100ギガビット・イーサネット
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歴史
2006年7月18日、IEEE 802.3全体会議で高速イーサネットのスタディグループ(HSSG)への参加が呼びかけられ、9月に初回会合を行った[1]。2007年6月、業界団体「Road to 100G Alliance」[2]が結成され、IEEEやITU-Tと連携して技術提案を行う[3]。
最初の標準化作業は40Gbps・100Gbpsという2つの異なる通信速度を検討したもので、2007年12月5日にプロジェクト設置[4]、2008年1月に活動開始[5]となった。複数の通信速度を単一の規格中に策定するのは、LAN用途の40Gbpsの要求とWAN用途の100Gbpsの要求を併せ持つためである[6][注 1]。このプロジェクトを発端として、以降40GbE・100GbE規格が相次いで承認されている。
- 2010年6月17日、802.3ba 承認[7][8]。10GBASE-Rの符号化方式を流用し、それらを並列接続した40GBASE-SR4/LR4 (4レーン接続)・100GBASE-SR10/CR10 (10レーン接続)や、WDMで4波長に多重化した 100GBASE-LR4/ER4 などを規定。
- 2011年3月31日、802.3bg 承認[9][10]。40GBASE-FR の名称で、2kmのシングルモードファイバー(SMF)通信。
- 2014年6月12日、802.3bj 承認[11][12]。100GBASE-KR4/KP4/CR4など、基板配線およびTwinaxケーブル通信。また、25Gbpsバス動作のPHYによる前方誤り訂正(FEC)の適用、40/100Gbps環境下におけるEnergy Efficient Ethernet (EEE)も規定。
- 2015年2月16日、802.3bm 承認[13][14]。100GBASE-SR4・40GBASE-ER4など光ファイバ通信の補完。また、光ファイバでのEEEも規定。
2014年7月、業界団体「25G Ethernet Consortium」(現・Ethernet Technology Consortium)[15]がアリスタネットワークス・ブロードコム・グーグル・メラノックステクノロジーズ・マイクロソフトの5社によって結成され、2015年9月に25G/50Gイーサネットの仕様ドラフトを公開し、これを元にした製品化やIEEEへの標準化促進が行われた[16]。
以降の規格策定では、802.3bjのPHY動作を流用した25Gbps通信ベースのアプローチを経て、1レーンで100Gbps動作するPHY仕様を前提とするものが続いている。
- 2016年6月30日、802.3bq 承認[17][18]。25G/40GBASE-Tによるツイストペアケーブル通信。
- 2016年6月30日、802.3by 承認[19]。25GBASE-SR/CR/KR など 25GbpsのMMF・銅線による短距離通信。
- 2017年12月6日、802.3cc 承認[20]。25GBASE-LR/ER など 25Gbpsの光ファイバ長距離通信。
- 2018年12月5日、802.3cd 承認[21][22]。50GBASE-SR/FR/LR/ER/CR, 100GBASE-SR2/CR2, 200GBASE-CR4/KR4/SR4など1レーン50Gbps動作ベースの各種通信。さらに、100GBASE-DRとして1レーンでの倍速動作も急遽実現化された。
- 2019年11月20日、802.3cn 承認[23]。50GBASE-ER など長距離 SMF 通信 (200GBASE-ER4, 400GBASE-ER8 と併記)。
- 2021年2月11日、802.3cu 承認[24][25]。100GBASE-FR1/LR1 など1レーンの中距離SMF通信 (400GBASE-FR4/LR4-6 と併記)。
- 2021年6月16日、802.3ct 承認[26]。100GBASE-ZR による位相偏移変調を用いた長距離 SMF 通信。
- 2022年9月21日、802.3ck 承認[27][28]。100GBASE-CR1/KR1 など1レーンの短距離銅線通信 (200GBASE-CR2/KR2, 400GBASE-CR4/KR4 と併記)。
- 2022年9月21日、802.3db 承認[29][30]。100GBASE-VR1/SR1 など1レーンの短距離 MMF 通信 (200GBASE-SR2/VR2, 400GBASE-SR4/VR4 と併記)。
物理層の実装
符号化
100ギガビット・イーサネットではPCS副層の符号化方式としていくつかの方法が提案されている。その多くは10G・25G・50Gなど低いデータレートの通信路（レーン）に伝送し、それを並列に複数束ねることで全体で100Gbpsを実現している。レーン性能向上に伴い、各方式は以下のように世代として区分されている。
- 第1世代 - 10.3125 Gbaud × NRZ (1bit/baud) × 64b/66b
- 10Gbpsベースの符号化。最初期のもので、シングルレーン10GbEで使用される符号化方式を用いてこれを4・10レーンに並列伝送して40/100GbEを実装する。100GBASE-SR10, 40GBASE-SR4などで採用された[7]。シンボルレートが小さいためエラーの影響を受けにくく比較的長距離伝送が可能であるが、束ねた本数分のケーブルを必要とするためコストがかかる。これに加え、40GBASE-LR4/ER4などの長距離通信では4波長のWDMを、100GBASE-CR10などの銅線接続ではFECを併用している。この符号化方式はIEEE 802.3により段階的に廃止が予定されている。
