Granite River Labs, GRL
Raymond Huang 黃睿
イーサネットは、ローカルエリアネットワーク（LAN）で最もよく使われる技術の一つであり、この分野で最も普及率の高いネットワークアーキテクチャです。 その仕様はIEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）によって作成され、IEEE 802.3規格に盛り込まれています。 本稿では、Ethernet（10M/100M/1000M）規格と関連試験を紹介します。
イーサネットは、ネットワーク上の複数のノードが、ケーブルやファイバーチャネルなどのメディアを介して情報を伝送するように設計されています。 各ノードは特定のアドレス番号 （重複しない固有の48ビットMACアドレス（Media Access Control Address））を持つことで、ノード間の識別を確実に行い、伝送エラーを回避することができます。
イーサネットを知るためには、次の2つの専門用語を知っておく必要があります。
- ネットワークトポロジー(network topology)
- キャリアセンス・マルチプルアクセス/コリジョン検出（CSMA/CD）
ネットワークトポロジー(network topology)
ネットワークトポロジーには様々な構造があり、その中でもスタートポロジーとバストポロジーがよく知られています。
スター型トポロジーでは，ホストが周囲のワークステーションを制御し，ツイストペアや光ファイバーなどのメディアを介してポイント・ツー・ポイント接続され（図1）， ルーティングやネットワーク保守に便利なスター構造を形成します。 このネットワークには、ホストの品質と安定性が不可欠です。
図１ スター型トポロジー
バス型トポロジカルは、特定のホストを中核とせず、特定の伝送メディアでネットワークを共有するものです（図2）。 伝送メディアは、ツイストペア、同軸ケーブル、ハブが一般的に使用されるバス・トポロジカル構造です。 ルーティングも容易で、機器の追加や削除の際にも特に設定の必要はありません。 伝送路の一部で問題が発生すると、ネットワーク全体が麻痺してしまうという欠点があります。
図２ バス型トポロジー
キャリアセンス・マルチプルアクセス/コリジョン検出（CSMA/CD）
CSMA/CDは主にバス構造で運用されます。 データを送信したいすべてのホスト（またはワークステーション）は、伝送メディアにデータをブロードキャストする必要があり、一方、すべてのワークステーションはネットワーク上にブロードキャストされたデータを受信できる必要があります。
理想的には、一定期間に1つのソースのみが情報を送信します。データを送信する前に、ホスト（またはワークステーション）は、ネットワーク上で信号が送信されているかどうかを確認する必要があります。 他の信号源が送信していないかを確認し、ネットワーク上の他のワークステーションがアイドル状態であれば、データを送信することができます。 2つのホスト（またはワークステーション）が同時に信号を送信すると、図3のようにネットワーク上で信号間の衝突（コリジョン）が発生し、メッセージエラーとなり受信できません。
衝突が発生した場合、送信中の他のユニットは信号の送信を停止しなければなりません。送信端末はJamming Signalを送信し、他のワークステーションに衝突が発生したこと、信号の送信を停止することを通知します。 送信端末は、ランダムな待ち時間を経て再送信します。
図３ 信号の衝突
10は10Mbps、Baseはベースバンド、TはTwisted Pair、10Base-TはCat-3 UTPの略称です。
10Base-Tの符号化はマンチェスター符号を使用しており、信号レベルの遷移(低から高、高から低)でデータビット（０または１）を表します。送りたい信号の2倍の周波数が必要となります。 CSMA/CDの特徴はそのままに、図4のようなツリートポロジー（スターとバスのハイブリッド）のネットワーク構造になっています。
• 10Base-T：(IEEE 802.3 Clause 1 through Clause 20)
10は10Mbps、Baseはベースバンド、TはTwisted Pair、10Base-TはCat-3 UTPの略称です。
10Base-Tの符号化はマンチェスター符号を使用しており、信号レベルの遷移(低から高、高から低)でデータビット（０または１）を表します。送りたい信号の2倍の周波数が必要となります。 CSMA/CDの特徴はそのままに、図4のようなツリートポロジー（スターとバスのハイブリッド）のネットワーク構造になっています。
図４ 10Base-Tトポロジー
図 4 に示すようなHUBは、バスの一般的なデバイスです。図のホストとハブが切断されても、ホストとPC間のメッセージの送受信には影響をあた得ません。
ハブは、ルーティングとネットワーク保守において、両方のトポロジーの利点を持っています。
10MBASE-TのCSMA/CDの特性試験は、同等のTPM（Twisted Pair Model）を用いてでテストすることになります。 試験条件は、送信機と受信機を接続した後、リンクパルスと送信信号がアイドルに戻ったときとします。
また、DUTのインピーダンス値が仕様に適合していることを確認する必要があります。これは、リターンロスの結果に影響します。詳細な試験項目は表1に示します。
表 1
• 100Base-TX：(IEEE 802.3 Clause 21 through Clause 33)
100BASE-TXは100Mbpsで伝送され、Xは米国規格協会が提唱するX3T9.5規格に適合したスペックであることを意味しています。100BASE-TXは、送信用と受信用の2組のツイストペアを使用します。高周波信号を伝送するため、通常、信号品質を確保するために、帯域幅の広いCat-5 UTPを使用します。
