連載
» 2003年02月28日 00時00分 公開

進化するイーサネット(1):「ネットワーキング」から「データリンク提供」へ

「進化するイーサネット」は、WAN(Wide Area Network)やSAN(Storage Area Network)に進出し始めたイーサネットについて、その本質と進化を紹介する全3回の連載です。 第1回は「イーサネット進化の背景」として、同軸ケーブルを用いて半2重通信するローカルエリアネットワークを起源とするイーサネットが、UTPや光ファイバケーブルを用いて全2重通信するリンク技術として高速化してきた背景を見ていきます。パケットを運ぶイーサネット物理層の根本を解説します。

[石田修,NTT未来ねっと研究所]

イーサネットを知ろう

 現代は、情報の大半がパケットデータとして運ばれる時代になりました。これらのパケットを端末から端末まで運ぶのが、レイヤ3(ネットワーク層)の機能です。機器ごとにIPアドレスを設定し、そのIPアドレスを目指してルータがパケットをルーティングしていく——これがIPネットワークの基本です。

 そのためには、端末からルータへ、あるいはルータからルータへ「パケットを確実に運ぶ」仕組みが必要になります。具体的には、パケットを、ヘッダとトレイラを付けた「フレーム」として光ファイバなどの伝送媒体に送出します。「媒体(メディア)へのフレーム送出(アクセス)をコントロールする」仕組みなので「媒体アクセス制御(MAC)」と呼ばれています。MACとはMedia Access Controlの頭文字で、この仕組みが使うフレームのことを、MACフレームと呼びます。さらにこのMACフレームを媒体に送出するときには、媒体に適した信号波形に変換するレイヤ1(物理層)の機能も必要です(図1)。

図1 IEEE標準802.3(イーサネット) 図1 IEEE標準802.3(イーサネット)

 この「レイヤ2」および「レイヤ1」の機能を実現するのがイーサネットです。現在はアメリカの学会組織IEEEが仕様を定めていて、IEEE標準802.3とも呼ばれています。このIEEE標準802.3は頻繁に改定されており、最新の物理層技術を次々と取り込んで、100Mbps(1995年)、1Gbps(1998年)、10Gbps(2002年)の物理層仕様が追加されてきました(図2)。

図2 IEEE標準802.3(イーサネット)「CSMA/CDアクセス法と物理層仕様」 図2 IEEE標準802.3(イーサネット)「CSMA/CDアクセス法と物理層仕様」

 利用できる伝送媒体も、同軸ケーブル、UTPケーブル、光ファイバなど、多岐にわたっています(詳細は後述)。しかしその一方で、MACフレームの形式は20年前から変わっていません(図3)。従って、現在のIEEE標準802.3の役割は「所定のMACフレーム形式でパケットを運ぶための物理層技術を規定すること」に尽きるといっても過言ではありません。

図3 IEEE標準802.3(イーサネット)の役割 図3 IEEE標準802.3(イーサネット)の役割

 なお、IEEE標準802.3(イーサネット)の歴史の中で、一度だけMACフレームに変更が加えられたことがあります。仮想LANのためにオプション挿入されるVLANタグ(4byte長)です。これ以外の変更は標準化されていません。ジャンボ・フレーム(〜9kbit)や多重VLANタグなどは、少なくとも現時点ではベンダによる独自規格です。

 以下、この古くて新しいIEEE標準802.3(イーサネット)が、その役割を「ネットワーキング」から「データリンク提供」に変化させてきた様子を振り返ってみます。

イーサネットの起源はローカルエリア「ネットワーク」
CSMA/CDプロトコル(LAN)

 1973年に発明されたイーサネットは、複数の端末が1芯の同軸ケーブルを伝送媒体として共有する、ローカルエリア「ネットワーク」でした(図4)。これは、10BASE5ないし10BASE2と呼ばれる規格です。かつて宇宙空間に存在すると信じられていた「光を伝える物質」エーテル(Ether:英語ではイーサと発音)にちなんで、「ケーブル上でパケットを伝播させるネットワーク」(イーサネット)と命名されました。複数の端末がネットワークにパケットを送出し、ネットワーク内でパケットが交換されて、指定されたあて先の端末にパケットが届く仕組みです。

図4 イーサネットの起源はEther(エーテル)+Net(ネットワーク) 図4 イーサネットの起源はEther(エーテル)+Net(ネットワーク)

