【OSI 参照モデル L1 物理層】イーサネットケーブルとは

OSI 参照モデルTCP/IP モデルTCP/IP プロトコル実装
アプリケーション層アプリケーション層HTTP, DNS, DHCP,
SSH, MIME, TLS
アプリケーション
プログラム
プレゼンテーション層
セッション層
トランスポート層トランスポート層TCP, UDPOS
ネットワーク層インターネット層IP, ICMP, ARP, IPSec
物理層
OSI 参照モデルTCP/IP は完全に 1:1 ではない。ARPデータリンク層ネットワーク層の間 (詳しくはここ)。
物理層/ネットワークインターフェイス層物理層とは、「有線/無線」や「信号 (電気・光・電波)」に関するルールを決める層です。
有線/電気
有線/光
無線/電波
イーサネット (Ethernet/IEEE 802.3)イーサネットとは、有線 LAN ケーブルの規格を決める TCP/IP プロトコルの1つです。

ちなみに、無線 LAN の代表的な規格は Wi-Fi (IEEE 802.11) です。

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イーサネットケーブル

イーサネットケーブルの種類

イーサネットで利用するケーブルには、次の3種類があります。

光ファイバーケーブルツイストペアケーブル同軸ケーブル
画像
中身
芯線光ファイバー銅線 (メタルケーブル)銅線 (メタルケーブル)
信号電気電気
利用例光ケーブルLAN ケーブル, 電話線テレビケーブル
電磁ノイズ影響無し影響大: UTP ケーブル
影響小: STP ケーブル
影響小
配線難・曲げると割れ易い易・柔かい・曲げ易い難・曲げると痛み易い
通信方式 (後述)全二重通信全二重通信半二重通信
現在の利用率利用拡大中現在主流現在はほぼ使わない
参考: https://www.infraexpert.com/study/ethernet2.html, https://www2.edu.ipa.go.jp/gz/

なお、ツイストペアケーブルには、主に次の2種類が存在します。

  • UTP (Unshielded Twisted Pair): ノイズを遮断するシールド加工無し
  • STP (Shielded Twisted Pair): ノイズを遮断するシールド加工有り

以降では、現在 LAN ケーブルで主流の UTP ケーブルについて説明します。

UTP ケーブルの種類

UTP ケーブルには次の二種類が存在します。

  • ストレートケーブル
  • クロスケーブル
https://www.infraexpert.com/study/ethernet3.html

UTP ケーブルが2種類ある理由は、有線のネットワークインターフェイスに関係します。

ネットワークインターフェイス

ネットワークインターフェイスとは、通信するための機器のことです。

主なネットワークインターフェイスは、以下のとおりです。

外付け型・有線
NIC (Network Interface Card)
内蔵型・有線
内蔵型・無線

UTP ケーブルは、有線用のネットワークインターフェイスの差し込み口に接続して使います。

ネットワークインターフェイスの詳細

有線用のネットワークインターフェイスの内部は、送信機 (Tx) と受信機 (Rx) に分かれています。

通信する際は、以下のように送信機 (Tx) と受信機 (Rx) を UTP ケーブルで繋ぎます。

この UTP ケーブルは、配線がクロスになっているので、クロスケーブルと呼ばれます。

送信機 (Tx) と受信機 (Rx) が反対になったネットワークインターフェイス (MDI-X) も存在します。

パソコン、ルーター用
スイッチやハブ用

MDI と MDI-X は、UTP ケーブルをストレートに配線するので、ストレートケーブルと呼びます。

なお、ネットワークインターフェイス内で、送信機 (Tx) と受信機 (Rx) に分かれている理由は、コリジョンを回避するためです。

コリジョン (衝突)

コリジョンとは、信号同士が衝突し、正しくデータが送受信できないことです。

データの送受信を同時に行う場合、コリジョンが発生するので通信できなくなります。

コリジョンの回避方法 (CSMA/CD)

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)とは、以下の3つの機能でコリジョンを回避する方式です。