10Base-Tとの違いは、符号化方式とAuto negotiation機能です。100Base-TXでは、マンチェスター符号の代わりに4B/5B変換とNRZI（Non-Return Zero Inverted code）を採用しています。そして、MLT-3（Multi-Level Transmission-3）で符号化し、図5に示すように伝送します。したがって、ケーブルの必要帯域は31.25MHz（100×5/4×1/2×1/2＝31.25MHz）となります。主なテストは、MLT-3のシグナルインテグリティのテストです。
図５ MLT-3 符号化
100Base-TXは、10Base-Tの伝送との下位互換のためにオートネゴシエーション機能を搭載しています。 送信機を受信機に接続した後、オートネゴシエーションにより受信機がサポートする伝送速度、信号チャネル数、伝送モード（全二重または半二重）等の能力を判断し、伝送条件を確立します。
MLT-3では差動信号のピークが重要であるため，正負両電圧のピーク電圧（+Vout, -Vout）とオーバーシュートが規定されています。 また、正負の電圧の対称性が要求されます。 また、図6のように電圧だけでなく、タイムオフセットも重要な項目です。 タイムオフセットが大きすぎると、信号が歪み、受信機で0または1と誤判定されることになります。表2の詳細な試験項目を参照してください。
図６ タイムオフセット
表2 100Base-Tx 試験項目
• 1000Base-T：(IEEE 802.3z, IEEE 802.3ab)
1000Base-T ギガビットイーサネット（GBE）の通信プロトコルも CSMA/CD 方式です。 伝送ケーブルは Cat-5 UTP、信号伝送は 4 ペアのツイストペア、符号化は PAM-5(Pulse Amplitude Modulation 5)で、図 7 のようにエンコードされます。
図７ 1000Base-T （PAM5） Signaling
4対のツイストペアが同時に信号を送受信し、それぞれの周波数は250MHzです。 加えて、電圧レベルを5値に分割し、1クロックで2ビットの情報を送るパルス振幅変調 (PAM5) を使用することで周波数を低く抑えています。 符号化処理によって毎秒1Gbitのデータを8ビットごとに送り出しているためにシンボルレートは125MBaudとなります。 1000Base-Tは100/10Base-Tと下位互換性があり、100Base-TXと同じAuto negotiation機能を持っています。 性能が等しくない場合は，100Base-TXで伝送することが可能です。また、1000Base-Tで使用されているPAM5符号は、Pulse-Shapingの特性を持っており、高周波ノイズと低周波成分を低減し、最終的にS/N比を向上させます。
1000Base-T の試験項目を表 3 に示します。 各項目は、仕様により試験条件が異なります。
表３ 1000Base-T テスト項目
• Test Mode 1:
Pattern Test Mode 1でのテストは、PAM-5の5つの正確な位置を確認し、データ伝送にエラーがないことを確認し、A、B、C、Dなどの点の電位が大きくずれないこと、Fに対するG、Hに対するJが大きく減衰しないこと(Droop)を確認するために使用されます。 また、信号波形を詳細に確認するためにTemplateも用意されています。
圖 8
• Test Mode 2 ,3:
テストモード2,3でのテストは、図9の62.5MHzの周期信号が使用されます。 テストモード2,3は、マスターモードとスレーブモードのパターンでオートネゴシエーションのジッター量を確認します。 安定したオートネゴシエーションのために行うテストです。
図９ Test Mode-2,3 テスト信号波形
• Test Mode 4:
テストモード4でのテストでは、送信機は図10に示すような線形帰還シフトレジスタで生成された疑似ランダム波形を用います。 図11は、線形帰還シフトレジスタの模式図です。 11ビット目以降のビットは排他的論理和をとり、出力されるます。 詳細は、IEEE802.3abを参照してください。
繰り返しテスト信号により、理想波形との差異がIEEE規格内であることを確認し、各PairのCommon Modeレベルが規格を満たしているかを確認します。
図１０ Test Mode-4 テスト信号波形
図１１ 11ビット 線形帰還シフトレジスタ
本稿では、代表的な10/100/1000Base-Tについてテストの事前知識として紹介しました。 ここで紹介した規格以外にもイーサネットには、さまざまな種類の仕様や伝送方式があります。
近年、企業におけるクラウドコンピューティングの需要の高まりに伴い、サーバーの需要が増加していることがわかりました。 このような背景から、ネットワークインターフェイスの高度化が進み、さらなる伝送速度の向上が進んでいます。イーサネットについてもっと知りたい方は、Granite River Labs（GRL）までご連絡ください。
参考文献
- IEEE Standard for Ethernet (IEEE Std 802.3™-2018)
- Keysight N5392A/N5392B Ethernet Compliance Test Application MOI
- https://linksprinterblog.wordpress.com/2014/05/14/there-is-more-to-life-than-increasing-its-speed/
- Wiki MLT-3 encoding
著者
Raymond Huang Test Engineer of GRL, Taiwan
国立台湾大学化学工学部修士課程修了。2年以上のテスト経験を持つ。DisplayPort DisplayHDR、Ethernetテスト仕様などに精通。
GRL技術論文の著者、および講師を務める。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2021/02/25 AN-210225-TW
