ギガビット イーサネットとその仕組み (2022 年ガイド)

ギガビット イーサネットでは、標準の Cat 5 UTP (シールドなしツイスト ペア) ケーブルを使用して、最大 1.000 Mbps のネットワーク転送が可能です。 Cat 5 ケーブルは最大 100 Mbps までしか伝送できないため、これをどのように実現できるでしょうか? このことと、ギガビット イーサネットのパフォーマンスに関する他の非常に興味深い問題についても説明します。

Ethernet Cat 5 ケーブルには 8 本のワイヤ (4 ペア) がありますが、10BaseT および 100BaseT 標準 (それぞれ 10 Mbps と 100 Mbps) では、これらのワイヤのうち 4 本 (2 ペア) だけが実際に使用されます。 1 つのペアはデータの送信に使用され、もう 1 つのペアはデータの受信に使用されます。

イーサネット規格ではキャンセリングと呼ばれる電磁ノイズ対策技術を採用しています。 電流がワイヤに印加されると、ワイヤの周囲に電磁場が生成されます。 この磁界が十分に強い場合、すぐ隣のワイヤに電気的干渉が発生し、そこに送信されていたデータが破損する可能性があります。 この問題はクロストークと呼ばれます。

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図 1 に示すように、キャンセルとは、同じ信号を 2 回送信することです。2 番目の信号は最初の信号と比較して「ミラーリング」(極性が反転)されます。そのため、2 つの信号を受信するときに、受信デバイスは 2 つの信号を比較できます。信号は等しいが「ミラーリング」されている必要があります。 2 つの信号の差はノイズであるため、受信デバイスはノイズが何であるかを認識し、それを破棄することが非常に簡単になります。 「データ送信」用の「+TD」ワイヤ規格と「データ受信」用の「+RD」ワイヤ規格。 「-TD」と「-RD」は、それぞれ「+TD」と「+RD」で送信されている同じ信号の「ミラーリング」バージョンです。

10BaseT 規格では、コンピュータが送信したい各ビットは単一の送信ビットに物理的にコード化されます。つまり、送信される 8 ビットのグループの場合、8 つの信号が回線上に生成されます。 10 Mbps の転送速度は、クロックが 10 MHz であることを意味しますが、各クロック サイクルで 1 ビットが送信されるだけです。 他の規格ではこれは異なります。

100BaseT は 8B/10B と呼ばれるコーディング方式を使用しており、8 ビットの各グループが 10 ビット信号にコーディングされます。 したがって、10BaseT とは異なり、各ビットは回線上の信号を直接表しません。 適切に計算すると、100 Mbps のデータ転送速度の場合、100BaseT のクロック レートは 125 MHz (10/8 x 100) になります。したがって、Cat 5 ケーブルは最大 125 MHz の伝送速度を持つことが認定されています。

ギガビット イーサネットが行うことは、コーディングを変更することです。 10BaseT のように各ビットを 1 つの信号にコーディングしたり、各 8 ビット グループを 10 ビットの信号にコーディングしたりする代わりに、信号ごとに 2 ビットをコーディングします。 したがって、ギガビット イーサネット ケーブル上の信号は、1 ビットではなく 2 ビットを表します。 つまり、単に「0」または「1」を表す信号に 2 つの電圧を使用するのではなく、「00」、「01」、「10」、および「11」を表す 4 つの異なる電圧を使用します。ギガビット イーサネットではケーブルの 4 本のワイヤのみが使用されますが、すべてのワイヤが使用されます。

これに加えて、すべてのペアが双方向で使用されます。 上で見たように、10BaseT と 100BaseT はどちらも送信と受信に異なるペアを使用します。 1000BaseT では、ギガビット イーサネット ケーブルとも呼ばれ、データの送信と受信の両方に同じペアが使用されます。

ギガビット イーサネットの利点は、125 MHz レートの 100BaseT/Cat 5 クロック レートを依然として使用していることですが、一度に送信されるデータの量が増えるため、転送レートが高くなります。 計算は非常に簡単です: 125 MHz x 信号あたり 2 ビット (つまり、ワイヤ ペアあたり) x 時間あたり 4 信号 = 1.000 Mbps。

この変調技術は 4D-PAM5 と呼ばれ、実際には 5 つの電圧を使用します (5 番目の電圧はエラー訂正メカニズムに使用されます)。

したがって、ギガビット イーサネットが 1.000 MHz で動作するというのは間違いです。 そうではありません。 ファスト イーサネット (100BaseT) と同様に 125 MHz で動作しますが、一度に 2 ビットを送信し、4 ペアのケーブルを使用するため、1.000 Mbps を達成します。

