ネットワーク周りの知識のまとめ (物理層)

ネットワーク周りの知識をまとめておこうと思います。
今回は物理層だけど、無線部分とかは全然かけていないので気が向いたら書きます。。。
(ツイストペアケーブルと光ファイバーケーブルについて書くだけで結構疲れたw)

物理層

  • OSI参照モデルにおける最下層にあたる層
  • 上位層であるデータリンク層から受け取ったデータを何らかの伝送媒体上でビット転送するための手段を定義する
  • よく知られるものとして、Ethernet、ツイストペアケーブル、光ケーブル、ハブ、リピータ、無線通信などがある

物理層の規格

Ethernetについて

各規格における伝送速度

  • IEEE802.xxx が規格、1000Base-Tなどはその別名
    • 一般的に、別名の方がよく使われる


同軸ケーブル ツイストペアケーブル 短波長レーザー
(光ファイバーケーブル)
長波長レーザー
(光ファイバーケーブル)
10Mbps 10Base2,10Base5
(iEEE802.3a,IEEE802.3)
10Base-T (IEEE802.3i)
100Mbps 100Base-TX (IEEEE802.3u)
1Gbps 1000Base-T (IEEEE802.3ab) 1000Base-SX (IEEEE802.3z) 1000Base-LX (IEEEE802.3z)
10Gbps 10GBase-T (IEEEE802.3an) 10GBase-SR (IEEEE802.3ae) 10GBase-LR (IEEEE802.3ae)

ツイストペアケーブル

  • 8本の銅線を2本ずつ撚り合わせて、それを1つに束ねてケーブルにしている
  • ツイストケーブルはさらにケーブルをアルミ箔などでシールド処理したSTPとシールド処理がされていないUTPに分けられる
    • 一般的に使われているものは、取り回しのしやすいUTPが多い
    • 電磁ノイズの影響を強く受けやすい工場などではSTPが用いられることもある

カテゴリ

  • ツイストペアケーブルにはカテゴリという概念があり、カテゴリの大きさ=伝送速度の速さ となっている
  • 現在使われている規格に対応するものはカテゴリが5以上のもので、逆に4以下はケーブルの芯数が4となっており、注意が必要になる
  • カテゴリー1
    • 電話線等で利用される
    • 4芯2対
  • カテゴリー2
    • ISDN等で利用される
    • 8芯4対
  • カテゴリー3
    • 10BASE-T等で利用される
    • 4芯2対
  • カテゴリー4
    • TokenRing、ATM等に利用される
    • 4芯2対
  • カテゴリー5
    • 100BASE-TX等で利用される
    • 対応周波数100MHz、最大伝送速度100Mbps
    • 最大伝送距離100m
  • カテゴリー5e
    • 100BASE-TX1000BASE-T等で利用される
    • 対応周波数100MHz、最大伝送速度1Gbps
    • 最大伝送距離100m
  • カテゴリー6
    • 1000BASE-TX、10GBASE-T等で利用される
    • 対応周波数250MHz、最大伝送速度1Gbps, 10Gbps
    • 最大伝送距離100m (10GBASE-Tでは55m)
  • カテゴリー6A
    • 10GBASE-T等で利用される
    • 対応周波数500MHz、最大伝送速度10Gbps
    • 最大伝送距離100m
  • カテゴリー7
    • 10GBASE-T等で利用される。STPのみ
    • 対応周波数600MHz、最大伝送速度10Gbps
    • 最大伝送距離100m

ストレートとクロス

  • ツイストペアケーブルには、ストレートとクロスの2種類がある
  • 2種類がある理由は、2種類の物理ポートタイプ『MDI』と『MDI-X』があるため

ストレートケーブル

  • MDIとMDI-X の接続に用いるためのケーブル
    • 現在では『Auto MDI/MDI-X』と呼ばれる自動的に相手のポートタイプを判別して切り替える機能の普及でMDI-MDIやMDI-X-MDI-Xの接続にも使われている

クロスケーブル

  • MDIとMDI、MDI-XとMDI-Xの接続に用いるためのケーブル
    • 現在では『Auto MDI/MDI-X』と呼ばれる自動的に相手のポートタイプを判別して切り替える機能の普及であまり用いられなくなった

スピードとデュプレックス

  • 通信を行う各機器の設定として気を付けなければならないものとして、スピードとデュプレックスがある
    • これらが隣接機器と異なる設定となっていると、リンクアップしない、ほとんど通信ができないなどの状態になる
  • スピードとは伝送速度のこと
  • デュプレックスは双方向通信の方式のこと
    • 半二重通信(ハーフデュプレックス): 片方が送信している間、もう片方が受信のみを行う方式。現在では用いられない。
    • 双二重通信(フルデュプレックス):同時に送受信を行う方式。
  • 現在ではオートネゴシエーションと呼ばれる自動設定機能があり、特別なことがない限り、この設定を用いることで自動で最適な設定が行われる
    • ただし、これも片方の機器のみで設定が行われていても意味がないので、隣接する機器同士で両方ともオートネゴシエーションの設定にする必要がある

光ファイバーケーブル

  • 光ファイバーケーブルは光信号を用いた伝送を行うためのケーブル
  • 2芯1対で構成され、片方で受信、もう片方で送信を行う
    • 1000BASE-BXは1芯で送受信の波長を分けることで達成している
  • 光ファイバの基本的な構造はWikiを参照
    光ファイバー - Wikipedia

マルチモードとシングルモード

  • マルチモード光ファイバ
    • 1000BASE-SX10GBASE-SRで使用される
    • シングルモードより伝送損失が大きく、伝送距離が短い(550m以下)
    • シングルモードより安価で取り回ししやすいため、LANなどの比較的近距離の通信に用いられている
    • SI型とGI型があるが、現在利用されているものの大半はGI型
  • シングルモード光ファイバ
    • 1000BASE-LX、10GBASE-LXで使用される
    • 伝送損失も小さく、長距離通信ができるが、高価

SCコネクタとLCコネクタ

  • SC、LCといったコネクタの違いは、形状の違いであり、規格ではない
  • SCコネクタ
    • 押し込むとロックされ、引っ張るだけで外すことができる
    • ただしプラグが少し大きいため、LCコネクタと比べると多くのポートを利用しにくくなる
  • LCコネクタ
    • 押し込むとロックされ、外す際は小さな突起(ラッチ)を押して引き抜く
    • SCコネクタよりプラグが小さく、多くのポートを利用しやすい

補足: ツイストペアケーブルはなぜツイストしているのか

ツイストペアケーブルは、その撚り合された構造により、平行な導線の束よりも電磁ノイズを受けにくく、また外部にノイズを出しにくい構造になっている。 もともと1881年グラハム・ベルにより電話回線が電車の架線などからの電磁ノイズを受けにくいようにするために発明されたもので、現在のEthernet環境では広く使われるケーブルとなっている。

ツイストペアケーブルが電磁ノイズを受けにくい仕組み

  • ケーブルを貫く磁束に対して発生する電流は隣同士で反転しているため、打ち消しあい、外部からのノイズの影響を受けにくい

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  • ケーブルを流れる電流により発生する磁束は、隣同士で逆向きになるため、打ち消しあい、外部にノイズを出しにくい

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