Ethernetというか10GBASE-Tに関しては、2017年から【10GBASE-T、ついに普及？】と題し、全11回と番外編2回をお届けした。だが、ツイストペアによる銅配線のEthernetは10GBASE-Tまでで、25/40GBASE-Tはまだまだ実用化には至っていない。
【アクセス回線10Gbpsへの道】とも一部は被るかもしれないが、ここでは光ファイバーを利用する“光Ethernet”を紹介していこう。 「光Ethernetの歴史と発展」記事一覧10BASE-Tと同じ仕組みの光ファイバーで最大2kmを実現「10BASE-F」屈折率で伝送距離が異なる「光ファイバー」の材質と構造最大100Mbpsながら伝送距離の異なる「100BASE-FX」「100BASE-SX」などの各規格実効1Gbpsに到達した「1000BASE-SX/1000BASE-LX/1000BASE-CX」拠点間接続に用いる「1000BASE-X」の各種関連規格低価格な光ファイバーで1Gbpsを実現する車載向けがメインの「GEPOF」10Mbpsの「MII」から1000MbpsのCisco独自規格「SGMII」まで1波長で10Gbps、光源と到達距離の異なる「10GBASE-W/R」の各規格10Gbpsのフレッツ光で使われる「10GBASE-PR」、既存ケーブルを流用できる「10GBASE-LRM」XENPAK→X2→XFP→SFP+と移った10GBASEのトランシーバーモジュール規格10Gbpsのシリアル通信規格「XFP」、これを置き換えた「SFP+」10GbEの次は40GbEと100GbE、HSSGによってともに標準化の開始へ最大100Gbps、「IEEE 802.3ba」として標準化された8つの規格IEEE 802.3baで定義されたInterconnectとトランシーバー規格100Gbpsで100mを目指す「P802.3bm」、IEEE 802.3baをブラッシュアップ最大100Gbps・100mの「100GBASE-SR4」と40Gbps・40kmの「40GBASE-ER4」CFPのサイズ半分、最大200Gbpsの「CFP2」、さらに小型化された「CFP4」40Gbpsの「QSPF+」、50Gbpsの「QSFP56」、112Gbpsの「SFP-DD」「QSFP28」25Gbps×4で100Gbps、光Ethernet第2世代「IEEE 802.3bm-2015」の各規格が標準化50Gbpsに対応する5つの規格「50GBASE-KR/CR/SR/FR/LR」「25G PAM-4」で100/200Gbpsを実現する7規格と、SMF1対で100Gbpsの「100G PAM-4」25Gbps×8の「200GBASE-R」では4つのモジュール規格が乱立最大400Gbpsを実現する2つのモジュール規格「OSFP」「CDFP」1レーン50Gbpsで最大400Gbpsを実現する「P802.3bs」レーンあたり50/25Gbpsで400Gbpsを実現する「IEEE 802.3bs」の各規格53.125Gの「PAM-4」を4対束ねた「PSM4」で最大400Gbps「400GBASE-DR4」アクセス回線向けの光ファイバー規格「IEEE P802.3cp/P802.3cs/P802.3ct」位相変調した光信号を復号するコヒーレント光、波長分離多重の「DWDM」併用の「400ZR」「100GBASE-ZR」を残し「IEEE P802.3ct」から「400GBASE-ZR」を分割1対のMMFで100Gbpsを目指す「IEEE P802.3db」IEEE標準ではない光Ethernetの各規格、100G/400G/800Gですでに登場SWDMを用いた100/40Gbpsの「100G-SWDM4-MSA」と「40G-SWDM4-MSA」「100GBASE-LR4」と「100GBASE-SR10」の間を埋める最大100Gbpsの「100G PSM4 MSA」SMF1本で25Gbps×4の100Gbpsを実現、到達距離2kmの「CWDM4 MSA」、40kmの「4WDM MSA」100Gbpsで10/20/40kmの到達距離を狙った「100G 4WDM-10/20/40」「100G PAM-4」で最大100Gbps、到達距離2kmの「100G-FR」と10kmの「100G-LR」SMF1対で100Gbpsの「100G