ネットワークケーブル と インターフェース

# 1 ローカルエリアネットワーク (Local Area Network)

## 1.1 概要

### 1.1.1 特徴
- ネットワークは一つの組織によって所有されている
- 地理的範囲とサイト数は限られている

### 1.1.2 主な機能
- リソース共有とデータ通信

### 1.1.3 利点
- 高価な外部デバイス、ホスト、ソフトウェア、データを簡単に共有できる。一つのサイトからネットワーク全体にアクセス可能
- システムの拡張と段階的な進化が容易で、デバイスの位置を柔軟に調整・変更可能
- システムの信頼性、可用性、使いやすさが向上

### 1.1.4 標準
IEEE（国際電気電子技術者協会）は1980年2月にローカルエリアネットワーク標準委員会（IEEE802委員会）を設立し、
ローカルエリアネットワークの標準化に専念し、IEEE802標準を制定しました。802標準で記述されたローカルエリアネットワークの参照モデルは、
OSI参照モデルのデータリンク層と物理層のみに対応しており、データリンク層を論理リンク層（LLCサブレイヤー）とメディアアクセス制御（MACサブレイヤー）に分割しています。
- LLCサブレイヤーは上位層へのサービス提供を担当
- MACサブレイヤーの主な機能は、データフレームのカプセル化/デカプセル化、フレームのアドレス指定と識別、フレームの送受信、リンク管理、フレームのエラー制御などです。MACサブレイヤーの存在により、異なる物理リンクの種類の差異が隠蔽されます。

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## IEEE 802シリーズ標準一覧

- **IEEE 802.1**  
  ローカルエリアネットワーク（LAN）のアーキテクチャ、ネットワーク相互接続、ネットワーク管理およびパフォーマンステスト

- **IEEE 802.2**  
  論理リンク制御（LLC）副層の機能とサービス

- **IEEE 802.3**  
  衝突検出付きキャリアセンス多重アクセス（CSMA/CD）バス型メディアアクセス制御副層と物理層仕様

- **IEEE 802.4**  
  トークンバス（Token Bus）メディアアクセス制御副層と物理層仕様

- **IEEE 802.5**  
  トークンリング（Token Ring）メディアアクセス制御副層と物理層仕様

- **IEEE 802.6**  
  メトロポリタンエリアネットワーク（MAN）メディアアクセス制御副層と物理層仕様

- **IEEE 802.7**  
  ブロードバンドネットワーク技術

- **IEEE 802.8**  
  光ファイバー伝送技術

- **IEEE 802.9**  
  統合音声・データLAN（IVD LAN）技術

- **IEEE 802.10**  
  相互運用可能なLANセキュリティ規格（SILS）

- **IEEE 802.11**  
  無線LAN（WLAN）技術

- **IEEE 802.12**  
  優先度要求型アクセス制御方式（Demand Priority）

- **IEEE 802.13**  
  （未使用）

- **IEEE 802.14**  
  双方向ケーブルテレビネットワーク

- **IEEE 802.15**  
  無線パーソナルエリアネットワーク（WPAN）のMAC副層と物理層仕様（代表技術: Bluetooth（ブルートゥース））

- **IEEE 802.16**  
  広帯域無線アクセスネットワーク（WiMAX）

- **IEEE 802.20**  
  モバイルブロードバンド無線アクセスシステム（MBWA）

- **IEEE 802.22**  
  無線地域ネットワーク（WRAN: Wireless Regional Area Networks）


## 1.2 ネットワーク機器
主要な構成機器とその役割：
- **ルーター (Router)**  
  ネットワーク層でのパケット転送と異なるネットワーク間接続
- **スイッチ (Switch)**  
  データリンク層でのフレーム転送、MACアドレスベースの転送処理
  → コリジョンドメインの分割による効率向上
- **ハブ (Hub)**  
  物理層での信号増幅・リピート（ブロードキャスト転送）
  ※スイッチとの違い：全ポートへのパケット転送
- **リピーター (Repeater)**  
  信号の再生・増幅による伝送距離延長（物理層デバイス）
- **ケーブル類**  
  UTP/STPケーブル、光ファイバーケーブル、同軸ケーブルなど

