100ギガビット・イーサネット

100ギガビット・イーサネット（100 gigabit Ethernet、100GbE）は、イーサネットのうち、100Gbpsの通信速度を持つネットワーク規格の総称。

100Gbps通信の技術提案に至る過程において、25Gbps・40Gbps・50Gbpsの各通信速度を持つプロトコルも並行して策定されており、いくつかの規格は異なる通信速度を同一の規格名称で標準化しているため、これらについても本項で記載する。

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。2007年6月、業界団体「Road to 100G Alliance」が結成され、IEEEやITU-Tと連携して技術提案を行う。

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、2008年1月に活動開始となった。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。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。

2014年7月、業界団体「25G Ethernet Consortium」(現・Ethernet Technology Consortium)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（英語版）・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。

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。

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。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。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。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。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。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。
QSFP+

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。

名称サイズ [mm]速度MSA電気インタフェイス概要
CFP144.8 × 82 × 13.6 100 GbpsCFP MSACAUI-1010 Gbps × 10レーンと接続する
40 GbpsCFP MSAXLAUI10 Gbps × 4レーンと接続する
CFP2107.5 × 41.5 × 12.4100 GbpsCFP MSACAUI-10, CAUI-410 Gbps × 10レーンおよび 25 Gbps × 4レーンのどちらとも接続する
CFP492 × 21.5 × 9.5100 GbpsCFP MSACAUI-425 Gbps × 4レーンと接続する
CXP62 × 24.05 × 16.21100 GbpsSFF-8642CPPI10 Gbps × 10レーンと接続する
CPAK101.2 × 34.8 × 11.6100 Gbps(Cisco独自) CAUI-1010 Gbps × 10レーンと接続する
CAUI-425 Gbps × 4レーンと接続する
QSFP2858.26 × 18.35 × 8.5100 GbpsSFF-8665CAUI-428 Gbps × 4レーンと接続する
QSFP+40 GbpsSFF-8635XLPPI10 Gbps × 4レーンと接続する
SFP2856.5 × 13.7 × 8.525 GbpsSFF-840225GAUI28 Gbpsと接続する
SFP5650 GbpsSFF-840250GAUI-156 Gbps (PAM4 × 28 Gbaud)と接続する
SFP-DD100 GbpsSFP-DD MSA100GAUI-256 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。

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。

40GbE 光ファイバーケーブル規格
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
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
40GBASE-ER4 802.3bm-2015
(Clause82/87)		 OSx: 40 km 2 QSFP+ 4レーン × 10GbEベース
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)
25GbE 光ファイバーケーブル規格
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
25GBASE-LR 802.3cc-2017
(Clause114)		 OS2: 10 km 2 SFP28 1295～1325 nm 1レーン × 25GbEベース改
25GBASE-ER 802.3cc-2017
(Clause114)		 OS2: 40 km 2 SFP28 1295～1310 nm 1レーン × 25GbEベース改
50GbE 光ファイバーケーブル規格
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
50GBASE-FR 802.3cd-2018
(Clause133/139)		 OS2: 2 km 2 SFP56 1311 nm 1レーン × 50GbEベース
50GBASE-LR 802.3cd-2018
(Clause133/139)		 OS2: 10 km 2 SFP56
QSFP28		 1311 nm 1レーン × 50GbEベース
50GBASE-ER 802.3cn-2019
(Clause133/139)		 OS2: 40 km 2 SFP56
QSFP28		 1311 nm 1レーン × 50GbEベース
100GbE 光ファイバーケーブル規格
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
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
100GBASE-ER4 802.3ba-2010
(Clause88)		 OSx: 40 km 2 QSFP28
CFP
CFP2
CFP4		 4レーン × 25GbEベース
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
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
100GBASE-DR 802.3cd-2018
(Clause140)		 OSx: 500 m 2 QSFP28
SFP-DD		 1311 nm 100GbEベース
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)
100GBASE-FR1 802.3cu-2021
(Clause140)		 OSx: 2 km 2 QSFP28
SFP-DD		 1311 nm 100GbEベース
100GBASE-LR1 802.3cu-2021
(Clause140)		 OSx: 10 km 2 QSFP28
SFP-DD		 1311 nm 100GbEベース
100GBASE-VR1 802.3db-2022
(Clause167)		 OM3: 30 m
OM4: 50 m		 2 QSFP28 842～948 nm 100GbEベース
100GBASE-SR1 802.3db-2022
(Clause167)		 OM3: 60 m
OM4: 100 m		 2 QSFP28 850 nm 100GbEベース

