100ギガビット・イーサネット

100ギガビット・[イーサネット]とは

100ギガビット・イーサネット（100GbE）は、100Gbpsのデータ通信速度を誇るイーサネット規格の総称です。この高速規格は、データセンターや大規模ネットワークにおいて、膨大なデータを迅速に伝送する上で不可欠な技術となっています。100GbEの開発過程では、25Gbps、40Gbps、50Gbpsといった異なる速度のプロトコルも並行して策定され、これらの規格も100GbEの進化に大きく貢献しました。

歴史

100GbEの標準化は、IEEE 802.3ワーキンググループを中心に、業界団体との連携によって進められました。

2006年: 高速イーサネットに関するスタディグループが発足。
2007年: 「Road to 100G Alliance」が結成され、技術提案を開始。
2007年12月: 40Gbpsと100Gbpsの2つの速度を対象としたプロジェクトが始動。これは、LAN用途の40GbpsとWAN用途の100Gbpsという異なるニーズに対応するためのものでした。
2010年6月: IEEE 802.3baが承認され、40GBASE-SR4/LR4、100GBASE-SR10/CR10、100GBASE-LR4/ER4といった規格が規定されました。
2011年3月: 802.3bgが承認され、40GBASE-FRが規定され、2kmのシングルモードファイバーでの通信が可能に。
2014年6月: 802.3bjが承認され、100GBASE-KR4/KP4/CR4などの基板配線やTwinaxケーブル通信、さらに25Gbpsバス動作のPHY、および省電力[イーサネット]が規定。
2015年2月: 802.3bmが承認され、100GBASE-SR4や40GBASE-ER4などの光ファイバー通信の補完がなされ、光ファイバーでのEEEも規定。
2014年7月: 25G Ethernet Consortiumが発足し、25G/50Gイーサネットの開発を推進。このコンソーシアムの活動が、後の規格策定に大きな影響を与えました。

その後も、技術の進歩に合わせて新たな規格が次々と策定されています。特に、25Gbpsベースの通信技術を基盤とするアプローチが主流となり、1レーンあたり100Gbpsの動作を前提としたPHY仕様が開発されました。

近年の規格策定

2016年6月: 802.3bqで25G/40GBASE-Tによるツイストペアケーブル通信が、802.3byで25GbpsのMMF/銅線による短距離通信が承認。
2017年12月: 802.3ccで25Gbpsの光ファイバー長距離通信(25GBASE-LR/ER)が承認。
2018年12月: 802.3cdで50Gbpsベースの各種通信(50GBASE-SR/FR/LR/ER/CR)や、1レーンで倍速動作する100GBASE-DRが承認。
2019年11月: 802.3cnで長距離SMF通信(50GBASE-ER)が承認。
2021年2月: 802.3cuで1レーンの中距離SMF通信(100GBASE-FR1/LR1)が承認。
2021年6月: 802.3ctで位相偏移変調を用いた長距離SMF通信(100GBASE-ZR)が承認。
2022年9月: 802.3ckで1レーンの短距離銅線通信(100GBASE-CR1/KR1)が、802.3dbで1レーンの短距離MMF通信(100GBASE-VR1/SR1)が承認。

物理層の実装

符号化

100GbEでは、複数の低速レーンを並列化して100Gbpsを実現する方式が採用されています。以下に、各世代の符号化方式を説明します。

第1世代: 10Gbpsベースの符号化方式(NRZ)。10Gbpsのレーンを4または10本束ねて40GbE/100GbEを実現します。初期の規格で、長距離伝送に適していますが、ケーブル本数が多くなるためコストが高いという課題がありました。
第2世代: 25Gbpsベースの符号化方式(NRZ)。25Gbpsのレーンを4本束ねて100GbEを実現します。WDM(波長分割多重)と併用して長距離伝送を可能にしています。
第2世代(改): 25Gbpsベースの符号化方式に、[前方誤り訂正]を適用。マルチモードファイバーでのエラーを抑制し、100GBASE-SR4で採用。
第3世代: 50Gbpsベースの符号化方式(PAM4)。2つのレーンを束ねて100GbEを実現。PAM4(パルス振幅変調)により、レーンあたりのデータレートを2倍に向上。
第4世代: 100Gbpsベースの符号化方式(PAM4)。1つのレーンで100GbEを実現。半導体技術の進化により実現し、200GbE/400GbE/800GbEなどのより高速な規格にも採用。

トランシーバ

100GbEの物理層実装には、PMA/PMD副層の機能を持つトランシーバモジュールが不可欠です。これらのモジュールはMSA(マルチソースアグリーメント)に準拠しており、複数の物理層媒体をサポートするために、必要に応じて交換できます。

QSFP28: 主に光ファイバー接続で使用。
CFP/CFP2/CFP4: 長距離伝送や高密度実装に使用。
CXP: 12レーンを束ねて使用するインターフェース。

規格一覧

光ファイバーケーブル

光ファイバーケーブルでは、マルチモードファイバー(OM3/OM4)が短距離通信に、シングルモードファイバー(OS1/OS2)が長距離通信に用いられます。規格名称は、距離が長くなるにつれて、-VR、-SR、-DR、-FR、-LR、-ER、-ZRのように変化し、レーン数を示す数字が末尾に付加されます。

ダイレクトアタッチケーブル

Twinaxケーブルは、データセンター内のサーバー間接続などの短距離接続に使用されます。この接続は、コスト効率が高く、取り扱いが容易です。

バックプレーンイーサネット

基板上の配線を利用して100GbEを実現する規格も存在します。1メートルの基板配線で高速通信が可能です。

チップ間インタフェース

100GbEでは、PMD、PMA、PCSの各PHY副層間接続に、nPPI、nAUI、nGMIIの3系統のインタフェースが規定されています。

nPPI: PMD-PMA間の接続。
nAUI: PMAの延伸に使用。
nGMII: PCS-RS間の接続。

ツイストペアケーブル

ツイストペアケーブルでは、25Gbps/40Gbpsの通信が規定されています。カテゴリ8ケーブルで最長30メートルの接続が可能で、オートネゴシエーションにも対応しています。この方式では、複雑な符号化とエラー訂正技術が使用されています。

まとめ

100ギガビット・イーサネットは、現代の高速ネットワークインフラを支える重要な技術です。その進化は、データセンターやクラウドコンピューティングなどの分野に大きな影響を与えており、今後も更なる高速化と効率化が期待されます。

出典

IEEE 802.3 （英語）
IEEE P802.3ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force （英語）
IEEE P802.3bm 40 Gb/s and 100 Gb/s Fiber Optic Task Force （英語）
Ethernet Alliance （英語）

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