- 第2世代 - 25.78125 Gbaud × NRZ (1bit/baud) × 64b/66b
- 25Gbpsベースの符号化。上記を2.5倍速した信号を送受4レーン束ねて100GbEを実装したもの。100GBASE-LR4/ER4でWDMを用いて採用された[7]。一部の実装ではFECを併用するものがある。
- 第2世代(改) - 25.78125 Gbaud × NRZ (1bit/baud) × 256b/257b × RS-FEC (528,514)
- 25Gbpsベースの符号化。このシンボルレートではマルチモードファイバーでエラーが大きく出てしまうため、誤り訂正を適用したもの。100GBASE-SR4で採用された[13]。ここではビット変換方式も256b/257bに差し替えられ、その後にRS-FEC適用が続く。これにより、RS-FECのオーバーヘッドを含めても64b/66bとまったく同じデータレートになる。一部の実装では条件によってFECなしで採用しているものがある。
- 第3世代 - 26.5625 Gbaud × PAM4 (2bit/baud) × 256b/257b × RS-FEC (544,514)
- 50Gbpsベースの符号化。送受2レーンを束ねて100GbEを実装する。100GBASE-SR2で採用された。4つの異なる電圧レベルでパルス振幅変調を採用し、1シンボルに2ビットを伝送することでレーンあたりのデータレートが2倍となった[21]。符号誤り率を維持するために、FECオーバーヘッドも倍となり(2.7%→5.8%)、これによりシンボルレートがわずかに大きくなっている。
- 第4世代 - 53.125 Gbaud × PAM4 (2bit/baud) × 256b/257b × RS-FEC (544,514)
- 100Gbpsベースの符号化。半導体の進化により倍速動作が可能となったため、1レーンで完全な100GbE動作を実現した[21]。100GBASE-DRなどで採用され、さらなる高速通信規格200GbE/400GbE/800GbEにも採用されている。
トランシーバ
100ギガビット・イーサネットのサポートするさまざまな物理層媒体において、PMA・PMD副層の機能の一部は、一般に挿抜可能なモジュールによって実装される。代表的なモジュールを以下に挙げる。これらには公的な標準化はないが、マルチソースアグリーメント(MSA)に準拠している[31][32][33]。
| 名称 | サイズ [mm] | 速度 | MSA | 電気インタフェイス | 概要 |
|---|---|---|---|---|---|
| CFP | 144.8 × 82 × 13.6 | 100 Gbps | CFP MSA | CAUI-10 | 10 Gbps × 10レーンと接続する |
| 40 Gbps | CFP MSA | XLAUI | 10 Gbps × 4レーンと接続する | ||
| CFP2 | 107.5 × 41.5 × 12.4 | 100 Gbps | CFP MSA | CAUI-10, CAUI-4 | 10 Gbps × 10レーンおよび 25 Gbps × 4レーンのどちらとも接続する |
| CFP4 | 92 × 21.5 × 9.5 | 100 Gbps | CFP MSA | CAUI-4 | 25 Gbps × 4レーンと接続する |
| CXP | 62 × 24.05 × 16.21 | 100 Gbps | SFF-8642 | CPPI | 10 Gbps × 10レーンと接続する |
| CPAK | 101.2 × 34.8 × 11.6 | 100 Gbps | (Cisco独自) | CAUI-10 | 10 Gbps × 10レーンと接続する |
| CAUI-4 | 25 Gbps × 4レーンと接続する | ||||
| QSFP28 | 58.26 × 18.35 × 8.5 | 100 Gbps | SFF-8665 | CAUI-4 | 28 Gbps × 4レーンと接続する |
| QSFP+ | 40 Gbps | SFF-8635 | XLPPI | 10 Gbps × 4レーンと接続する | |
| SFP28 | 56.5 × 13.7 × 8.5 | 25 Gbps | SFF-8402 | 25GAUI | 28 Gbpsと接続する |
| SFP56 | 50 Gbps | SFF-8402 | 50GAUI-1 | 56 Gbps (PAM4 × 28 Gbaud)と接続する | |
| SFP-DD | 100 Gbps | SFP-DD MSA | 100GAUI-2 | 56 Gbps × 2レーンと接続する |
多くの実装ではこれらを挿し替えることで複数の物理層媒体をサポートすることが可能となっている。また、モジュール同士のケーブル接続の組み合わせによって、レーン接続された100GbEと、複数の10GbEや25GbEとを相互接続（ブレイクアウト）できるものもある。
規格一覧
2023年現在までにIEEE 802.3で標準化が策定されている100ギガビット・イーサネットの関連規格について媒体ごとに概説する[34][27][29]。
光ファイバーケーブル
光ファイバーケーブルによる100ギガビット・イーサネットでは、短距離用にマルチモードファイバー(OM3, OM4)を、長距離用にシングルモードファイバー(OS1, OS2)を主に用いることが規定されている。規格名称は、距離長が長くなるごとに -VR, -SR, -DR, -FR, -LR, -ER, -ZR として表現し、レーンを束ねている場合はその末尾にレーン数(10, 4, 2, 1)を付加する。
