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で標準化された光ファイバーを用いる10G Ethernetは、前回紹介した6つのほかにも「10GBASE-LRM」と「10GBASE-PR」がある。
「10GBASE-LR」から派生、既存ケーブルを流用できる「10GBASE-LRM」
10GBASE-LRMは、結果的に言えば「10GBASE-LR」の派生型であるが、10GBASE-LRとの最大の違いはマルチモードファイバーを使う点だ。最終的には「IEEE 802.3aq-2006」として標準化されたが、そもそも2004年に立ち上がった「802.3aq Study Group」の目的は、以下のように「10GBASE-R」を使いながら、FDDIなどで使われていた50μm/62.5μmのマルチモード光ファイバーを利用できるようにしたい、というものだった。
ここにあるように「既に500MHz・kmの光ファイバーが敷設されており、これを利用して何とか10Gbpsを通したい」というのが最大の動機と思える。出典は\”10Gb/s on FDDI-grade MMF Cable Objectives\”
光ファイバーを再敷設するには、場合によっては建物自体を解体するか、既存の配線路を放棄して建物の外壁を沿うように敷き直し、壁に穴をあけて屋内に取り込むかのいずれかを選ばなければならないような状況もしばしばあり、時として猛烈なコストが掛かってしまう。
このため敷設したファイバーを何とか再利用したいというのは分からなくもない。ただ、10GBASE-Rの場合、OM1～OM2で33～400m（10GBASE-SR）、OS2で10km（10GBASE-LR）となっている。それぞれの光ファイバーの特性については第4回の『実効1Gbpsに到達、「1000BASE-SX/1000BASE-LX/1000BASE-CX」が1998年に策定で紹介した通りだ。
上のスライドで示されている、50km・MHzのマルチモードファイバーに10Gbpsを通す場合、到達距離は本来なら50mくらいまでが限界になる。実際、同じ500MHz・kmの容量を持つOM2を利用する場合、「10GBASE-SR」の到達距離は最大82mでしかない。これを最低でも220mに伸ばしたいというのだから、なかなか難しい。
10GBASE-LRMでは最終的には1300nm（仕様上は1260～1355nm）の光源を用いることで、最大220mの到達距離という目標を達成している。もっとも、光源を1300nmにすれば達成可能との検証（シミュレーションにより、さまざまなシナリオを相当数繰り返す）は、2004～2005年にかけて延々と行われていて、簡単に実現できたわけではなく、最終的には以下のようなかたちとなった。
50μmで400/400（850nmと1300nmでどちらも400MHz・km）という光ファイバーの規格もあったようだ。出典は「IEEE 802.3-2018」のTable 68-2
50μmで400/400という規格については、既に敷設されたファイバーをなるべく生かすとの観点から、こうしたものも必要になったようだ。これが「10GBASE-SRM」ではなく10GBASE-LRMと命名されたのは、1300nmの光源を使う（10GBASE-SRは850nm光源）ためだろう。到達距離の観点から見れば、明らかにSRの範囲に収まっているからだ。
この10GBASE-LRMは、現在も現行仕様として利用されている。市場はより高速な100G Ethernetへとシフトしつつあるが、もともと10GBASE-LRMの目的が、既存の「FDDI」などのケーブルの延命であり、100Gbpsはさすがに無理と理解されたのかどうか、今のところこれを100Gbps化するという話は出ていない模様だ。
「10GBASE-PR」はフレッツ光やauひかりの10Gbps回線で用いられる「10G-EPON」そのもの
もう一方の「10GBASE-PR」は、第5回の『アクセス回線が10Gbpsに到達した「10G-EPON」、「IEEE 802.3av」として標準化』でも説明した「10G-EPON」のことだ。
こちらは2009年9月、「IEEE 803.3av-2009」として標準化が完了し、現在まさに広く使われるようになり始めている。2018年には「auひかり ホーム 10ギガ」で採用され、2020年4月からサービスを開始した「フレッツ 光クロス」でも採用されている。
世界的に見ても、まだ10GbpsのFTTHが提供されている国はそう多くない。逆に言えば今後、世界各国でラスト1マイルの回線が次第に高速化へ向かう（皮肉ではあるが、各国でロックダウンが行われたことも、この後押しとなるだろう）ことを考えると、10GBASE-PRはこれから本格的に普及が進み、おそらく2030年台を迎えても、まだ利用されているものと思われる。
なお、昨今の「IEEE P802.3ca TG」のドキュメントを読んでいると、10G-EPONは2025年あたりまで使われ、その後100G-EPONへシフトするといった議論になっている。だが、個人的には100G-EPONの登場はもう少し後になるのではと考えている。あるいは、1G-EPONから10G-EPONをスキップして100G-EPONへ直接移行する場合もあるかもしれない。
