物理層の規格(1)

物理層には非常に多くの規格が存在します。それぞれの規格の特徴を理解して、規格ごとの長所や短所を把握しておくことはネットワークエンジニアとしてとても大事なことですが、規格の数が多いと理解するのも大変です。そこでまずは全体像を把握するために、物理層の規格を整理してみましょう。物理層の規格はデータリンク層とセットで標準化されているため、データリンク層も含めて記載しています。

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物理層とデータリンク層で標準化されている規格は、IEEEで標準化されています。IEEEでは多くの標準化が行われていますが、物理層とデータリンク層の標準化はIEEE802委員会が標準化を行っていて、その中でも現在主流となっている規格が有線LANの規格「IEEE802.3」と無線LANの規格「IEEE802.11」です。IEEE802委員会ではそれ以外の規格も多く標準化していますが、この2つの規格を押さえておけば問題ありません。

有線LANの規格 IEEE802.3

最近の有線LANは、ほぼイーサネットが使われているといってもよいでしょう。イーサネットの規格はIEEE802.3で標準化が行われています。IEEE802.3の中にも多くの規格があり、規格ごとにIEEE802.3の後ろにアルファベットが付与されます(IEEE802.3iやIEEE802.3uなど)。また規格名称だけでは、その規格がどのような内容なのかが判別できないため、規格名称とは別に、規格の概要が分かるような別名を使用するのが一般的になっています。たとえば、ツイストペアケーブルを使用する1Gbpsの規格であるIEEE802.3uの場合、「1000BASE-T」という別名で呼びます。別名表記方法には以下のようなルールが決められています。

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イーサネット規格ごとの仕様は以下の通りです。

規格名 標準化規格 伝送速度 ケーブル長 媒体
10Base2 IEEE802.3a 10Mbps 185m 同軸ケーブル
10Base5 IEEE802.3 10Mbps 250m 同軸ケーブル
10Base-T IEEE802.3i 10Mbps 100m UTP
100Base-TX IEEE802.3u 100Mbps 100m UTP
1000Base-T IEEE802.3ab 1Gbps 100m UTP
1000Base-LX IEEE802.3z 1Gbps 550m 光マルチモード
5000m 光シングルモード
1000Base-SX IEEE802.3z 1Gbps 550m 光マルチモード
10GBase-T IEEE802.3an 10Gbps 100m UTP
10GBase-LR IEEE802.3ae 10Gbps 10km 光シングルモード
10GBase-SR IEEE802.3ae 10Gbps 300m 光マルチモード
40GBase-LR4 IEEE802.3ba 40Gbps 10km 光シングルモード
40GBase-SR4 IEEE802.3ba 40Gbps 100m 光マルチモード
100GBase-LR4 IEEE802.3ba 100Gbps 10km 光シングルモード
100GBase-SR10 IEEE802.3ba 100Gbps 100m 光マルチモード

代表的なケーブルといえばツイストペアケーブル

ツイストペアケーブルとは、いわゆるLANケーブルのことで会社や自宅などでパソコンに接続されているケーブルです。100BASE-Tや100BASE-TXなど媒体に「T」が付いているものはツイストペアケーブルのことです。

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ツイストペアケーブルは一見すると1本のケーブルのように見えますが、中には8本の銅線が2本ずつ撚り合わせて4対の「より対線」にしています。薄い被覆で覆われているだけなので、ノイズに弱く一般的なケーブルの最大長は100mまでと規定されています。

ツイストペアケーブルには、ケーブルをアルミ箔などで処理してノイズに強くしたものをSTP(シールド付きツイストペア)、なにも処理していないものをUTP(シールドなしツイストペア)と呼びます。STPはケーブルが固く、取り回しがしづらいため工場など特定の環境でしか使われていません。一般的に会社や自宅で使われるケーブルは、ほぼUTPが使われています。

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ツイストペアケーブルのカテゴリ

ツイストペアケーブルはEIA(米国電子工業会)で規格化されていて、伝送品質の違いによって1から7までのカテゴリに分類されています。数字が大きいほど伝送品質が高くなります。