| 名称 | 規格 (項番) | ケーブル・ 距離長 | ケーブル本数 | トランシーバ | 波長 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 40GBASE-SR4 | 802.3ba-2010 (Clause82/86) |
OM3: 100 m OM4: 150 m with MPO-8 |
8 | CFP QSFP+ |
850 nm | 4レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 40GBASE-LR4 | 802.3ba-2010 (Clause82/87) |
OSx: 10 km | 2 | CFP QSFP+ |
1271, 1291, 1311, 1331 nm ± 6.5nm (4波長WDM) |
4レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 40GBASE-ER4 | 802.3bm-2015 (Clause82/87) |
OSx: 40 km | 2 | QSFP+ | 4レーン × 10GbEベース[注 2] | |
| 40GBASE-FR | 802.3bg-2011 (Clause82/89) |
OSx: 2 km | 2 | CFP | 1550 nm | 1レーン × 41.25 GBaud × 64b/66b × NRZ (1 bit/baud) |
| 名称 | 規格 (項番) | ケーブル・ 距離長 | ケーブル本数 | トランシーバ | 波長 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 25GBASE-SR | 802.3by-2016 (Clause112) |
OM3: 70 m OM4: 100 m |
2 | SFP28 | 850 nm | 1レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 25GBASE-LR | 802.3cc-2017 (Clause114) |
OS2: 10 km | 2 | SFP28 | 1295～1325 nm | 1レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 25GBASE-ER | 802.3cc-2017 (Clause114) |
OS2: 40 km | 2 | SFP28 | 1295～1310 nm | 1レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 名称 | 規格 (項番) | ケーブル・ 距離長 | ケーブル本数 | トランシーバ | 波長 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50GBASE-SR | 802.3cd-2018 (Clause133/138) |
OM3: 70 m OM4: 100 m |
2 | SFP56 | 850 nm | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 50GBASE-FR | 802.3cd-2018 (Clause133/139) |
OS2: 2 km | 2 | SFP56 | 1311 nm | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 50GBASE-LR | 802.3cd-2018 (Clause133/139) |
OS2: 10 km | 2 | SFP56 QSFP28 |
1311 nm | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 50GBASE-ER | 802.3cn-2019 (Clause133/139) |
OS2: 40 km | 2 | SFP56 QSFP28 |
1311 nm | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 名称 | 規格 (項番) | ケーブル・ 距離長 | ケーブル本数 | トランシーバ | 波長 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 100GBASE-SR10 | 802.3ba-2010 (Clause82/86) |
OM3: 100 m OM4: 150 m with MPO-20 |
20 | CXP CFP CFP2 |
850 nm | 10レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 100GBASE-LR4 | 802.3ba-2010 (Clause88) |
OSx: 10 km | 2 | QSFP28 CFP CFP2 CFP4 |
1295.56, 1300.05, 1304.59, 1309.14 nm (4波長WDM) |
4レーン × 25GbEベース[注 5] |
| 100GBASE-ER4 | 802.3ba-2010 (Clause88) |
OSx: 40 km | 2 | QSFP28 CFP CFP2 CFP4 |
4レーン × 25GbEベース[注 5] | |
| 100GBASE-SR4 | 802.3bm-2015 (Clause95) |
OM3: 70 m OM4: 100 m with MPO-8 |
8 | QSFP28 CFP2 CFP4 |