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### 1.2.1 ネットワークケーブルとインターフェース
#### 主要ケーブル種類

| 種類                | 構造特徴                                                                 | 用途例                          |
|---------------------|--------------------------------------------------------------------------|---------------------------------|
| **ツイストペア**    | 4対のより線（UTP/STP）<br>RJ45コネクタ採用                               | イーサネット（Cat5e/Cat6/Cat7）|
| **同軸ケーブル**    | 中心導体＋絶縁体＋シールド層<br>BNCコネクタ採用（過去の標準）            | ケーブルTV/旧式LAN             |
| **光ファイバー**    | ガラス/プラスチックコア＋クラッド層<br>SC/LC/STコネクタ採用              | 長距離/高速通信（10Gbps~）      |


主要インターフェース
RJ45：ツイストペア用8ピン端子（イーサネット標準）
SFP+/QSFP：光ファイバー用モジュール式インターフェース
BNC：同軸ケーブル用ロック式コネクタ（現在はほぼ不使用）


#### ツイストペア詳細比較

| タイプ | シールド構造               | ノイズ耐性 | コスト   | 主な適用環境         |
|--------|----------------------------|------------|----------|----------------------|
| UTP    | 無し（Unshielded）         | △          | 低       | 一般オフィス/家庭    |
| STP    | 全体シールド＋ペア単位シールド | ◎          | 高       | 工場/医療機器周辺    |

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3515709/ebce8a49-0f76-4a5d-a6d9-de83c1422239.png)

### 1.2.1.1 ケーブル規格（CAT1～CAT8）詳細仕様

#### 規格進化の系統図
```mermaid
graph TD
    A[CAT1 電話回線] --> B[CAT2 Token Ring]
    B --> C[CAT3 10BASE-T]
    C --> D[CAT4 16Mbps]
    D --> E[CAT5 100BASE-TX]
    E --> F[CAT5e ギガビット]
    F --> G[CAT6 10GBASE-T]
    G --> H[CAT6A 拡張10Gbps]
    H --> I[CAT7 シールド型]
    I --> J[CAT8 データセンター40Gbps]
```

#### 詳細仕様比較表
| 分類       | 伝送帯域 | 最大速度 | 伝送距離 | 特徴                                                                 | 規格認証                          | 現状               |
|------------|----------|----------|----------|----------------------------------------------------------------------|-----------------------------------|--------------------|
| **CAT1**   | 0.4MHz   | 1Mbps    | -        | アナログ電話回線用（ツイストペア非採用）                            | 廃止 (1985以前)                  | 完全淘汰           |
| **CAT2**   | 1MHz     | 4Mbps    | 100m     | IBM Token Ringネットワーク用（Type1ケーブル）                       | IEEE 802.5                       | 1990年代淘汰       |
| **CAT3**   | 16MHz    | 10Mbps   | 100m     | 初のイーサネット対応（10BASE-T）                                    | TIA/EIA-568-B                    | 保守ネットワーク用 |
| **CAT4**   | 20MHz    | 16Mbps   | 100m     | Token Ring 16Mbps/100BASE-TX対応（UTP初採用）                       | IEEE 802.5                       | 市場未普及         |
| **CAT5**   | 100MHz   | 100Mbps  | 100m     | Fast Ethernet標準化（カテゴリ初の周波数規格明示）                   | ANSI/TIA-568-A                   | 旧式設備用         |
| **CAT5e**  | 100MHz   | 1Gbps    | 100m     | 近端漏話（NEXT）改善（Enhanced版）                                   | TIA/EIA-568-B.2                  | 現行主力（コスト優位）|
| **CAT6**   | 250MHz   | 10Gbps   | 55m      | クロススパイン構造導入（物理的分離）                                | ANSI/TIA-568-C.2                 | 中規模ネットワーク |
| **CAT6A**  | 500MHz   | 10Gbps   | 100m     | 外部漏話（AXT）対策強化（Augmented版）                              | ISO/IEC 11801 Ed.2.2             | 基幹ネットワーク   |
| **CAT7**   | 600MHz   | 10Gbps   | 100m     | 完全シールド構造（S/FTP）GG45コネクタ                               | ISO/IEC 11801 Class F             | 特殊産業用         |
| **CAT7A**  | 1000MHz | 40Gbps   | 50m      | 広帯域対応（Class FA規格）                                          | IEC 61156-8                      | 実験環境限定       |
| **CAT8**   | 2000MHz | 40Gbps   | 30m      | データセンター向け（Class I/II規格）                                | ANSI/TIA-568-C.2-1               | クラウド基盤用     |

