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 802.3u-1995」として定義された「100BASE-TX」「100BASE-FX」
前回は光ファイバーの話で終始したが、再び光Ethernetに戻そう。10Mbpsの普及に伴い、より高速なネットワークへの要望が高まるのは、当然のことだろう。
IEEEは1992年11月、「HSSG（High Speed Study Group）」という名称で、まず100Mbps Ethernetの検討を開始。翌1993年9月に、これはIEEE P802.3u 100Mb/s Ethernet Task Forceへと昇格し、1994年5月にDraft 1.0が完成した。
ここからTask Force Review、Working Group ballot、Sponsor ballotを経て、1995年6月に「IEEE 802.3u-1995」として標準化が完了した。ここで定義されたのが、以下の2種類である。 100BASE-TX（CAT5ケーブルを利用し、4対のツイストペア全部を利用する通信方式）100BASE-FX（光ファイバー2本と波長1310nmの光源を組み合わせ、100Mbpsの双方向通信を行う。最長到達距離は2km）
もっとも、IEEE 802.3uが決まるまでも一筋縄ではいかなかった。Study Groupの時点で存在した競合規格は、FDDI/FDDI II/FiberChannel/HIPPI/TCNS/ISO-Ethernetなどさまざまあったが、いずれも難ありということで候補から落ちていった。だが、Task Forceでやや揉めたのが、「100VG-AnyLAN」を推す声があったことだ。これは当時、HPとAT&Tの半導体部門が共同で策定したもので、以下のような特徴があった。 Demand Priorityベースの送信制御CDMA/CDではなくToken Passing方式の排他制御配線そのものはCAT3で利用できる（ただし4対の信号線が必要なので、1,2pinと3,6pinのみ配線されている2対の10BASE-T用ケーブルは使えない）
ただ、そもそもCDMA/CDではない時点でEthernetなのか？という議論もあり、最終的にTask Forceでは100VG-AnyLAN推進派に対し、これをFast Ethernetではなく、別の規格として標準化を進めるように勧告。これを受け、最終的に「IEEE 802.12-1995」として標準化されたが、Statusが“Inactive-Withdrawn”となっていることからも分かるように、普及には程遠い状況で終わってしまっている。
1310nmのレーザー光源で全二重のリングを構成する「100BASE-FX」
「100BASE-FX」の方は、これに比べてまだ順調だったと言える。競合にあたる規格はほとんどなく、10BASE-Fの延長というかたちで仕様策定が完了している。
ただ、レーザー光源は850nmから1310nmに切り替わった。この理由としては、当時の半導体レーザーでは、850nmだと100Mbpsの速度を出すのが難しかった（レーザーの送信側は間に合ったらしいが、受信側が結構大変だったという話を聞いたことがある）。
一方、先ほどもちらっと出てきたFDDIでは、既に100Mbpsの速度を1310nmのレーザー光源で実現していた。これをそのまま転用すれば確実に実現できる、という目途が立ったことが、採用の大きな理由だったそうだ。
ちなみにFDDIというのはFiber Distributed Data Interfaceの略で、ANSIのX3-T9が標準化を主導した。構成としては、トークンリングと同じリングバスの形式で、以下の図のように、全二重を実現するために信号の向きを逆転させたファイバー同士でリングを構成する。
ちなみにFDDIと言いつつ、実際には同軸ケーブルでの構成も可能で、その場合は厳密にはCDDI（Cable Distributed Data Interface）という名称であるが、現場ではFDDIで通っていた。
850nmのレーザー光源とマルチモードファイバーを組み合わせた「100BASE-SX」
ただし、ここからいろいろと問題が出てくる。FDDIはそもそもホスト向けというか、バックボーンのサーバー同士の接続に用いることが多かったので、ある意味コストは多少高くても問題なかった。しかし、100BASE-FXが普及を始めるにつれ、「そうは言っても高い」という声が次第に出始めた。大まかに言って、当時の1310nm関連機器は、850nm機器と比較して2倍（レーザー光源も受光素子に加えて、ファイバーもシングルモードだと当然高くなる）という話であった。