850 nm | 4レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 100GBASE-SR2 | 802.3cd-2018 (Clause138) |
OM3: 70 m OM4: 100 m with MPO-4 |
4 | QSFP28 | 850 nm | 2レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 100GBASE-DR | 802.3cd-2018 (Clause140) |
OSx: 500 m | 2 | QSFP28 SFP-DD |
1311 nm | 100GbEベース[注 6] |
| 100GBASE-ZR | 802.3ct-2021 (Clause153/154) |
OS2: 80+ km | 2 | CFP | 1546.119 nm | 27.9525 Gbaud × DP-DQPSK (4bit/baud) × SC-FEC (227/255) ≒ 99.5328 Gbps (OTN4の開発を反映して長距離に対応したもの[35]) |
| 100GBASE-FR1 | 802.3cu-2021 (Clause140) |
OSx: 2 km | 2 | QSFP28 SFP-DD |
1311 nm | 100GbEベース[注 6] |
| 100GBASE-LR1 | 802.3cu-2021 (Clause140) |
OSx: 10 km | 2 | QSFP28 SFP-DD |
1311 nm | 100GbEベース[注 6] |
| 100GBASE-VR1 | 802.3db-2022 (Clause167) |
OM3: 30 m OM4: 50 m |
2 | QSFP28 | 842～948 nm | 100GbEベース[注 6] |
| 100GBASE-SR1 | 802.3db-2022 (Clause167) |
OM3: 60 m OM4: 100 m |
2 | QSFP28 | 850 nm | 100GbEベース[注 6] |
ダイレクトアタッチケーブル
データセンター内サーバなどの100ギガビット・イーサネットLAN短距離接続として、Twinaxケーブルを用いた接続が規定されている。
| 速度 | 名称 | 規格 (項番) | コネクタ・ トランシーバ | 距離長 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100G | 100GBASE-CR10 | 802.3ba-2010 (Clause85) |
CXP CFP CFP2 |
7 m | 10レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 100GBASE-CR4 | 802.3bj-2014 (Clause92) |
QSFP28 CFP2 CFP4 |
5 m | 4レーン × 25GbEベース改[注 3] | |
| 100GBASE-CR2 | 802.3cd-2018 (Clause136) |
QSFP28 | 3 m | 2レーン × 50GbEベース[注 4] | |
| 100GBASE-CR1 | 802.3ck-2022 (Clause162) |
QSFP-DD OSFPなど |
3 m | 1レーン × 100GbEベース[注 6] | |
| 50G | 50GBASE-CR | 802.3cd-2018 (Clause133/136) |
SFP56 | 3 m | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 40G | 40GBASE-CR4 | 802.3ba-2010 (Clause82/85) |
QSFP+ | 10 m | 4レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 25G | 25GBASE-CR | 802.3by-2016 (Clause110) |
SFP28 | 5 m | 1レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 25GBASE-CR-S | 802.3by-2016 (Clause110) |
SFP28 | 3 m | 1レーン × 25GbEベース[注 5] |
バックプレーンイーサネット
IEEE 802.3apで定義された1000BASE-KX・10GBASE-KRと同様に、1メートルの基板上配線で100ギガビット・イーサネットを使用するための物理層仕様が標準化されている。
| 速度 | 名称 | 規格 | 距離長 | 配線本数 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100G | 100GBASE-KP4 | 802.3bj-2014 (Clause94) |
1 m | 8 | 4レーン × 13.59375 Gbaud (低速通信用) × PAM4 (2bit/baud) × 256b/257b × RS-FEC(544,514) × フレーム化(31280b/31320b × 90b/92b) (挿入損失: 33dB 以下 at 7 GHz) |
| 100GBASE-KR4 | 802.3bj-2014 (Clause93) |
1 m | 8 | 4レーン × 25GbEベース改[注 3] | |
| 100GBASE-KR2 | 802.3cd-2018 (Clause137) |
1 m | 4 | 2レーン × 50GbEベース[注 4] (挿入損失: 30 dB 以下 at 13.28125 GHz) | |
| 100GBASE-KR1 | 802.3ck-2022 (Clause163) |