・CS:通信開始前に、現在通信中の端末がいないか確認
・MA:通信中の端末がいなければ自分の通信を開始(複数の端末が同じ通信路を共用)
・CD:複数の端末が同時に通信を開始した場合は検知し、ランダムな時間を待機して再送
(同じ時間待機すると、再び同時に再送してしまうため、ランダムな時間を待機する)

なお、コリジョンが発生するか否かは、以下のように通信方式で決定します。

  • 半二重通信:コリジョンが発生する
  • 全二重通信:コリジョンが発生しない

半二重通信 (half duplex)

半二重通信とは、通信路が1つしかなく、データの送信と受信を同時に行えない通信です。

同軸ケーブルは半二重通信であり、送受信を同時にするとコリジョンが発生して通信できません。

半二重通信は不便なので、現在は全二重通信が普及しています。

全二重通信 (full duplex)

全二重通信とは、通信路が2つあり、データの送信と受信を同時に行える通信です。

ツイストペアケーブルは全二重通信であり、送受信を同時にしてもコリジョンが発生しません。
(送信と受信で別の経路を使うので、信号がぶつからない)

イーサネット規格名

イーサネット規格名は、ケーブルの仕様に合わせて以下のように命名されます。

  • イーサネット規格名(10BASE2等):<伝送速度><伝送形式><最長距離>
  • イーサネット規格名(1000BASE-T等):<伝送速度><伝送形式>-<ケーブルの種類>

例えば、新イーサネット規格名の「1000BASE-T」は以下を表します。

  • 伝送速度: 1000 = 1000Mbps
  • 伝送形式: BASE = ベースバンド方式
  • ケーブルの種類: T = ツイストペアケーブル

命名規則の詳細

命名規則説明
伝送速度単位は Mbps。数字の後にGが付くと Gbps
伝送形式BASE はベースバンド方式 (デジタル信号)。現在はこっちだけ
BROADブロードバンド方式(アナログ信号)
最長距離単位は "基本的に" 100m。10BASE5だと 500m。例外あり
ケーブルの種類「T」はツイストペアケーブル
「F」は光ファイバーケーブル
・「S(Short)」距離の短い光マルチモード
・「L(Long)」距離の長い光シングルモードが多い
・「C(Coaxial)」同軸ケーブル

イーサネット規格名の一覧

規格名通信速度主な使用ケーブル距離
10BASE2(旧規格名)10Mbps50Ω同軸 (5mm)185m
10BASE5(旧規格名)50Ω同軸 (12mm)500m
10BASE-TUTP (カテゴリ CAT3)100m
10BROAD36(旧規格名)75Ω同軸3600m
10BASE-F10BASE-FB光マルチモード2000m
10BASE-FP光マルチモード1000m
10BASE-FL光マルチモード2000m
100BASE-T100BASE-TX100MbpsUTP (カテゴリ CAT5)100m
100BASE-T4UTP(4対 カテゴリ CAT3)100m
100BASE-T2UTP(2対 カテゴリ CAT3)100m
100BASE-F100BASE-FX光マルチモード/シングルモード2000m/20km
1000BASE-T1000BASE-T1000MbpsUTP(4対 カテゴリ CAT5e)100m
1000BASE-TXUTP(4対 カテゴリ CAT6)100m
1000BASE-X1000BASE-SX光マルチモード550m
1000BASE-LX光マルチモード/シングルモード550m/5000m
1000BASE-CX同軸ケーブル(2芯並行)25m
2.5GBASE-T2.5GbpsUTP(4対 カテゴリ CAT5e)100m
5GBASE-T5GbpsUTP(4対 カテゴリ CAT6)100m
10GBASE-T10GbpsUTP(4対 カテゴリ CAT6/CAT6a)55m/100m
10GBASE-R10GBASE-SR光マルチモード300m
10GBASE-LR光シングルモード10km
10GBASE-ER光シングルモード40km
10GBASE-ZR光シングルモード40km以上
10GBASE-W10GBASE-SW光マルチモード300m
10GBASE-LW光シングルモード10km
10GBASE-EW光シングルモード40km
10GBASE-X10GBASE-LX4光シングルモード10km
10GBASE-CX4対2芯銅線 (CX4) 同軸15m
25GBASE-T25GbpsSTP(4対 カテゴリ CAT7)30m
40GBASE-T40GbpsSTP(4対 カテゴリ CAT7)30m