「10GBASE-X」の物理層との接続に使われる「XGMII」
ところで、「10GBASE-X」の話をもう少し続けよう。10Gbit Ethernet全体の構造は以下の図のようになっている。RS層までは規格によらず全て共通で、物理層のみが違う格好となっているわけだが、その物理層との接続は、10Gの「MII」ということで「XGMII」と名付けられている。
ここでいう10GBASE-Xは、10GBASE-CX4/KX4/LX4の3つを指している。出典は3comのDavid Law氏の\”Overview of 10G Ethernet Family\”
ただ、XGMII以外にもインターフェースがあり、それが「XAUI」である。以下のスライドからも分かるように、XGMIIは156.25MHzのクロック信号で、データは倍速（DDR）の312.5Mbpsが、32レーン構成で送受信される。312.5×32=10000で、ちょうど10Gbpsになる計算だ。
XAUIはあくまでオプション扱いとなる
ただし、送受信だけで64本の信号線（ほかに制御線4本とクロック）が必要だから、かなり大規模なインターフェースと言える。1枚の基板上でMACとPHYを繋ぐだけであれば、これでも困らないだろうが、前々回で紹介したようなSFPタイプのモジュールの接続には、あまりに信号線の数が多すぎる。
一応言い訳を書いておけば、まだ2000年当時には、高速信号のハンドリングに関する知見がそれほど溜まっていなかった。もっと正確に言えば、技術的にはもちろん10Gbpsの信号を扱えるものの、まだかなり高価だったわけだ。その2000年といえば、ちょうどIntelやAMD製CPUの動作周波数が1GHzを超えたころのことだ。
もちろん、CPUの内部では信号が1GHz以上の速度で転送されているが、外部インターフェースであるFSB（Front Side Bus）の速度は、まだ100MHzあるいは133MHzが最高速で、I/Oだって33MHzのPCIが全盛だったころだ。
そののちの2003年に登場したPCI Express 1.0の信号速度は2.5GT/secだったが、当初はこの信号の取り回しにもずいぶん苦労した。幸い（？）だったのは、IntelがRambusからライセンスを取得した「DRDRAM（Direct RAMBUS DRAM）」を1999年あたりからメインメモリに採用し始めていたが、DRDRAMの信号速度は600MHz（PC600）ないし800MHz（PC800）と、それまで使われてきたSDRAMに比べてかなり高速であり、当初はこれを扱うために6層基板が必要とされた。
ただ、基板材料の改善や、製造技術の発達（よりバラつきの少ない基板配線の製造など）により、2000年台後半には通常の4層基板でも1GHz程度の信号を扱えるようになった。そして3GHzの信号でも、以前より低価格で扱えるようになった。
ビジネス的には大失敗だったDRDRAMだが、結果的には基板設計や製造技術の底上げがこの時期に実現されたきっかけとなり、ネットワーク向け製品の製造にも貢献した。
ただ、2000年の時点では、こうした動きはまだ予見できなかった。ASICそのものは500MHzや1GHzでの動作が不可能ではなかったが、外部の配線の信号速度までをそこまで高くするのはかなり勇気が必要で、どうしても低く抑えざるを得なかった。
それでも、156.25Mbps×64本は、流石に信号線が多すぎた（双方向だと128本にもなるため）。このあたりを勘案してぎりぎりのバランスを取ったのが、312.5Mbps×32本という構成だったのだろうと思われる。
ただ、10GBASE-Xの場合は、4本の配線でトータル10Gbpsを実現するから、これを4対の信号に分解する必要があった。そこで2.5Gbpsの信号速度に8b10bエンコードを組み合わせて、3.125Gbps×4としたのが、XAUIとなるわけだ。
先のスライドでは、XGMIIから直接8b10bエンコードが出力されているように見えるが、実際はRSの下にXGXSという変換層が入り、ここが8B10Bエンコードを行っているかたちだ。ただ、上にも書いた通り、これでSFPタイプのモジュールを接続するときに、XGMIIはそもそも論外で、XAUIでも少し本数が多いと判断された。そこで利用された非公式のインターフェースで、次回に詳しく解説する「XFI」となる。 「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/
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1波長で10Gbps、光源と到達距離の異なる「10GBASE-W/R」の各規格
XENPAK→X2→XFP→SFP+と移った10GBASEのトランシーバーモジュール規格
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関連リンク IEEE 802.3aq-2006 IEEE 802.3-2018 10Gb/s on FDDI-grade MMF Cable Objectives IEEE P802.3av 10GEPON Task Force Overview of 10G Ethernet Family
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