 当時のイーサネットは、このパケット交換を、各端末のCSMA/CDプロトコルで分散的に実現していました。各端末は、MACフレームのヘッダにあて先および送信元のMACアドレスを書き込んでブロードキャストする一方で、自分あてのフレームだけを選択的に受信します。なお、MACアドレス(48bit)はIPアドレスとは異なり、各端末のNIC(ネットワークインタフェースカード)製造時に固定的に割り振られます。IEEEがアドレス体系を管理していて、製造ベンダごとに重複しないように割り当てるので、全世界の端末機器には、グローバルな固定アドレスが割り当てられていることになります。

 CSMA/CDプロトコルの原理は単純です。各端末は、(1)同軸芯線上の電気信号をモニタして(2)空いていることを確認(キャリア・センス)してから、(3)フレーム送出を開始します。運悪くほかの端末も同時に送信し始めると電気信号の衝突(コリジョン)により芯線上の波形が崩れます。(4)これを検出(ディテクション)したら、(5)フレーム送出を直ちに停止し、ランダム時間だけ待ってから再送出します。端末ごとの待機時間をランダムにして、統計的に再衝突する確率を極めて低く抑えています。簡単(シンプル)で確実(ロバスト)な分散処理プロトコルですが、ネットワークが混んでくると、衝突が頻発してスループットが低下してしまう欠点があります。

 また、当時のイーサネットは、送信と受信を同時には行わない半2重通信でした。同軸ケーブルには中心導体と外部被覆導体による1対の信号線しかありませんし、そもそもCSMA/CDプロトコルでは、自分がフレームを送出している間はほかの端末が送信できません。なお、CSMA/CDではフレーム送出が終わる前に衝突を検出する必要があるので、CSMA/CDプロトコルを使う場合には、ネットワーク半径(距離)に制約がありました。

ブリッジの登場でイーサネットの役割が変化
ネットワーク(10BASE5)から全2重リンク(10BASE-T)へ

 同軸ケーブルでバス配線する10BASE5(図5a)が進化して、1990年にはUTPケーブルでスター配線する10BASE-Tが標準に追加されました(図5b)。UTPはUnshielded Twisted Pairの頭文字で、芯線2本をより合わせた対(ツイストペア)を2〜4対束ねてケーブル化したものです。網状の金属で周囲を覆わない(Unshielded)でケーブル化しており、電磁シールド効果を犠牲にしてコストを抑えました。8極8芯のモジュラー・ジャック付きネットワークケーブルとして、パソコン接続用に広く普及しているケーブルです。

図5 IEEE標準802.3(イーサネット)の役割変化 図5 IEEE標準802.3(イーサネット)の役割変化

 物理的にはスター配線ながら、当時は、CSMA/CDプロトコルを利用していました。各端末が送出したフレームを、リピータハブがすべての端末あてにコピーしてブロードキャストするので、やはりMACフレームの送信と受信を同時には行えません。ただしUTPケーブル内では、送信用と受信用には物理的に異なるツイストペアを使う仕様になっています。

 こうしたブロードキャストLAN同士を「橋渡し」するのがブリッジ機能(IEEE 802.1D)です(図6a)。IEEE標準では、これを802.3とは別の802.1D(MACのブリッジ機能)として定義しています。それぞれのLAN内でブロードキャストされるMACフレームのヘッダアドレス(送信元アドレス)を読み自動的にリストアップして記憶しておき、必要なフレームだけを他方のLANに「橋渡し」します。ちなみにこの802.1D規格は、802.3イーサネットに限らず802.11無線LANとのブリッジにも同じように適用されます。

図6a イーサネットブリッジ 図6a イーサネットブリッジ 

編集部(注):「ブローキャストLAN」の補足説明

 「ブロードキャストLAN」とは、ここでは「ブロードキャスト型のLAN」という意味で使っています。IEEE802.3イーサネットでは「コリジョン・ドメイン」と同義です。

 IEEE802.1Dブリッジは、IEEE802.3イーサネットのみならず、IEEE802.11無線LANなどとの「橋渡し」にも利用されます。しかし、IEEE802.11無線LAN規格では「コリジョン・ドメイン」という用語はないので、ここでは汎用的な「ブロードキャスト型のLAN」という表現を用いています。


図6b イーサネットスイッチ 図6b イーサネットスイッチ

 その後、1990年代前半に、ハブのポートごとにブリッジ機能を持つ「マルチポートブリッジ」が開発されて、イーサネットの役割は大きく変化します(図5c)。「マルチポートブリッジ」というのは規格用語で、実際には、レイヤ2スイッチもしくはスイッチング・ハブと呼ばれています。ブロードキャストLANをたった1台の端末が専有するので、媒体アクセス制御(CSMA/CDプロトコル)が要りません。

 もともとUTPケーブルでは、物理的には送信と受信は異なるツイストペアを使っていたので、MACフレームの送信と受信を同時に行う「全2重通信」が可能になりました(図6b)。1997年にはCSMA/CDプロトコルを使わない「全2重通信」動作モードが正式にIEEE標準802.3に追加されました。

