ギガビット・イーサネット

概要

ギガビット・イーサネットはIEEE 802.3zで規定される1000BASE-SX、1000BASE-LX、1000BASE-CXとIEEE 802.3abで規定されるUTPケーブルを使う1000BASE-Tの4つに分かれる。1000BASE-CXは特殊な同軸ケーブルを使うため実際にはほとんど使用されていないので3つと考えて良い。1000BASE-SXと1000BASE-LXは光ファイバーを使い伝送距離が5kmまで伸ばせるので、企業の基幹的なバックボーンLAN回線に使用される場合が多い。
1Gbpsのイーサネットでは元のデータが短い場合は「キャリア・エクステンション」と呼ぶダミーのデーター（1 - 448バイト）を付けることで、512バイト=4096ビットまで長くして100Mbpsと同じリピータ・ハブまでのケーブル長最大100m、ハブの両方向のケーブル長を合わせて200mのセグメント・サイズを実現している。
イーサネット規格として半二重通信とCSMA/CDをサポートした最後の規格である。実際にはほぼ全二重通信で行われている。
FTTH用にプロトコルを拡張したIEEE 802.3ahは実質的に光インターネット接続の主流である。

種別

ギガビット・イーサネットには様々な規格があり、それぞれに長所・短所を持つ。以下に一覧を示す。

1000BASE-T

1000BASE-T（せんベースティー）はスループット1Gbpsを実現する規格。現在「GbE」としては最も普及している。IEEE 802.3abとして標準化。
伝送路としてカテゴリ5 (CAT5) 以上のUTPケーブル内の4対8線のより対線を使用し、各ペアに250Mbpsのスループットを持たせる事で1Gbpsを実現する。片方向の伝送に4対すべてを使っているが、ハイブリッド回路を使用してエコーをキャンセルすることで4対すべてで同時に送受信が可能であるため全二重通信である。
電圧レベルを5値に分割し、1クロックで2ビットの情報を送るパルス振幅変調 (PAM5) を使用することで周波数を低く抑えている。
1000BASE-Tでは8B1Q4で符号化されている。8B1Q4の符号化とは元データの8ビットごとをエラー検出ビットを付加して9ビットに直す「9ビット化」を行い、さらに9ビットのデータ (0 - 511) を4対のより対線にそれぞれ「+1.0V、+0.5V、0V、-0.5V、-1.0V」の5つの電圧の組み合わせ (5⁴=625) に割り振る「4次元5値シンボル化」によって伝送路に送出する。この符号化によって最終的な信号は約80MHzの周波数帯域に収まり、比較的低価格なUTPケーブルでもなんとか支障なく使用できる。符号化処理によって毎秒1Gbitのデータを8ビットごとに送り出しているために、「シンボル・レート」は125MHzとなる。符号化によって1000BASE-Tのように伝送に必要な周波数を下げられる場合もあるが、他にも同じ電圧が続くことで受信タイミングが判別できなくなるのを防いだり、エラー検出などに利用するという目的で行なわれる。
1000BASE-Tではイーサネット機器同士の自動認識（オートネゴシエーション）が義務となっており、結線時にファスト・リンク・パルス (FLP) と呼ぶ自動認識用信号を送り出してお互いのスループットや全二重/半二重を教えあい、相手が10BASE-Tや100BASE-TXではノーマル・リンク・パルスとアイドル信号というそれぞれの固有信号形式によって判別して通信設定を行なうことで下位互換性を実現している。1000BASE-T同士の場合はこのFLPをクロック・タイミングの同期の主従決定に利用している。
「キャリア･エクステンション」によってCSMA/CDを実現できても、余分なデータを送信するのは無駄であるため、1000BASE-Tでは「フレーム・バースト」と呼ばれるオプションを備えている。フレーム・バーストは、短いフレームを多く送信する場合に、合わせて最大8192バイトまでのフレームの連続送信を許して、2つ目からはキャリア･エクステンションを付けずに送信できる。このオプションを利用したフレームが送信中は、他のフレームが割り込めないというデメリットもある。
最長セグメント長は100m。
既設のツイストペアケーブル（CAT5以上）との互換性が高いため一般にも普及している。規格上、フルクロスケーブルは1000BASE-T用と1000BASE-TX用で仕様が異なるため共通使用はできないが、後述のとおり1000BASE-TX機器が殆ど普及していないこと、また普及している機器側でストレート・クロス自動判別機能を持たないものが殆どないため、ごく一部の特殊な例を除いては問題がない。

