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新人SEの学習記録

14年度入社SEの学習記録用に始めたブログです。気づけば社会人3年目に突入。

学習記録:イーサネット&TCP/IP

[学習記録] イーサネット&TCP/IP

第6章 より高速なイーサネット

100Mイーサネット
  • 90年代中頃には10Mイーサネットでは速度不足となり、100Mイーサネットが登場
    • すでに大半がUTPケーブルを使う10Base-Tだったため、同等の環境で稼働することが求められた
    • 100Mイーサネットの規格にはUTPケーブルを使う100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-T2, 光ファイバを使う100Base-FXがある
    • 共有同軸ケーブルを使うバス型接続の方式はなく、すべてスター型
    • 100Base-TX/T4/T2は、UTPケーブルのカテゴリと使用するツイストペアケーブルの数が異なる
    • 普及したのはカテゴリ5ケーブルを使う100Base-TX。以降ではこれのみ解説
  • タイミング仕様の違い
    • フレームのやり取りの仕組みは10Baseイーサネットと同様だが、通信速度の向上によりいくつかのパラメータが変更
    • フレームの送信完了から別のフレームを送信するまでに空けなければならないフレーム間隔時間は1/10の0.96マイクロ秒に
    • 適切に衝突を検知するため、フレームを送信し続けなければならない時間=512ビット分の時間も1/10の5.12マイクロ秒に
    • 1/10の時間で衝突を検知しなければならないため、リピーターによる延長距離が大幅に短くなっており、スイッチを使うのが普通
  • 100Base-TXの伝送方式
    • 速度向上に伴い、符号化の方式も変更されている
    • 10Baseのマンチェスタ符号化では、1bitのデータを2bitの状態変化で表していた(1B/2B符号化)
    • 4B/5B符号化、伝送データを4bit単位のグループに分割し、4bitの組み合わせ16種類を5bitで表現されるシンボルに符号化
    • 5bitの組み合わせは32種類あるが、データ用に使われるのは0が長く続くパターンなどを除いた16種類のシンボルのみ
    • 余っているシンボルのいくつかは、プリアンブルの開始やフレームの終了など、いろいろな制御に使われる
    • 電磁輻射の原因となる一定パターンの繰り返しが連続しないようにするため、データはさらにスクランブル(ビットの並べ替え)される
    • スクランブルされたデータは、MLT-3という偏重方式でケーブルに送出される
    • 正, 0, 負の3レベルの電気信号を使って伝送するもので、1を送るときには順次3種類のレベルが変化する方式
  • 100Base-FXの伝送方式
    • FDDIという100MbpsのトークンリングNETWORKで使用されていた光伝送技術を流用
    • 100Base-TXと同様に4B/5B符号化を行い、その後NRZI(Non Return to Zero Inversion)という方式で符号化
    • NRZIはビット並びを1bitずつ順に並べ、1のときは直前の状態を反転し、0のときは直前の状態を維持するというもの
1Gイーサネット
  • 2000年代に入ると、1Gbpsの1000Baseあるいは1GBaseと呼ばれるイーサネットが導入
    • UTP, STP, 光ファイバケーブルを使って配線する
    • 今日広く使われている1000Base-TはUTPケーブルの4対のツイストペア線すべてを使って送受信を行う
    • 100Baseと同じくCSMA/CD方式の、ハブを使うスター型NETWORKのみ規定されている
    • 規格上はリピーターハブを使えるが、実際には全二重対応のスイッチで接続するのが普通
  • タイミング仕様の違い
    • 最小フレーム長は、衝突が怒ってもそれを検出できる長さとして決められていた
    • 逆にいえば衝突が検知できるという条件で最大延長が決まるため、100Mイーサネットでは最大延長が短く205メートルになっていた
    • 1Gイーサネットでは数十メートルになってしまうので、イーサネットフレームの最小長を拡大
    • 本来の64Byteから512Byteになっており、これに満たないフレームはキャリアエクステンションと呼ばれるパディングを足す
    • 小さなフレームを多数送るアプリケーションでは伝送効率が低下してしまうため、フレームバーストという仕組みを導入
    • フレーム間隔時間を空けてメディアを解放することをせず、続けて後続のフレームを送る仕組み
    • これらの仕様は半二重接続の場合に必要な機能で、衝突の発生しないスイッチ/全二重通信ではこれらの機能は不要
  • 1000Base-Tの伝送方式
    • 100Mイーサネットとそう変わらない規格のケーブルで10倍の伝送速度を実現するための工夫がこらされている
    • 1000Base-Tの信号伝送の大きな特徴は、4対のツイストペア線をすべて使うこと
    • 2対ずつ送信と受信に使うのではなく、4対すべてを送信と受信に使う
    • それぞれの送受信回路で送信と受信信号を分離し、共通の配線で同時に送受信を行えるようになっている
    • 送信ビット列は8B1Q4という方式で符号化。8bitごとに区切られ、4組の5値信号に変換される
    • 5値信号が4組あるので、625の状態を表すことができる
    • 8bitのデータに1bitの誤り検出bitを付加して9bitにすると512のパターンになるので、これを625のうちの512に割り当てる
10Gイーサネット
  • ある程度以上の規模のネットワークのバックボーンや高性能サーバなどには10Gイーサネットが使われるように
    • 10M時代からの半二重通信、CSMA/CD方式は非対応に
    • 衝突検出がなくなったため、フレームの最小長や配線の総延長の制約がなくなっている
    • 機器とスイッチの接続は光ファイバケーブルか同軸/UTP/STPケーブルを使用
    • 現時点ではデータセンターや基幹ネットワークでの使用が中心で、一般の環境では使用されない
自動ネゴシエーション
  • 同じ形状で接続できる10/100/1000Base-Tでは異なる規格が混在していても接続時に方式を調べる機能が規定されている
    • 最近の機器側のネットワークインタフェースやスイッチ、ルータにはほとんどがこの機能を搭載されている
    • 自動で認識されるのは以下の項目
    • 速度:接続された機器の速度を判定し、双方が対応する最高速度で通信が行われるように設定
    • MDI/MDI-X:100M以下のイーサネットではスイッチ側と機器側で入出力が逆になるので、自動判定機能によりピン配置が入れ替わる
    • 全二重/半二重:双方の機器が自動判定設定になっていないと正常動作しない場合も