カテゴリ ケーブル種別 対応規格
カテゴリ1 UTP/STP アナログ電話
カテゴリ2 UTP/STP デジタル電話
カテゴリ3 UTP/STP 10BASE-T
カテゴリ4 UTP/STP ATM
カテゴリ5 UTP/STP 100BASE-TX
カテゴリ5e UTP/STP 1000BASE-T
カテゴリ6 UTP/STP 1000BASE-T
10GBASE-T
カテゴリ6e UTP/STP 10GBASE-T
カテゴリ6a STP 10GBASE-T
カテゴリ7 STP 10GBASE-T

LANで使用出来るカテゴリは3以上ですが、100BASE-TXや1000BASE-Tなどの最近の規格はカテゴリ5以上のケーブルが必要になります。

古いUTPケーブルを使い回してLANの更改を行う場合は注意が必要です。1000BASE-Tを使って1Gbpsの速度を出したいのに、ケーブルの規格がカテゴリ5で1000BASE-Tに対応していなかったという最悪な場合も。。
また、UTPケーブルを敷設する場合は、将来的に利用する通信帯域や規格を考慮してケーブルを選定するようにしましょう。

ストレートケーブルとクロスケーブル

ツイストペアケーブルはストレートケーブルとクロスケーブルの2つに分類されます。一見すると同じようにしか見えませんが、被覆の中にある銅線の配線が異なります。銅線は8本あり、それぞれ色が異なっていて、ストレートケーブルとクロスケーブルでピンアサイン(結線の組み合わせ)が決まっています。

また、ツイストペアケーブルは「RJ45」と呼ばれる電話のモジュラージャックを少し大きくした形状のコネクタを使用します。8本の銅線をRJ45コネクタの金属部分に結線して接続します。このとき、2つのピンアサインが同じ場合はストレートケーブル、ピンアサインの1番と3番、2番と6番が交差(クロス)して接続されている場合をクロスケーブルと呼びます。

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MDIとMDI-X

PCやプリンタ、ルータのポートをMDIポートと呼び、ピンアサインの1番と2番を送信用に使用し、3番と6番を受信用に使用します。逆にスイッチのポートはMDI-Xポートと呼び、1番と2番を受信用に使用し、3番と6番を送信用に使用します。

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ルータなどのMDIポートをスイッチに接続する場合、ピンアサイン1番と2番を使用してデータを送信すると、スイッチ側では1番と2番で受信します。逆にスイッチから3番と6番で送信したデータは、ルータ側で3番と6番で受信します。このようにMDIとMDI-Xを接続する場合はストレートケーブルを使用します。

逆にルータ同士やスイッチ同士など、MDI同士、MDI-X同士を接続する場合はクロスケーブルを使用しなければ、送信用と受信用でぶつかってしまうためクロスケーブルを使用する必要があります。

Auto MDI/MDI-X

ストレートケーブルとクロスケーブルの使い分けは、LANの配線工事で間違えることも多くトラブルの原因になっていました。しかし最近は、ネットワーク機器に自動でMDIとMDI-Xを判別してくれる機能が実装されています。この機能が実装されているネットワーク機器では、接続する相手のポートがMDIなのかMDI-Xなのかを自動判別し、ポートの動作を変更することが可能です。この機能によってクロスケーブルは不要になり、すべてのケーブルをストレートケーブルに統一することが可能になりました。

1000BASE-T以降は8本の銅線すべてを使用

実は100BASE-TXの場合、8本の銅線のうち4本(1番と2番が送信用、3番と6番が受信用)しか使用していません。残りの4本もデータ通信に使用することで通信速度を向上させたので1000BASE-Tです。1000BASE-Tは、IEEE802.3abで標準化されています。1000BASE-Tは100BASE-TXとは違い、高速通信を実現させるために送信も受信も同じ銅線で行うように実装されています。

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1000BASE-Tからは、MDI/MDI-Xの自動認識機能が規格に組み込まれています。そのため、1000BASE-T以降の規格はストレートケーブルとクロスケーブルの使い分けの考慮は必要なくなりました。

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