LR1-20/ER1-30/ER1-40」、4本束ねて400Gbpsの「400G-FR」最大400Gbps、到達距離2kmの「400G-FR4」と到達距離10kmの「400G-LR4-10」最大100Gbpsで250kmを伝送可能な「MSA-100GLH」、巨大なサイズと消費電力で採用進まず最大400Gbps、到達距離10kmの「CWDM8」、8×50G NRZの採用で低コストと低電力を実現400Gbpsで到達距離2kmと10kmの「CWDM8 2km/10km」、低OH濃度SMFの採用で損失を抑える400Gを光ファイバー1本で双方向通信する「400G BiDi MSA」、「400GBASE-SR8」を先行規格化50Gが8対で400Gbpsの「400G-BD4.2」、消費電力増や高コストが課題にIEEE「400GBASE-SR4.2」は先行した「400G-BD4.2」と相互互換性を確保高コストで普及に至らない「400GBASE-SR8」と、さらに高価な「400GBASE-SR4.2」最大800Gbpsの100G PAM-4 PHY、ベンダー各社がサポート、受発光素子普及のカギは940nm？ETCがリリースした「800G Ethernet」の仕様は400Gを2つ並べる構造に「QSFP-DD MSA」を発展させる「QSFP-DD800」、供給電源など今後に課題も最大800Gbpsを目指す「800G Pluggable MSA」、3つの変調方式を採用高帯域と低レイテンシーの一方で到達距離は限界へ、800Gへ想定される4つのシナリオPSM4とCWDM4で1.6Tb/secを実現し、到達距離も延長「800G Pluggable MSA」800G Ethernetに関連、OSFP MSAと2つのIEEEの動向800Gの本命「IEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet」、100/200Gの信号で800G/1.6Tを実現200G×8の1.6Tbps、×4の800Gbpsでの転送実現は2023年？100Gが8対の「800GBASE-VR8/SR8」が仕様に追加、BERの目標値決定にはさらなる情報が必須200GにおけるElectricalインターフェースを検討、通信に必要な消費電力は半減へBeyond 400 Gb/s EthernetにおけるOTNサポートは4月の投票でいったん否決1.0E10年のMTTFPAを維持、1.0E-14のBER Targetには高コストなFECが必要にFacebookやMicrosoftのDC事業者が先行、Beyond 400G Study Groupは800Gと同時に1.6Tの標準化を主張200Gの光伝送は技術的に実現可能、一定の損失を前提にすれば現実的なPAM6の検討も？800Gb/sと同時に1.6Tb/s Ethernet仕様も策定へ 200Gb/sレーンの製品出荷は2027年頃？到達距離10kmの「800G-LR」に向け、Coherent-Lite方式を検討を求めるGoogle200Gのシリアルと800GのWDM、どっちが先に100万ポート出荷を実現できるのか？400・200Gb/sのサポートなど、2021年7月ミーティングへの投票は可決が多数800Gで10kmの到達距離を実現する「800Gbps/10km Reach SMF」の4案800Gで到達距離40kmを目指す「ER8」、MZMを採用し、400G向けDSPを2つ並列銅配線での8レーン800Gが規格化、レーンあたり200Gも実現へ？「IEEE P802.3df」のPAR分割に向けた動き、作業効率化の一方で異論も？800G実現に向け、PDM-32QAMで96G/192GBaudとPDM-16QAMで120G/240GBaudをリストアップこれまでの光Ethernet規格振り返りと、「40GBASE-FR」をめぐる議論の経緯「IEEE 802.3cn-2019」は若干のパラメーター変更のみ、「100GBASE-AR/400GBASE-AR」は現時点で幻に「100GBASE-AR」と「400GBASE-AR」は「IEEE P802.3cw」に、PMDの仕様を定義して2023年中ごろに標準化？到達距離500mの「CWDM4-OCP-100G」、低価格な100G Ethernet規格として広く流通し始める#series-contents .current-page { font-weight: bold; }
「IEEE 802.3cd-2018」で定義された7つの100/200Gbps対応規格