1000BASE-TX

1000BASE-TX（せんベースティーエックス）はスループット1Gbpsを実現する規格。TIA/EIA-854として標準化。
伝送路としてカテゴリ6 (CAT6) のUTPケーブル内の4対8線を使用し、上り専用に2対、下り専用に2対、それぞれ500Mbpsの帯域を持たせる事で1Gbpsを実現する規格。全二重通信が可能。最大セグメント長は100m。
1000BASE-Tと混同されやすいが、前述の通り1000BASE-Tとの信号的な互換性はない。前述のPAM5を使用するのは同様である。上りと下りで線を共用しないために回路がシンプルになり、1000BASE-Tよりも機器を低価格化できるとされていた。しかし、1000BASE-T機器の急速な価格低下と普及により、1000BASE-TXの価格面での優位はなくなりその存在意義を失った。対応チップも量産されなかったことから一般的なNICやHUBなどの対応製品は存在していない。そのため当初懸念されていた、1000BASE-Tとの誤表記による問題や、機器間の信号の非互換問題などは発生しなかった。現在1000BASE-TXは、規格とケーブルやコネクタ部品の対応表記上でのみの存在となっている。

1000BASE-CX

1000BASE-CX（せんベースシーエックス）は伝送路としてSTPケーブル内の2対4線使用する規格。
セグメント長が25mと非常に短かった為、あまり普及しなかった。

1000BASE-SX

1000BASE-SX（せんベースエスエックス）は短波長レーザーを意味し、伝送路として光ケーブルを2芯使用する。波長は850nmが使われる。光ケーブルはマルチモードケーブルを使用する。IEEE 802.3zとして標準化。符号化は8b/10bを使用。8b/10bは8ビットの元データをあらかじめ決めてある10ビットに拡張する符号化である。
セグメント長は550m。

1000BASE-LX

1000BASE-LX（せんベースエルエックス）は長波長レーザーを意味し、伝送路として光ケーブルを2芯使用する。波長は1350nmが使われる。光ケーブルはマルチモードケーブル（伝送距離500m前後）、シングルモードケーブル（伝送距離5 - 10km前後）を使用する。IEEE 802.3zとして標準化。符号化は8b/10bを使用。

1000BASE-LH

1000BASE-LH（せんベースエルエッチ）は伝送路として光ケーブルを2芯使用する。基本的に1000BASE-LXのレーザー出力を高めたもので、標準化されたものではなく、1000BASE-LHと言っても互換性は保証されない。光ケーブルはシングルモードケーブルを使用する。伝送距離10 - 70km程度。伝送距離70kmの1000BASE-LHAもある。さらに出力を高め、伝送距離を最大150kmまで拡張した1000BASE-LHBもある。

1000BASE-ZX

1000BASE-ZX（せんベースゼットエックス）は1000BASE-LXよりもさらに長い波長 (1550nm) のレーザを使用する。伝送路として光ケーブルを2芯使用する。光ケーブルはシングルモードケーブルを使用する。伝送距離50 - 80km。

1000BASE-PX10/20

PDS (Passive Double Star) 型トポロジー (PON : Passive Optical Network) の光ケーブルのネットワーク。GE-PON (Gigabit Ethernet PON)、EFM (Ethernet in the First Mile) とも呼ばれる。IEEE 802.3ahとして標準化。FTTHに使われる。

1000BASE-BX

下りに1490nm、上りに1310nmの異なる波長を使用することで、1芯の光ケーブルによる両方向伝送を実現している。Bは双方向bi-directionから。IEEE 802.3ahで標準化され、伝送距離10km。規格を拡張し、伝送距離を40kmにした1000BASE-BX40機器も存在する。

次世代規格 10GbE

次世代の規格として、1GbEの10倍の速度を実現する「10ギガビット・イーサネット」が、2018年頃から個人レベルにも普及し始めつつある。また、個人向けとしてより低価格な2.5GbE/5GbEを実現する「マルチギガビット・イーサネット」の商品も普及し始めており、10GbEほどの速度を求めない個人ユーザーに注目されている。