#### 技術的特徴
1. **シールド進化**  
   UTP（CAT5eまで）→ FTP（CAT6）→ S/FTP（CAT7以降）とシールド構造が強化

2. **コネクタ形状**  
   RJ45（CAT6Aまで）→ TERA/GG45（CAT7以降）→ ARJ45（CAT8）と高周波対応

3. **伝送方式**  
   ベースバンド伝送（CAT5eまで）→ マルチキャリア変調（CAT6以降）へ移行

#### 主要適用シナリオ
- **CAT5e**：SOHO/中小企業向けLAN配線
- **CAT6A**：PoE+/HDBaseT対応AVシステム
- **CAT8**：25GBASE-T/40GBASE-T対応サーバーラック間接続

#### 規格選定ガイド
```markdown
| ネットワーク要件          | 推奨規格     |
|---------------------------|--------------|
| 1Gbps オフィスLAN        | CAT5e/CAT6   |
| 10Gbps 基幹ネットワーク   | CAT6A        |
| 40Gbps データセンター     | CAT8（Class I）|
| 耐ノイズ環境              | CAT7A（S/FTP）|
```

### 1.2.1.2 ケーブル配線規格とピン配列

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#### UTPケーブル構造解析
```mermaid
graph TB
    UTPケーブル --> 4対より線
    4対より線 --> 緑-緑白
    4対より線 --> 青-青白
    4対より線 --> 橙-橙白
    4対より線 --> 茶-茶白
```

#### 主要配線規格比較表
| 規格      | ピン番号順（左→右）                        | 主用途                          | 現状       |
|-----------|--------------------------------------------|---------------------------------|------------|
| **T568A** | 白緑/緑/白橙/青/白青/橙/白茶/茶           | 政府機関/軍事施設               | 国際規格   |
| **T568B** | 白橙/橙/白緑/青/白青/緑/白茶/茶           | 企業ネットワーク/家庭用         | 世界標準   |
| **USOC8** | 白茶/緑/白橙/青/白青/橙/白緑/茶           | 旧式PBXシステム                 | ほぼ廃止   |
| **USOC6** | 未接続/白緑/白橙/青/白青/橙/緑/未接続     | アナログ電話（4芯使用）         | 特殊用途   |

#### 技術的ポイント
1. **より線対の保持**  
   ケーブル末端処理時はより線のツイスト長を13mm以下に保持（ANSI/TIA-568規格）

2. **シールド処理**  
   STPケーブルでは金属シールド層をコネクタ筐体と接地接続必須

3. **伝送モード**  
   | ピン番号 | 信号方向      |
   |----------|---------------|
   | 1,2      | TX+/-         |
   | 3,6      | RX+/-         |
   | 4,5      | 電話用（PoE非対応時）|
   | 7,8      | 予備/POE供給  |

#### ケーブルタイプ別用途
```markdown
| タイプ       | 接続方法              | 使用例                     |
|--------------|-----------------------|----------------------------|
| ストレート   | 両端T568B             | 端末-スイッチ接続          |
| クロス       | 片端T568A/片端T568B   | スイッチ間接続（旧式機器） |
| ロールオーバー| 全ピン逆接続          | コンソール接続（Cisco等）  |
```