ファストイーサネット

ファストイーサネットとは、100Mbps の通信に対応した規格 (100BASE-TX) のことです。

ファストイーサネットの特徴は以下のとおりです。

現在では、ギガビットイーサネット、10 ギガビットイーサネット、100 ギガビットイーサネット...と、早くなってます。

カテゴリ

LAN ケーブル (ツイストペアケーブル) は、イーサネット規格名とは別に、カテゴリという規格でも分類されます。

カテゴリイーサネット規格名伝送速度伝送周波数帯域シールド距離
CAT1無し (電話線)20kbps100kHz任意-
CAT21BASE54Mbps1MHz任意-
CAT310BASE-T
10BASE-T2
10BASE-T4
10Mbps16MHz任意100m
CAT410BASE-T416Mbps20MHz任意100m
CAT5100BASE-TX
1000BASE-T
100Mbps100MHz任意100m
CAT5e100BASE-TX
1000BASE-T
1Gbps100MHz任意100m
CAT65GBASE-T
10GBASE-TX
1Gbps or 10Gbps250MHz任意55m/
100m
CAT6a10GBASE-T10Gbps500MHzF/UTP※100m
CAT710GBASE-T
25GBASE-T
10Gbps600MHzS/FTP※50m
CAT7a-40Gbps or 100Gbps1000MHzS/FTP※15m
CAT840G-BASE-T40Gbps2000MHzF/UTP※30m
https://ja.wikipedia.org/wiki/
※被覆なしを「U」、細い金属線を網状に編んだ組編シールドを「S」、金属薄膜(フォイル)による被覆を「F」
例:S/FTP = Shielded and Foiled Twisted Pair
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物理層のネットワーク機器

イーサネットの物理層で利用するネットワーク機器は以下の2つです。

  • リピーター
  • リピーターハブ

リピーター

リピーターとは、以下の機能を持つ機器です。
・電気信号を「増幅」して、ケーブルの規格の使用可能距離を伸ばす
・電気信号を「整形」して、ノイズで崩れた電気信号を元に戻す
https://www.infraexpert.com/study/ethernet6.html

リピーターハブ

リピーターハブとは、ポート(ケーブルの差し込み口)が複数あるリピーターです。
受け取ったデータを他の全員に転送する機能を持ちます。
192.168.0.1 <--> 192.168.0.2 で通信

必ず全てのポートに転送するので、他人宛のデータを受け取ると、破棄します。

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最後に

OSI 参照モデルの「L1/物理層」に関する説明は以上となります。

OSI 参照モデルTCP/IP モデルTCP/IP プロトコル実装
アプリケーション層アプリケーション層HTTP, DNS, DHCP,
SSH, MIME, TLS
アプリケーション
プログラム
プレゼンテーション層
セッション層
トランスポート層トランスポート層TCP, UDPOS
ネットワーク層インターネット層IP, ICMP, ARP, IPSec
物理層
OSI 参照モデルTCP/IP は完全に 1:1 ではない。ARPデータリンク層ネットワーク層の間 (詳しくはここ)。

参考記事

3 Minutes Networking
ネットワークエンジニアとして
ネットワークエンジニアに必要なネットワーク技術とCisco・Juniper・F5製品の技術解説。NWエンジニアの仕事内容や年収を紹介。ネットワークスペシャリスト、CCNA/CCNP/CCIEの情報発信。
無線LANの規格まとめ(IEEE802.11)
Wi-Fiの規格「IEEE 802.11」全種類を総チェック!
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