10ギガビット・イーサネット

10ギガビット・イーサネット (10 gigabit Ethernet、10GE、10GbE、10 GigE) はコンピュータネットワーク を構築する通信規格の1つ。イーサネットの中でLAN、WAN、MANに比較的用いられるプロトコルの1つである。

概要

10ギガビット・イーサネットはLocal Area Network(LAN)で主流となったイーサネット技術を継承しつつギガビット・イーサネットの10倍の速度を提供する技術。2002年6月にIEEE802.3aeで標準化が完了した。イーサネットで初めてWide Area Network(WAN)での利用を前提とした技術も含まれる。ファイバーチャネル・オーバー・イーサネット(FCoE)は当技術の利用を前提としており、LANに留まらずストレージエリアネットワークのような高速・高信頼性なネットワークの基礎としても期待される。
規格にはIEEE 802.3-2005がある。ここでは光ファイバーとInfiniBandのような銅線の2種類がある。IEEE 802.3anはツイストペアケーブルを使った規格である。転送速度が非常に高くツイストペアでは必要な周波数特性が確保できないと考えられていたため、まずは光ファイバーによる実装が普及した。ツイストペアケーブルの規格は更新され続けている。通信は既にギガビット・イーサネットで普及している全二重を使い、半二重、リピーター機構、そしてそれに伴うCSMA/CDをサポートしない（データの送信が終了する前に衝突を検出できないため）。物理層の規格は複数ある。
10GbE環境にしたとしても、必ずしも1GbEの10倍の速度が得られるわけではない。低速なHDDの場合、実測2倍程度の速度しか出せないため、高速モデルのHDDを採用する必要がある。そもそも、HDDでは10GbEの速度を活かしきることができないため、予算が許すのであれば高速なSSDを使用し、可能であればSSD複数でのRAIDを利用するなど高速化を図る必要がある。

10GBASE-T

IEEE 802.3an-2006で定められたアンシールデッド(UTP)またはシールデッド(STP)のツイストペアケーブルにより最大100mを10ギガビットで接続する。オートネゴシエーションがサポートされることで、10GBASE-Tと1000BASE-Tのスムーズな移行が可能となる。2008年より半導体が出荷されており、これらを用いたスイッチングハブ、レイヤ3スイッチ、サーバ向けネットワークカード(NIC)も出荷されている。利点のひとつは1000BASE-Tと兼用可能なRJ-45のツイストペアケーブルで接続可能な事である。光ファイバのようなXENPAK、XFP、SFP+など光トランシーバが必要無く比較的安価に導入が可能となる。

コネクタ

UTPでは従来規格のイーサネットで広く普及した650MHz対応のIEC 60603-7コネクタ 8P8C (通称RJ45) を使用する。STPではTERA、GG45、ARJ45も規程されている。

変調技術

IEEE 802.3anでは、ツイストペアケーブル1組あたり2.5Gbpsの伝送速度を実現するため、情報の符号化にDSQ128と16値PAM (pulse-amplitude modulation、PAM)を、誤り訂正符号に(DSQ128の枠組みの中で)低密度パリティ検査符号(LDPC)を、電力均一化にトムリンソン-原島プリコーディング(Tomlinson-Harashima Precoding、THP)を利用している。800メガシンボル/秒で3.125情報ビットの伝送すると最もSNRがよくなることがわかっていたため、PAM16とPAM12が検討されたが、最終的にDSQ128を併用したPAM16が採用された。

DSQ128

DSQ128はIEEE 802.3an作業部会でブロードコム(当時)が提案(開発)した符号化方式。Double SQuareの略とされている。7ビットを3ビットと4ビットに分割し、いずれもPAM16で符号化して連続して送出する方式で、256状態→128状態とすることで符号間の距離を倍にしSNRを3dBを稼げる。この符号間距離を説明するために、市松模様(checkerboard pattern)がよく使われるが、これがDouble SQuare(2つの正方形)の由来でもある。

転送能力

4対のツイストペアケーブルで10Gbpsを伝送可能である。符号化効率は約89.3%(3200/3584)で、3.5ビット/シンボルに対し3.125情報ビット/シンボルを達成していることから、伝送線路1本あたり、800メガシンボル/秒 * 3.125ビット/シンボル = 2.5Gbpsを達成できており4対で10Gbpsの転送能力がある。

レイテンシ

3200情報ビットをまとめて符号化する必要があることから、レイテンシ(ラウンドトリップタイム)は最大で2.5マイクロ秒程度となることが示されている。これは音声、高可用性クラスタの相互接続等で問題になることがあるが、1000BASE-Tを引き続き用いることで回避している。広い帯域を期待するSANは、これがボトルネックとなることがあり、光ファイバやFibre Channelを採用することがある。

消費電力

消費電力も問題となっている。登場当時は1ポート当たり20W前後が示唆されており実用レベルではなかった。半導体プロセスの進化による消費電力が低下した現在でも3.5～5W程度が必要である。これはSFP+が期待する1W程度に比べはるかに大きく相応の電力供給能力と放熱能力が要求されることを意味する。

10GBASE-CX4

比較的短距離向けの規格である。IEEE 802.3akで規格が定められInfinibandによく似た技術を使用している。片方向で4本、両方向で8本の伝送路を持ちそれぞれ2本の銅ケーブルを使用するため、計16本の銅ケーブルとなる。最長15m (49フィート) しか伸ばせないが、10Gビット・イーサネットとしては最もポート単価が安い。通信半導体デバイスはマルチソースアグリーメント (MSA) に従いデバイスから外部コネクタまで接続する。XENPAK、X2、XPAKのコネクタは標準のMSAピン配列である。CX4モジュールは少なくともXENPAKとX2には揃えられてありXPAKにも恐らくある。各伝送路は3.125ギガボー (Gbaud) の通信容量を持つ。 802.3ae 48節のプロトコルが4本のデータ転送を管理し同期をとる。これはPCS (Physical Coding Sublayer) で処理される。

SFP+ Direct Attach

10GBASE-CX4をSFP+サイズに縮小するためにSFP+ Direct Attachケーブルが販売されている。SFP+のインターフェイスを銅線(通常は同軸ケーブル)でクロス直結したものである。必要であれば変調もする。スイッチメーカー独自規格となり相互接続性は保証されずケーブル長も最大5m程度であるが、10Gbase-Tよりもポート単価、消費電力、敷設に優れ、光ケーブルと同等の低レイテンシを実現できる。近距離接続の代替やスイッチのスタックに普及している。

次期規格

「40ギガビット・イーサネット」「100ギガビット・イーサネット」がIEEE内のHigh Speed Study Groupで規格が策定され、2010年6月に正式承認された。規格名は「IEEE 802.3ba」。2011年6月には世界初の実証実験が行われた。