また、シングルモードファイバーは、到達距離は2kmほどで長距離接続には向いているが、逆にもっと短距離でいい場合にはむしろ不向きだ。そこで登場したのが、850nmのレーザー光源とマルチモードファイバーを組み合わせた「100BASE-SX」だ。
ただ、不幸だったのは、この短距離向け100Mbpsの規格策定がIEEEではなくTIA（Telecommunication Industries Association：米通信工業会）で行われたことだ。最終的に850nmの光源とマルチモード光ファイバーを組み合わせた100Mbpsの規格が「ANSI/TIA/EIA-785-2001」として2000年に標準化される。
実は規格として10BASE-FXへの後方互換性も維持されており、到達距離は最大で550m（300mという数値もあって条件が異なるようだ）を確保。ただ、安価な部品を採用できる分、コストは100BASE-FXの半分とは言わないまでも、それなり安くなる見込みだった。
本来ならこちらが先に出るべきだったのでは？という気もしなくはないのだが、IEEE 802.3には取り込まれることがなかった。それもあって結局広く普及したとは言い難く、現在では既に使われなくなっている。
「IEEE 802.3ah」として標準化された100BASE-LX10/BX10、ベンダー独自規格も……
この頃のIEEEにとっては、短距離向けの規格はあまり眼中になかった。というのは短距離はそれこそ100BASE-TXを使えばいいという立場で、むしろもっと長距離の伝送が可能な方法を模索していた。これが2004年に「IEEE 802.3ah」として標準化された、100BASE-LX10と100BASE-BX10である。
どちらも最長10kmの到達距離を実現するためのものだが、大きな違いは100BASE-LX10が送信と受信で2本の光ファイバーで1対になっているのに対し、100BASE-BX10では送信1310nm、受信1550nmというように利用する波長を変更し、以下の図2のように1本の光ファイバーで送受信とも可能にする仕組みだ。2種類の波長の光は、それぞれの波長を通す（それ以外は反射する）ハーフミラーを使って分解するかたちとなる。
この方式でも、特に長距離になればケーブル代も馬鹿にならない。ケーブル代自体はざっくり半分になる一方で、新たにハーフミラーが必要になることや、この当時は1310nmと比べてもさらに高価な1550nm対応の部品を必要とするといった欠点もあり、コスト面でどちらが有利かと言われると。ちょっと判断が難しいところがある。
さて、これ以外にも、「100BASE-LFX」や「100BASE-EX」、「1000BASE-ZX」といった規格も存在した。ただ、これらは100BASE-XXXの名前が付いてはいるものの、実際はIEEEもTIAも無関係な、ベンダーの独自規格である。
100BASE-LFXは、OM1（コア径62.5μm／クラッド径125μmで、850nmの波長で200MHz・kmの伝達特性）ないしOM2（コア50μm／クラッド径125μmで、850nmの波長で500MHz・kmの伝達特性）の光ファイバーで最長2kmであるが、これを4kmまで広げたものである。
一方、100BASE-EXは1310nmの光源とシングルモードファイバーで最長40km、100BASE-ZXは光源を1550nmに切り替えて、最長80kmまでの到達を実現するというものだ。どのみちこれらは、それこそデータセンター間の接続といった用途に向けたもので、配線の両側に同じベンダーの機器が入ることは珍しくない。
そうなると、ベンダー独自であってもそのベンダーがサポートする限り問題はないという考え方は確かにあり、多少リスクがあっても（40kmなり80kmなりで届かない場合、間にリピーターを挟む必要があるが、この電源をどう取るかといった問題を含め、当然リピーターの数が少ないほど）安く済むことになる。
リスクというのは、ベンダーを変更する必要が出たときに、配線のやり直しになる可能性が捨てられないところだ。こうした問題もあり、あまり広く使われたとは言い難い。 「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/
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屈折率で伝送距離が異なる「光ファイバー」の材質と構造
実効1Gbpsに到達、「1000BASE-SX/1000BASE-LX/1000BASE-CX」が1998年に策定
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関連リンク IEEE 802.12-1995 ANSI/TIA/EIA-785-2001
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