#### 品質管理基準
1. **インピーダンス**  
   100Ω±15%（1-100MHz範囲）

2. **減衰量**  
   CAT6A：24dB/100m（250MHz時）

3. **NEXT損失**  
   CAT5e：30.1dB（100MHz時）

### 1.2.1.3 光ファイバとインターフェース

#### ツイストペア線ピン定義表（T568B規格）
| ピン番号 | 信号タイプ    | 10BASE-T       | 100BASE-TX     | 1000BASE-T     | 線色ペア      |
|----------|---------------|----------------|----------------|----------------|---------------|
| 1        | TX+           | 送信データ+    | 送信データ+    | BI_DA+         | 白橙          |
| 2        | TX-           | 送信データ-    | 送信データ-    | BI_DA-         | 橙            |
| 3        | RX+           | 受信データ+    | 受信データ+    | BI_DB+         | 白緑          |
| 4        | BI_D3+        | 未使用         | 未使用         | BI_DC+         | 青            |
| 5        | BI_D3-        | 未使用         | 未使用         | BI_DC-         | 白青          |
| 6        | RX-           | 受信データ-    | 受信データ-    | BI_DB-         | 緑            |
| 7        | BI_D4+        | 未使用         | 未使用         | BI_DD+         | 白茶          |
| 8        | BI_D4-        | 未使用         | 未使用         | BI_DD-         | 茶            |

#### ケーブルタイプ性能対応表
| ケーブル種別 | 最大帯域幅 | 対応規格                      | 線対使用        | 主用途            |
|--------------|------------|-------------------------------|-----------------|-------------------|
| Cat3         | 16MHz      | 10BASE-T                      | 2対（1,2,3,6）  | アナログ電話システム |
| Cat5         | 100MHz     | 100BASE-TX                    | 2対（1,2,3,6）  | オフィスLAN配線   |
| Cat5e        | 100MHz     | 1000BASE-T                    | 4対全二重       | ギガビットイーサネット |
| Cat6         | 250MHz     | 10GBASE-T（55m以内）          | 4対全二重       | データセンター配線 |

#### 光伝送規格分類図
```mermaid
graph TD
    光通信規格 --> 短距離型[1000BASE-SX]
    光通信規格 --> 中距離型[1000BASE-LX/LH]
    光通信規格 --> 長距離型[1000BASE-ZX]
    
    短距離型 --> 波長:::850nm
    短距離型 --> 最大伝送距離:::550m
    短距離型 --> ファイバ種類:::マルチモード
    
    中距離型 --> 波長:::1310nm
    中距離型 --> 最大伝送距離:::10km
    中距離型 --> ファイバ種類:::シングルモード
    
    長距離型 --> 波長:::1550nm
    長距離型 --> 最大伝送距離:::100km
    長距離型 --> ファイバ種類:::シングルモード
    
    classDef nm fill:#f9f,stroke:#333;
    classDef km fill:#9f9,stroke:#333;
```

#### 光伝送方式比較表
| 規格名称         | 波長    | 使用ファイバ | 最大距離   | 主な用途                 |
|------------------|---------|--------------|------------|--------------------------|
| 1000BASE-SX      | 850nm   | マルチモード | 550m       | データセンター内接続     |
| 1000BASE-LX/LH   | 1310nm  | シングルモード| 10km       | 都市間ネットワーク接続   |
| 1000BASE-ZX      | 1550nm  | シングルモード| 70-120km   | 広域ネットワークバックボーン |

#### 光信号特性
```markdown
| パラメータ       | 1000BASE-SX | 1000BASE-LX | 1000BASE-ZX |
|------------------|-------------|-------------|-------------|
| 送信出力         | -9.5~-4 dBm | -13~-3 dBm  | -5~0 dBm    |
| 受信感度         | -17 dBm     | -19 dBm     | -24 dBm     |
| 光損失許容範囲   | 3.0 dB      | 4.5 dB      | 10.0 dB     |
```


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3515709/d080a448-fb5d-4cc0-8196-bfb4addf4fa1.png)



#### 実装上の注意点
1. **コネクタ清掃**  
   光コネクタは定期的に専用クリーナーで清掃必須（汚れによる損失増加を防止）

2. **曲率半径制限**  
   ケーブル弯曲半径は外径の20倍以上を保持（例：外径3mmの場合60mm以上）

3. **波長分散補正**  
   長距離伝送ではDCM（Dispersion Compensation Module）の使用が必要