100BASE-T4とは？カテゴリ3ケーブルにも対応する100Mbpsイーサネット物理層規格の特徴と仕組み
100BASE-T4は、100Mbps Ethernetの物理層規格の一つです。
従来のカテゴリ3ケーブルでも利用できるよう、4本のツイストペアを活用し、3本でデータの送受信、1本で衝突検出を行います。
信号のクロックは25MHzとなっており、全二重通信は基本的にサポートされません。
基本構造と技術的特徴
100BASE-T4は、100Mbpsのデータ転送を実現するために、従来の規格とは異なる物理的構造を採用しています。
ここでは、ツイストペアケーブルの使い分けや採用されたクロック周波数、さらに古いケーブルとの互換性について解説します。
ツイストペアの役割
100BASE-T4では、全体で4本のツイストペアが使用され、そのうち3本はデータの送受信用、1本は衝突検出専用に割り当てられています。
各ペアの役割を正しく理解することで、信号伝送の仕組みや設計上の工夫が明確になります。
送受信用の3本のペア
- 3本のペアは、データの送信と受信に共用されるチャネルとして活用されています。
- 各チャネルには、デジタル信号が時間分割方式で入力され、全体として100Mbpsの転送速度を実現します。
- 送受信が同一のペアを共有するため、全二重通信ではなく半二重通信方式が採用され、送受信のタイミング調整が重要となります。
衝突検出用の1本のペア
- 残りの1本は、ネットワーク上で生じる送信衝突(コリジョン)の検知に専念します。
- 衝突検出回路は、送受信用の信号に加え、この専用ペアからの情報を参照することで、タイムリーな衝突検出を実現します。
- この仕組みにより、複数の端末が同時にデータを送信した場合でも、ネットワークの整合性が保たれるよう工夫されています。
クロック周波数と通信方式
100BASE-T4では、クロック周波数や通信方式にも特徴的な工夫が施されています。
これにより、カテゴリ3ケーブルなど従来のインフラでも100Mbpsの伝送が可能となりました。
25MHzクロックの採用理由
- 従来の100BASE-TXでは125MHzの高クロックが必要でしたが、100BASE-T4は信号のクロックを25MHzに低下させています。
- クロック周波数を低く採用することで、ケーブルの減衰やノイズの影響を軽減し、古いカテゴリ3ケーブルでも動作が保証される設計となっています。
- 低いクロック周波数ながら、複数チャネルの並列利用により、合計100Mbpsのデータ転送速度を維持しています。
半二重通信方式の仕組み
- 送受信用のチャネルが統合されているため、同時に送信と受信が行われる全二重通信はサポートされません。
- 半二重通信では、送信中に他の端末からの信号が同時に受信されるケースがあるため、衝突検出用の専用ペアがこの状況に対応する役割を果たします。
- この方式により、ネットワーク上の信号の混線を防ぐため、各端末間で送信タイミングの調整が行われる仕組みが採用されています。
ケーブル互換性
100BASE-T4のもう一つの重要な特徴は、古いカテゴリ3ケーブルとの互換性です。
これにより、既存のネットワークインフラの活用が促進されています。
カテゴリ3ケーブルとの適合性
- カテゴリ3ケーブルは、かつて電話回線などに広く利用されたケーブルであり、敷設工事済みの環境に多く存在します。
- 100BASE-T4は、カテゴリ5ゾーンのケーブルが普及する前に構築されたネットワーク環境でも100Mbpsでのデータ転送が可能となるよう設計されています。
- この互換性により、古いネットワーク環境のアップグレードにかかるコストが抑えられるとともに、インフラ資産の有効活用が実現されています。
動作原理と信号伝送の仕組み
次に、100BASE-T4の動作原理と、信号の変調・伝送のプロセス、さらには衝突検出の工程について詳しく説明します。
これらの仕組みが、どのようにして安定した100Mbpsのデータ転送を実現しているのかに注目していただければと思います。
信号変調と伝送プロセス
100BASE-T4では、各ツイストペアにおいて信号の変調が工夫されています。
伝送プロセスの流れに沿って、デジタル信号処理の基本から速度実現の背後にある技術までを解説します。
デジタル信号の処理方法
- 送信側では、デジタルデータがまず複数のチャネルに分割されます。
- 各チャネルでは、25MHzのクロックに合わせて信号が変調され、適切なタイミングでツイストペアに送出されます。