50Gbpsの方式が定まれば、必然的にそのまま100G/200Gbpsについても定まることになる。「IEEE 802.3cd-2018」では、以下7つの規格が定義されている。
| 規格 | 構成 |
| 100GBASE-CR2 | 50GBASE-CR×2 |
| 100GBASE-KR2 | 50GBASE-KR×2 |
| 100GBASE-SR2 | 50GBASE-SR×2 |
| 100GBASE-DR | 後述 |
| 200GBASE-CR4 | 50GBASE-CR×4 |
| 200GBASE-KR4 | 50GBASE-KR×4 |
| 200GBASE-SR4 | 50GBASE-SR×4 「100GBASE-DR」以外はあまり考えるまでもなく、それぞれが「50GBASE-CR/KR/SR」の延長であり、単にケーブルなり配線の数を増やすだけだから、もともとの25G Ethernet Consortiumが想定した通りの構成であり、これは理解しやすい。 BERがこんなに高くていいのか？ という気もするが、補正前ならこんなものだろう。出典は\”100GBase-DR2: A Baseline Proposal for the 100G 500m Two Lane Objective\” ちょっと違う方向に行ったのが100GBASE-DRである。もともとは「P802.3cd Task Force」の2回目のミーティングの際に\”100GBase-DR2: A Baseline Proposal for the 100G 500m Two Lane Objective\”として提案がなされたのが元だ。ただし、この段階での提案は50Gbps×2という、ほかと同じものであった。 「100GBASE-SR2」とは、SMFを利用する点が違いで、これに伴って光源などもSMF向けになってはいるものの、要するにその程度でしかなかった。 1対のSMFで100Gbpsを実現する「100G PAM-4」 ただ、実はこれと並行し、「50G PAM-4」ではなく「100G PAM-4」に関する議論も、Task Forceの中では盛んに行なわれていた。 例えばP802.3cd Task Forceにおける3回目のミーティングでは、LumentumやCiscoなどのグループが、100G PAM-4のマーケットデマンドが有望であることを語り（以下左）、IntelとMacom、Keysightのグループは、試作した106GbpsのPAM-4 Optical Linkの評価結果を示して（以下右）、100G PAM-4が現実的なものであることをアピールした。 これはアウトラインのみであるが、全体を通して「100G PAM-4は将来性も有望だし、大きなデマンドがある」との基調で説明が行われている。出典は\”Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM-4 500m\” こんなEYEで大丈夫なのか？と思わざるを得ないが、これでもBERが1.35×10^-6を実現できるとしているのだからすごい。出典は\”Technical Feasibility Study of 106 Gb/s PAM-4 Optical Link\” この背景には、P802.3cdのTask Forceに先んじて活動していたP802.3bsの\”200Gb/s and 400Gb/s Ethernet Task Force\”の動向がからんでいる。その名の通り、200/400Gbps Ethernetの標準化策定を行っているチーム（この話はもう少し後で）なのだが、ここで「400GBASE-DR4」がほぼ行ける、という目途が立ったことが大きい。これは、4対のSMFで400Gbpsを達成する、つまり1対のSMFあたりで100Gbpsを実現できることが、ほぼ確実になったということだ。 このP802.3bs Task Forceが2016年7月のミーティングでリリースしたDraft 2.0の内容を基に、100G PAM-4を利用する100GBASE-DRが（「100GBASE-DR2」に代えて）急きょ提案されたというわけだ。 ちなみにP802.3bsの方でも、100GのPAM-4を使うのは400GBASE-DR4のみだ。