興味深い問題についても説明します。

Ethernet Cat 5 ケーブルには 8 本のワイヤ (4 ペア) がありますが、10BaseT および 100BaseT 標準 (それぞれ 10 Mbps と 100 Mbps) では、これらのワイヤのうち 4 本 (2 ペア) だけが実際に使用されます。 1 つのペアはデータの送信に使用され、もう 1 つのペアはデータの受信に使用されます。

イーサネット規格ではキャンセリングと呼ばれる電磁ノイズ対策技術を採用しています。 電流がワイヤに印加されると、ワイヤの周囲に電磁場が生成されます。 この磁界が十分に強い場合、すぐ隣のワイヤに電気的干渉が発生し、そこに送信されていたデータが破損する可能性があります。 この問題はクロストークと呼ばれます。

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図 1 に示すように、キャンセルとは、同じ信号を 2 回送信し、2 番目の信号を最初の信号と比較して「ミラーリング」(極性を反転) することです。そのため、2 つの信号を受信するときに、受信デバイスは 2 つの信号を比較できます。信号は等しいが「ミラーリング」されている必要があります。 2 つの信号の差はノイズであるため、受信デバイスはノイズが何であるかを認識し、それを破棄することが非常に簡単になります。 「データ送信」用の「+TD」配線規格と「データ受信」用の「+RD」配線規格。 「-TD」と「-RD」は、それぞれ「+TD」と「+RD」で送信される同じ信号の「ミラーリング」バージョンです。

10BaseT 規格では、コンピュータが送信したい各ビットは単一の送信ビットに物理的にコード化されます。つまり、送信される 8 ビットのグループの場合、8 つの信号が回線上に生成されます。 10 Mbps の転送速度は、クロックが 10 MHz であることを意味しますが、各クロック サイクルで 1 ビットが送信されるだけです。 他の規格ではこれは異なります。

100BaseT は 8B/10B と呼ばれるコーディング方式を使用しており、8 ビットの各グループが 10 ビット信号にコーディングされます。 したがって、10BaseT とは異なり、各ビットは回線上の信号を直接表しません。 正しく計算すると、100 Mbps のデータ転送速度の場合、100BaseT のクロック レートは 125 MHz (10/8 x 100) になります。したがって、Cat 5 ケーブルは最大 125 MHz の伝送速度を持つことが認定されています。

ギガビット イーサネットが行うことは、コーディングを変更することです。 10BaseT のように各ビットを 1 つの信号にコーディングしたり、各 8 ビット グループを 10 ビットの信号にコーディングしたりする代わりに、信号ごとに 2 ビットをコーディングします。 したがって、ギガビット イーサネット ケーブル上の信号は、1 ビットではなく 2 ビットを表します。 つまり、単に「0」または「1」を表す信号に 2 つの電圧を使用するのではなく、「00」、「01」、「10」、および「11」を表す 4 つの異なる電圧を使用します。ギガビット イーサネットではケーブルの 4 本のワイヤのみが使用されますが、すべてのワイヤが使用されます。

これに加えて、すべてのペアが双方向で使用されます。 上で見たように、10BaseT と 100BaseT はどちらも送信と受信に異なるペアを使用します。 1000BaseT では、ギガビット イーサネット ケーブルとも呼ばれ、データの送信と受信の両方に同じペアが使用されます。

ギガビット イーサネットの利点は、125 MHz レートの 100BaseT/Cat 5 クロック レートを依然として使用していることですが、一度に送信されるデータの量が増えるため、転送レートが高くなります。 計算は非常に簡単です: 125 MHz x 信号あたり 2 ビット (つまり、ワイヤ ペアあたり) x 時間あたり 4 信号 = 1.000 Mbps。

この変調技術は 4D-PAM5 と呼ばれ、実際には 5 つの電圧を使用します (5 番目の電圧はエラー訂正メカニズムに使用されます)。

したがって、ギガビット イーサネットが 1.000 MHz で動作するというのは間違いです。 そうではありません。 ファスト イーサネット (100BaseT) と同様に 125 MHz で動作しますが、一度に 2 ビットを送信し、4 ペアのケーブルを使用するため、1.000 Mbps を達成します。

以下の表で、ギガビット イーサネット ケーブルのピン配置を確認できます。 「BI」は双方向を表し、DA、DB、DC、DD はそれぞれ「データ A」、「データ B」、「データ C」、「データ D」を表します。