 こうして,IEEE標準802.3(イーサネット)の役割は、CSMA/CDプロトコルによる「ネットワーク」(パケット交換)から、全2重通信による「リンクの提供」に変化しました。CSMA/CDプロトコルを使わない全2重通信では、リンク距離は物理的な性能で制限されるだけです。

進化する伝送媒体——同軸、UTP、そして光ファイバへ

 全2重通信の登場で、イーサネットの高速化が急激に進みました。1995年には100Mbps(ファスト・イーサネット)、1998年には1Gbps(ギガビット・イーサネット)の物理層が、IEEE標準802.3に追加されています(図7)。それぞれ、すでに実績のあったFDDIおよびファイバチャネルの物理層技術を、イーサネットのMACフレームを運ぶために流用した規格です(UTPケーブルの1000BASE-Tは例外で、既存技術がありませんでした)。

図7 イーサネット規格 図7 イーサネット規格

 ファスト・イーサネット100BASE-TX(1995年)では、性能の良い「カテゴリ5」(CAT5)のUTPケーブルを使うことになりました。これは、ツイストペア2対を使用します。既存の「カテゴリ3」(CAT3)配線でも使えるように、ツイストペア4対を使う100BASE-T4やデジタル信号処理に工夫を凝らして2対で実現する100BASE-T2も標準化しましたが、結局、普及しませんでした。なお、最新の1000BASE-Tでは、ツイストペア4対のUTPケーブルが必須です。利用するときには、モジュラー・ジャックを見て、8極すべてにカラーコードがつながっていることを確認しましょう。

 次のギガビット・イーサネット(1998年)は、イーサネットLANに光ファイバを導入する契機となりました。新規に開発したUTPケーブル用規格1000BASE-Tの標準化(1999年)に時間がかかり、光ファイバ用の規格1000BASE-X製品が市場で先行したからです。石英ガラス製のコア部分は髪の毛くらいの太さです。点減する半導体レーザの光が、その極細のコア部分を伝わります。2本のファイバ(ファイバペア)を使い、それぞれを送信および受信専用に利用するので、全2重通信ができます(図8)。

図8 イーサネット規格の3つのタイプ 図8 イーサネット規格の3つのタイプ

「パケット」を運ぶイーサネット物理層の定義

 IEEE標準802.3では、イーサネット物理層を、次のように3つの副層に分けて定義します(図9)。

図9 イーサネットの物理層(100BASE-TX の場合) 図9 イーサネットの物理層(100BASE-TX の場合)

 PCS(Physical Coding Sublayer:物理符号化副層)では、パケットにヘッダとトレイラを付けたMACフレームを、ブロック符号化により「性質の良い」ビットパターンに直します。例えば100BASE-TXは、4bitの2値(Binary)信号を、5bit長のパターンに置換する4B/5B符号を利用します(BはBinaryの意味)。さらに、特殊な5bitパターンでフレーム先頭や終端の目印を付け、次のフレームを送信するまでの空隙(IFG:インターフレームギャップ)をアイドルパターンで埋め尽くします。なお、イーサネットには、後続するフレームがあっても、必ず最低12byte相当のIFGを設けて送出しなければいけない「決まり」があります。リピータハブなどでは、機器ごとの微妙なクロック差(±100ppm)を調整するためにこのIFGアイドルを利用します。

 PMA(Physical Media Attachment:物理媒体接続部)では、いままで並列処理されてきたビットパターンをシリアルビットストリームに変換します。受信側には、シリアルビットストリームからパターンの区切りを見つけ出す機能も含まれています(符号同期)。

 PMD(Physical Media Dependent:物理媒体依存部)では、シリアルビットストリームを、UTPや光ファイバなどの伝送媒体に適した信号に変換します。例えば、100BASE-TXでは、2値信号をMLT-3と呼ぶ方式で3値信号に変換してから、ツイストペアを構成する2導体の電位差の時間変化に直して送出します。一方、光ファイバを使う100BASE-FXの場合は、2値の電気信号を光の点減に変換してから送出することになります。

修正履歴 

図6a「ブロードキャスト・ドメインを分割」を、本文で使用している表現に沿った「ブローキャストLAN」を分割」に変更しました。 (2003/03/04)


【参考文献】
「10ギガビットEthernet教科書」IDGジャパン(著者と日立電線 瀬戸康一郎氏の共同監修)


ここまでで、イーサネット物理層の高速化の足跡と、物理層の基本構成がご理解いただけましたでしょうか?

第2回は、個々のイーサネット物理層に焦点を当ててその特徴を紹介します。



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