これには、50G PAM-4ですら大変なのに、100Gになるとさらに厳しくなり、伝達特性に劣るMMFではまともに信号が伝達できず、SMFの場合でも距離が延びると厳しい、という事情がある。 このあたりを鑑みて、P802.3cd Task Forceでも100GBASE-DR以外は全て「25G PAM-4」のままとし、50G PAM-4の採用を検討したりはしなかった。賢明な態度と言えるだろう。 やや不思議なのは、「200GBASE-DR2」が検討されなかったことだ。実は「200GBASE-DR4」はP802.3bsの方で仕様が策定され、最終的に標準化までが行われている。こちらは25GのPAM-4を4対で200Gという構成で、これを50G PAM-4に置き換えれば2対のファイバーで済むはずなのだが、そうしたニーズは案外多くなかったようだ。 PAM-4の変調はモジュール側で行うのが既定路線に さて、次はモジュール向けインターフェースである。「25GBASE-R」に関しては、PHYとのインターフェースは25GMIIになっている（以下左）が、仕様によれば25GMIIはオプション扱いだ（以下右）。25GMIIは現実問題として、390.625MHz×32bit（双方向なので実際には64bit）幅となり、チップ内や基板上の配線はともかく、モジュールの接続には適さない。結局のところPMAの部分で繋ぐことになる。 25Gの場合はFECはオプション扱いとなる。出典はIEEE 802.3cd-2018のFigure 109-1 RSとPCSの仕様は決まっているから、それが満たされれば、25GMIIである必要は特にないのだが ただ25Gbpsの25GBASE-Rに関しては以前『最大200Gbpsを見据えた「CFP2」、サイズはCFPの半分に、さらに小型化を果たした「CFP4」も』で説明したように、SFP28をそのまま利用することができる。レーンあたり25Gの信号が1対だけだから、これはそれほど問題はない。 では50Gは？ というのが次の問題となるわけだ。これはPAM-4の変調をどこでやるのか、という問題ともからんでくる。仮にチップセット側（つまりモジュールの手前）でPAM-4の変調を行ってしまえば、信号速度そのものは25GT/secだから、SFP28でも理論上はいけることになる。 もっとも、光ファイバーを前提にしたPAM-4で変調した信号を、そのままSFP28用のコネクタや基板上の配線を通して支障がないかというと、現実問題としては甚だ疑問だ。そうしたこともあってか、PAM-4の変調はモジュール側で行うのが既定路線となった。これは当然ではあろう。 50Gbpsの信号速度を扱う6種類のモジュール規格 そうなると、信号速度としては50Gbpsを扱う必要があり、これはSFP/SFP+ではカバーできない。そこで、これに向けて6種類（厳密に言うとさらにもう1つあり7種類）のモジュール規格が登場した。具体的には以下が一般的なモジュールである。 CFP：CFP MSAの策定する規格SFP-DD：SFP-DD MSAの策定する規格QSFP：SNIAの策定する規格QSFP-DD：QSFP-DD MSAの策定する規格OSFP：OSFP MSAの策定する規格CDFP：CDFP MSAの策定する規格 ほかに、Consortium for On-Board Opticsの策定する「COBO」という規格も、一応モジュール規格としていいだろう。それぞれのモジュールの構造の概略をまとめたのが以下だが、規格は乱立していると言える。 Ethernet Allianceの2019年ロードマップにある「BackSide」の右下に掲載された「FORM FACTORS」の左側にある4-16 Lane Interfacesのうち、「OBO（On Board Optics）」がCOBOに相当する このうち、CFPについては『40G/100Gへ向けIEEE 802.3baで定義されたInterconnectとトランシーバーの規格』で、SFP-DDとQSFPについては40Gbpsの「QSFP+」、50Gbpsの「QSFP56」、112Gbpsの「SFP-DD」「QSFP28」』で、それぞれご紹介しているので繰り返さない。 ちなみにこの記事では\”SFP56\”と説明しており、確かに通り名として使われることもあるのだが、公式名称（？）は一応\”SFP-DD 56\”である。おそらくQSFP56と区別が付きにくいためだろう。 