1 m | 2 | 1レーン × 100GbEベース[注 6] | |
| 50G | 50GBASE-KR | 802.3cd-2018 (Clause133/137) |
1 m | 2 | 1レーン × 50GbEベース[注 4] |
| 40G | 40GBASE-KR4 | 802.3ba-2010 (Clause82/84) |
1 m | 8 | 4レーン × 10GbEベース[注 2] |
| 25G | 25GBASE-KR | 802.3by-2016 (Clause111) |
1 m | 2 | 1レーン × 25GbEベース改[注 3] |
| 25GBASE-KR-S | 802.3by-2016 (Clause111) |
1 m | 2 | 1レーン × 25GbEベース[注 5] |
チップ間インタフェイス
100ギガビット・イーサネットでは、PMD・PMA・PCSのPHY副層間接続に以下の3系統がある。
- PMD-PMA間の接続。初期のトランシーバでCDRがない(PMDの機能のみ持つ)場合に用いる。
- nAUI: 下表 CAUI/100GAUI-n, LAUI/50GAUI-n, XLAUI, 25GAUI の総称 (100G/50G/40G/25G Attachment Unit Interface)。
- PMAの延伸。トランシーバにCDRがある(PMAの一部機能を持つ)場合に用いる。さらに50G以上ではFECの有無で名称が異なる。
- nGMII: CGMII, 50GMII, XLGMII, 25GMII の総称 (100G/50G/40G/25G Media Independent Interface#nGMII)。
- PCS-RS間の接続。物理バスではなく論理バスとして規定される[36]。
| 速度 | 名称 | 規格 | 距離長 | 配線本数 | 符号化 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100G | CPPI | 802.3ba-2010 (Annex86A) |
- | 20 | 10レーン × 10GbEベース[注 2] (100GBASE-SR10 CXP用など) |
| CAUI-10 | 802.3ba-2010 (Annex83A/B) |
25 cm | 20 | 10レーン × 10GbEベース[注 2] (100GBASE-SR10 CFP用など) | |
| CAUI-4 | 802.3bm-2015 (Annex83E) |
25 cm | 8 | 4レーン × 25GbEベース[注 5] | |
| 100GAUI-4 | 802.3cd-2018 (Annex135D/E) |
25 cm | 8 | 4レーン × 25GbEベース改[注 3] | |
| 100GAUI-2 | 802.3cd-2018 (Annex135F/G) |
25 cm | 4 | 2レーン × 50GbEベース[注 4] | |
| 50G | LAUI-2 | 802.3cd-2018 (Annex135B/C) |
25 cm | 4 | 2レーン × 25GbEベース[注 5] |
| 50GAUI-2 | 802.3cd-2018 (Annex135D/E) |
25 cm | 4 | 2レーン × 25GbEベース改[注 3] | |
| 50GAUI-1 | 802.3cd-2018 (Annex135F/G) |
25 cm | 2 | 1レーン × 50GbEベース[注 4] | |
| 40G | XLPPI | 802.3ba-2010 (Annex86A) |
- | 8 | 4レーン × 10GbEベース[注 2] (40G QSFP+用) |
| XLAUI | 802.3ba-2010 (Annex83A/B) |
25 cm | 8 | 4レーン × 10GbEベース[注 2] (40G CFP用) | |
| 25G | 25GAUI | 802.3by-2016 (Annex109A/B) |
25 cm | 2 | 1レーン × 25GbEベース[注 5] |
ツイストペアケーブル
ツイストペアケーブル接続では、25Gbps・40Gbps通信が規定されている。カテゴリ8ケーブルで最長30メートル接続でき、オートネゴシエーションにも対応している。
25G/40GBASE-Tでの符号化方式は、2.5G/5G/10GBASE-Tと共通する系統のものを採用している[37]。
- 64ビットのデータ列を50個集め、512ビットの6ブロックと64ビットの2ブロックを作る。
- 各ブロックに1ビットのdata/ctrlヘッダを付加する(512b/513b, 64b/65b)。
- 各ブロックを結合した3208ビットをスクランブル処理し、先頭に補助ビット(Auxiliary bit)、末尾にゼロ2ビットを付与した3211ビットのフレームとする。
- 3211ビットを1488ビットと1723ビットのブロックに分割する。
- 1488ビットのブロックにRS-FEC(192, 186)を適用し、エラー訂正符号48ビットを付与して1536ビットのブロックとする。
- 1723ビットのブロックにLDPC(2048, 1723)を適用し、エラー訂正符号325ビットを付与して2048ビットのブロックとする。
- 1536ビット(=512×3)のブロックから3ビットずつ、2048ビット(=512×4)のブロックから4ビットずつ取り出し、512個の7ビット値に分割する。
- 7ビット値から2個のPAM16シンボルを生成する(DSQ128)。
- 生成したPAM16シンボルを4レーンに256個(=512×2÷4)ずつ送出する。