以下の表で、ギガビット イーサネット ケーブルのピン配置を確認できます。 「BI」は双方向を表し、DA、DB、DC、DD はそれぞれ「データ A」、「データ B」、「データ C」、「データ D」を表します。

最近では、いくつかのマザーボードに 1 つのオンボード ギガビット イーサネット ポートが搭載されています。 非常にハイエンドのマザーボードの中には、2 つのギガビット イーサネット ポートを備えているものもあります。 ただし、マザーボードのアーキテクチャによっては、ギガビット イーサネットの転送速度が 1.000 Mbps に達しない場合があります。

問題は、ギガビット イーサネット チップがシステムにどのように接続されるかです。 標準の PCI バスに接続されている場合、フルスピードに達しない可能性があります。 PCI バスは最大転送速度 133 MB/秒で動作しますが、ギガビット イーサネットは最大 125 MB/秒 (1.000 Mbps / 8 = 125 MB/秒) で動作します。

これら 2 つの数値を確認するだけで、ギガビット イーサネットが PCI バスに「適合」していると言えますが、問題は、PCI バスがシステムの他のいくつかのコンポーネントと共有されるため、利用可能な帯域幅が低下することです。 したがって、理論的にはギガビット イーサネットは PCI バス上で問題なく動作しますが、それはバスの帯域幅制限に近づいているだけです。

一方、PCI Express の最大転送速度は 250 MB/秒で、ポイントツーポイント接続です。つまり、この 250 MB/秒の帯域幅を他のデバイスと共有しません。ギガビット イーサネットがフルスピードを実現できるようになります。

ギガビット イーサネット チップがどのバスに接続されているかを確認するにはどうすればよいでしょうか? 基本的な方法は 3 つあります。 最も簡単な方法は、マザーボードが PCI Express バスに基づいているかどうかを確認することです。 そうでない場合、ギガビット イーサネット チップは標準の PCI バスにのみ接続できます。

2 番目の方法は、マザーボードのマニュアルまたはメーカーの Web サイトにあるマザーボードの仕様ページを参照し、そこでこの情報を探すことです。 通常、主な仕様ページには、ギガビット イーサネット コントローラーの名前の横に「PCI」または「PCI Express」と書かれており、どのバスが使用されているかがわかります。

3 番目の方法は、ギガビット イーサネット コントローラーのメーカー Web サイト (VIA、Marvell、3Com など) にアクセスし、マザーボードで使用されているモデルの主な仕様を検索することです。 そこでバスのタイプを区別する必要があります。実際の例として、図 2 で使用されているギガビット イーサネット チップを見てみましょう。1 つは Marvell 88E8001 (PCI)、もう 1 つは Marvell 88E8053 (PCI) です。 PCIエクスプレスです。 この情報は、メーカー Web サイトのマザーボード仕様ページに記載されています。

ギガビット イーサネットの元の規格は標準の Cat 5 ケーブルを使用するために開発されましたが、パフォーマンスの問題のため、ギガビット イーサネット ネットワークでは Cat 5e ケーブルを使用することを推奨している企業もあります。 Cat 5e ケーブルの最大転送速度は Cat 5 ケーブルと同じですが、クロストークとリターンロスの仕様が優れており、ノイズの影響を受けにくくなっています。

メディア サーバーは、ギガビット イーサネット経由で最大 5 つを超える 4K ストリームを提供できます。 ギガビットを使用すると、速度を低下させることなくコンピュータを相互に複数接続することもできます。 そうは言っても、ストリーミング サーバーを作成したい場合は、クラシック イーサネットではなくギガビット イーサネットを使用するのが最善の策です。

はい、イーサネット接続は常に WiFi より高速です。 理由は簡単です。 イーサネット ケーブルを介すると、無線電波を介した場合ほど速度が低下しません。 有線イーサネット ケーブル接続は、Wi-Fi よりも安全で安定しています。 私たちの言うことが信じられないなら、自分で試してみてください。 WiFi をオフにして、ケーブルをラップトップに接続します。 次に、何かをダウンロードして、大幅な速度の向上を確認してください。

これはよくある誤解ですが、VPN が機能するために WiFi やインターネットへの特定の種類の接続は必要ありません。 手段に関係なく、インターネットへの接続のみが必要です。 そうは言っても、速度の大幅な向上を確認するために、WiFi の代わりにイーサネット ケーブル経由で VPN を使用してみることを強くお勧めします。

そもそもインターネット接続が安定していると仮定すると、WiFi ネットワークに接続する代わりにイーサネット ケーブルを接続すると問題が解決する可能性がありますが、これを 100% 保証することはできません。 確かに、ケーブル接続の方がはるかに安定していますが、インターネット接続自体に問題がある場合、つまり ISP からルーティングされるトラフィックが遅延の原因である場合、ケーブル経由で接続してもあまり解決しません。