SFP-DDの場合、1レーンあたり25Gbpsとすれば2レーンでは50Gbpsとなり、「50GBASE-R」がそのまま収容できることになる。モジュールの消費電力としてはPower Class 1～8が定義され、うち1～5が1.0/1.5/2.0/3.5/5.0Wとなっている（6と7は未使用で、Class 8は別途Management Register経由での定義とされる）。PAM-4 PHYを入れて5Wというのは、かなりギリギリのところではないかと思う。 一方、QSFPの場合は信号が4対あるので、信号レベルを12.5Gbpsへ落とすことが可能で、実際にSFF-8683 QSFP+ 14Gb/s Cageという仕様もある。だが、それだとわざわざ1:4のGearboxを挟む必要があって、あまり意味がない。 なので、4対のうち2対だけを使って25Gbpsを通す方がマシ、という割と現実的な判断が下された。もっともそうなると「どのピンを使うか」がちゃんと規定されないと混乱が発生しそうだが、Specificationにはそれが明記されていない。 なので、50GBASE-RをサポートするQSFP28モジュールはごくわずかに存在するが、それはスイッチメーカーがQSFPで製品のポートを統一していて、ここにどうしても50GBASE-Rを繋げたいという、非常に限られた用途向けになる。このため特定メーカーが自社の特定製品での動作のみをサポートする、というかたちであって、一般的とは言い難いものとなっている。 「10GBASE-T、ついに普及へ？」記事一覧【技術編1】【技術編2】【技術編3】10GBASE-Tの基本仕様とは？【歴史編1】【歴史編2】【歴史編3】10GBASE-Tの普及状況【実用編1】PCIe帯域幅とストレージ性能が落とし穴【実用編2】10GBASE-T/1000BASE-T混在時の問題はMTU【実用編3】Windowsで高速さを活かすには「RDMA」【実用編4】CAT5ケーブルのままで使える2.5G/5GBASE-T【実用編5】さらに高速化！ 25G/40GBASE-Tの普及は？#series-contents .current-page { font-weight: bold; }【アクセス回線10Gbpsへの道】記事一覧622Mbpsを32台のONUで分割、ATMがベースの「ITU G.983.1」仕様「Bフレッツ」（100Mbps）に採用された最大622Mbpsの「B-PON」IEEE 802.3ahとして標準化された1Gbpsの「GE-PON」2.488Gbpsの「G-PON」、B-PON後継のG.984.1/2/3/4として標準化「10G-EPON」で10Gbpsに到達、IEEE 802.3avとして標準化NURO光 10Gに採用された10Gbpsの「XG-PON」、「G.987」として標準化XG-PON後継、上りも10Gbpsの「XGS-PON」と「NG-PON2」25Gbpsの「NG-PON2+」、5G基地局向けバックボーン向け最大100Gbpsの「100G-EPON」、2020年に標準化完了【番外編】XG-PONを採用する「NURO 光 10G」インタビュー#series-contents .current-page { font-weight: bold; } 大原 雄介 フリーのテクニカルライター。CPUやメモリ、チップセットから通信関係、OS、データベース、医療関係まで得意分野は多岐に渡る。ホームページはhttp://www.yusuke-ohara.com/ ▲ 50Gbpsに対応する5つの規格「50GBASE-KR/CR/SR/FR/LR」 25Gbps×8の「200GBASE-R」で「CFP8」「QSFP-DD」「OSFP」「CDFP」のモジュール規格が乱立 関連リンク P802.3cd Task Force 100GBase-DR2: A Baseline Proposal for the 100G 500m Two Lane Objective Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM-4 500m IEEE 802.3cd-2018 Ethernet Allianceの2019年ロードマップ CFP MSA SFP-DD MSA SNIA QSFP-DD MSA OSFP MSA CDFP MSA Consortium for On-Board Optics 関連記事 連載 連載 連載 
投稿者 Akibano |