- 受信側では、分割された信号が再統合され、元のデジタルデータに復元される仕組みが設けられています。
データ伝送速度の実現メカニズム
- 各チャネルで伝送される信号は、並列通信の形態を取り、全体として100Mbpsという高い転送速度を実現しています。
- 複数のチャネルを同時に利用することにより、低クロックでも合計速度を向上させる設計が採用されています。
- この技術により、カテゴリ3ケーブルの物理的制約を克服しながらも、高速通信が可能となります。
衝突検出の工程
半二重通信方式を採用するため、送受信のタイミング管理と衝突検出が不可欠となります。
以下では、衝突検出に関するプロセスと具体的な手法について説明します。
伝送タイミングと検出手法
- 送信中は、衝突検出用の専用チャネルが常に監視状態となり、他の通信端末からの信号を検出します。
- データ送信のタイミングが競合した場合、回線上で生じる電圧変化や位相のズレをリアルタイムで把握する設計が採用されています。
- 衝突が発生すると、ネットワーク内の端末は再送を試みるための制御信号を送信し、通信の安定性を保つ仕組みが働いています。
他Ethernet規格との比較
100BASE-T4は過去のEthernet規格と比較して、採用環境や技術面でいくつかの違いがあります。
ここでは、代表的な10BASE-Tおよび100BASE-TXとの主要な相違点について詳述します。
10BASE-Tとの違い
- 10BASE-Tでは、主に2本のツイストペアが送信と受信用に分離して用いられていましたが、100BASE-T4では4本のペア全体を有効活用します。
- 転送速度は10Mbpsから100Mbpsへと大幅に向上しており、デジタル信号の処理方法や変調方式にも改良が加えられています。
- ツイストペアの役割の分担が異なるため、物理層での回路設計やタイミング制御の複雑さが変化しています。
100BASE-TXとの相違点
100BASE-TXとの比較では、ケーブル要求とクロック周波数、通信方式に大きな違いが見られます。
ケーブル要求の違い
- 100BASE-TXは、カテゴリ5以上のケーブルを必須とし、より高い帯域幅と低いノイズの環境を求めています。
- 一方、100BASE-T4はカテゴリ3ケーブルにも対応しており、既存の古い配線環境での運用を可能にする点が大きな利点です。
- この互換性により、設置済みのインフラをそのまま活用できるケースが多く、アップグレードコストの削減につながります。
クロック周波数と通信方式の差異
- 100BASE-TXでは125MHzの高いクロックが採用されるため、より高速な信号変調が必要とされます。
- 100BASE-T4は、25MHzの低いクロックを用いることで、各チャネルでの安定した変調と伝送を実現しています。
- さらに、100BASE-TXは各チャネルに専用の送信と受信機能を持つのに対し、100BASE-T4は送受信用のチャネルが共用されるため、衝突検出のための追加の仕組みが組み込まれています。
採用背景と市場動向
100BASE-T4の導入背景には、古いネットワーク設備や敷設済みケーブルの有効活用というニーズが存在します。
以下では、カテゴリ3ケーブル利用の経緯と、実際の導入事例や市場への影響を説明します。
カテゴリ3ケーブル利用の経緯
- かつては、音声通信を主な目的としてカテゴリ3ケーブルが広く敷設されていました。
- インフラ投資が限定的であったため、多くのオフィスやビルでは既存のカテゴリ3ケーブルが利用されていました。
- 100BASE-TXが登場したものの、カテゴリ3ケーブルでは動作しなかったため、100BASE-T4は古い設備を活かしながら100Mbps通信を実現するために開発されました。
導入事例と市場への影響
- 特に導入が遅れた地域では、既存ケーブルを再利用するニーズが高く、100BASE-T4の採用が進みました。
- ネットワークの拡張やアップグレードに伴い、追加の工事コストを抑制できる点が評価され、一定の市場シェアを獲得する結果となりました。
- ただし、現在ではカテゴリ5以上のケーブルが主流となっており、100BASE-T4の需要は徐々に減少傾向にあります。
まとめ
この記事では、100BASE-T4が4本のツイストペアを用い、3本が送受信、1本が衝突検出に利用される仕組みと、25MHzクロック採用による安定動作、半二重通信方式が特徴であることが説明されました。
また、カテゴリ3ケーブルとの互換性や、10BASE-Tおよび100BASE-TXとの違い、市場背景についても理解できる内容となっています。