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
100GBASE-CR4 802.3bj-2014
(Clause92)		 QSFP28
CFP2
CFP4		 5 m 4レーン × 25GbEベース改
100GBASE-CR2 802.3cd-2018
(Clause136)		 QSFP28 3 m 2レーン × 50GbEベース
100GBASE-CR1 802.3ck-2022
(Clause162)		 QSFP-DD
OSFPなど		 3 m 1レーン × 100GbEベース
50G 50GBASE-CR 802.3cd-2018
(Clause133/136)		 SFP56 3 m 1レーン × 50GbEベース
40G 40GBASE-CR4 802.3ba-2010
(Clause82/85)		 QSFP+ 10 m 4レーン × 10GbEベース
25G 25GBASE-CR 802.3by-2016
(Clause110)		 SFP28 5 m 1レーン × 25GbEベース改
25GBASE-CR-S 802.3by-2016
(Clause110)		 SFP28 3 m 1レーン × 25GbEベース

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
100GBASE-KR2 802.3cd-2018
(Clause137)		 1 m 4 2レーン × 50GbEベース
(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
50G 50GBASE-KR 802.3cd-2018
(Clause133/137)		 1 m 2 1レーン × 50GbEベース
40G 40GBASE-KR4 802.3ba-2010
(Clause82/84)		 1 m 8 4レーン × 10GbEベース
25G 25GBASE-KR 802.3by-2016
(Clause111)		 1 m 2 1レーン × 25GbEベース改
25GBASE-KR-S 802.3by-2016
(Clause111)		 1 m 2 1レーン × 25GbEベース

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。
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。
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。
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
(100GBASE-SR10 CXP用など)
CAUI-10 802.3ba-2010
(Annex83A/B)		 25 cm 20 10レーン × 10GbEベース
(100GBASE-SR10 CFP用など)
CAUI-4 802.3bm-2015
(Annex83E)		 25 cm 8 4レーン × 25GbEベース
100GAUI-4 802.3cd-2018
(Annex135D/E)		 25 cm 8 4レーン × 25GbEベース改
100GAUI-2 802.3cd-2018
(Annex135F/G)		 25 cm 4 2レーン × 50GbEベース
50G LAUI-2 802.3cd-2018
(Annex135B/C)		 25 cm 4 2レーン × 25GbEベース
50GAUI-2 802.3cd-2018
(Annex135D/E)		 25 cm 4 2レーン × 25GbEベース改
50GAUI-1 802.3cd-2018
(Annex135F/G)		 25 cm 2 1レーン × 50GbEベース
40G XLPPI 802.3ba-2010
(Annex86A)		 - 8 4レーン × 10GbEベース
(40G QSFP+用)
XLAUI 802.3ba-2010
(Annex83A/B)		 25 cm 8 4レーン × 10GbEベース
(40G CFP用)
25G 25GAUI 802.3by-2016
(Annex109A/B)		 25 cm 2 1レーン × 25GbEベース

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。

名称規格ケーブル・
距離長		シンボルレート符号化備考
40GBASE-T 802.3bq-2016
(Clause113)		 Cat8: 30 m 3.2 Gbaud 10GBASE-Tベース 10GBASE-T × 4ポートへのブレイクアウトは不可。
25GBASE-T 802.3bq-2016
(Clause113)		 Cat8: 30 m 2.0 Gbaud 10GBASE-Tベース

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。

  1. 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。
  2. 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)。
  3. 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。
  4. 3211ビットを1488ビットと1723ビットのブロックに分割する。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 7ビット値から2個のPAM16シンボルを生成する(DSQ128)。
  9. 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。

出典と注記

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  37. ↑ IEEE 802.3-2022, Section 113.3.2.2

注記

  1. ↑ 異なる通信速度が1プロジェクトの中で規定される例は過去にもあり、IEEE 802.3ah-2004ではEPON関連規格として 2BASE-TL, 10PASS-TS, 100BASE-BX, 1000BASE-PXなどが標準化された。
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10Gbps = 10.3125 Gbaud × 64b/66b × 1bit/baud (NRZ)
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 25Gbps = 25.78125 Gbaud × 256b/257b × 528/544 (RS-FEC) × 1bit/baud (NRZ)
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 50Gbps = 26.5625 Gbaud × 256b/257b × 514/544 (RS-FEC) × 2bit/baud (PAM4)
  5. 1 2 3 4 5 6 7 25Gbps = 25.78125 Gbaud × 64b/66b × 1bit/baud (NRZ)
  6. 1 2 3 4 5 6 7 100Gbps = 53.125 Gbaud × 256b/257b × 514/544 (RS-FEC) × 2bit/baud (PAM4)
  7. 1 2 4ペア × 7/2 bit/baud (DSQ128) × ((64 × 50) / (1536 + 2048)) (RS-FEC, LDPC, フレーム化) = 12.5 bps/baud

外部リンク