고속 이더넷
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1. 개요
고속 이더넷은 100Mbit/s의 전송 속도를 가지는 이더넷 표준의 확장으로, 100BASE-X로도 불린다. 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-T2, 100BASE-T1 등의 구리선 기반 방식과 100BASE-FX, 100BASE-SX, 100BASE-LX10, 100BASE-BX10, 100BASE-EX, 100BASE-ZX 등의 광섬유 기반 방식을 포함한다. 100BASE-TX는 현재 가장 널리 사용되는 형태로, Category 5 이상의 케이블을 사용하여 100Mbit/s의 전이중 통신을 지원하며, 100BASE-FX는 광섬유를 사용하며 2km까지 연결 가능하다.
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2. 명칭
'100'은 100 Mbit/s의 전송 속도를, 'BASE'는 베이스밴드 신호 방식을, 대시(-) 뒤의 문자('T' 또는 'F')는 신호 전달 매체(연선 또는 광섬유)를, 마지막 문자('X', '4' 등)는 라인 코드 방식을 나타낸다.[4] 고속 이더넷은 '''100BASE-X'''로도 불리며, 여기서 'X'는 FX 및 TX 변형을 가리킨다.[4]
패스트 이더넷은 스타형 토폴로지로 구성되며, 매체 접근 제어에 CSMA/CD를 사용하거나 전이중 모드로 동작한다. 실제로 모든 최신 네트워크는 이더넷 스위치를 사용하고 전이중 모드로 작동하며, 반이중을 사용하는 레거시 장치가 여전히 존재한다.[36]
3. 일반적인 설계
패스트 이더넷 어댑터는 매체 가용성의 상위 수준 문제를 처리하는 MAC와 물리 계층 인터페이스(PHY)로 논리적으로 나눌 수 있다. MAC은 일반적으로 미디어 독립 인터페이스 (MII) 또는 축소 미디어 독립 인터페이스 (RMII)를 통해 PHY에 연결된다. MII는 모든 버전의 패스트 이더넷에 대한 이론적 최대 데이터 비트 전송률을 100Mbit/s로 고정한다.
4. 구리선
4. 1. 100BASE-TX
100BASE-TX는 패스트 이더넷의 가장 널리 사용되는 형태로, 카테고리 5 이상의 케이블 두 쌍을 사용하여 100 Mbit/s의 전이중 통신 속도를 제공한다.[36] 노드 간 케이블 최대 거리는 100m이다.
10BASE-T와 마찬가지로 활성 쌍은 T568A 또는 T568B 표준에 따라 핀 1, 2, 3, 6에 연결된다. 100BASE-TX에서는 주황색과 녹색인 2번과 3번 쌍을 사용한다. 일반적인 카테고리 5 케이블에는 네 쌍의 전선이 있어, 간단한 배선 어댑터를 사용하면 하나의 케이블로 두 개의 100BASE-TX 링크를 전송할 수 있다.[6]
100BASE-TX 네트워크는 이더넷 허브나 네트워크 스위치를 중심으로 스타형 네트워크를 구성하는 10BASE-T와 매우 유사하다. 자동 MDI-X와 자동 협상 기능을 지원하는 최신 장비에서는 이더넷 크로스 오버 케이블이 필요 없는 경우가 많다.
100BASE-TX 하드웨어에서, MII에서 25 MHz로 클럭되는 4비트 데이터는 4B5B 부호화를 거쳐 125 MHz 심볼 속도의 0과 1 심볼열로 변환된다. 4B5B 부호화는 DC 균등화 및 스펙트럼 형성을 제공한다. 이후 NRZI 부호화를 통해 물리적 매체 부착 계층으로 전송된다. 100BASE-TX는 MLT-3 부호화를 추가로 사용하여 최대 기본 주파수를 31.25 MHz로 낮춘다. 이러한 방식은 ANSI X3.263 FDDI 사양을 일부 변경하여 차용한 것이다.[7]
1995년에 IEEE 802.3u 표준으로 제정되었으며,[36] 4B5B 변환을 사용한다.[38] MAC에서 MII를 통해 전송 요청이 오면, 4비트의 원시 데이터를 5비트로 변환한다. 전송 데이터가 없으면 유휴 모드로 5비트의 1을 계속 보낸다.[38] 125M보의 심볼 레이트로 MDI로 출력되며, MDI 출력 시에는 MLT-3 부호를 사용한다. MLT-3는 전압 레벨을 -1V→0V→+1V→0V 순으로 반복하며, 전압 유지·전압 변동으로 각각 0/1을 표현한다.[39] 이 방식을 통해 전기 신호의 1주기는 최단 4심볼 분이 되므로, 케이블에 필요한 주파수는 심볼 레이트의 1/4인 31.25MHz로 충분하다. 이 방식은 FDDI 사양인 ANSI INCITS X3.263의 내용을 활용하고 있다.[40]
4. 2. 100BASE-T1
100BASE-T1[8]은 단일 구리 쌍으로 데이터를 전송하며, 심볼당 3비트를 PAM3를 사용하여 각 코드 쌍으로 전송한다. 전이중 전송을 지원한다. 트위스트 페어 케이블은 66MHz를 지원해야 하며 최대 길이는 15m이다. 특정 커넥터는 정의되어 있지 않다. 이 표준은 자동차 애플리케이션 또는 패스트 이더넷을 다른 애플리케이션에 통합해야 할 때 사용하도록 설계되었다. 이는 IEEE 표준화 전에 오픈 얼라이언스 브로드R-리치(Open Alliance BroadR-Reach) (OABR)로 개발되었다.[9]2015년에 IEEE 802.3bw로 표준화되었다. 전송로에 트위스트 페어 케이블 1쌍 2선을 사용하는 싱글 페어 이더넷 중 하나로, 차량용으로 BroadR-Reach라는 명칭으로 개발되었다.
케이블은 최대 15m까지 연결 가능하며, 연결 커넥터는 IEC 63171-1 및 IEC 63171-6으로 규정되어 있다.[48][49] 후속 규격인 802.3bu-2016에서는 PoE와 같은 전원 공급도 지원하며, 특히 이 형태를 PoDL (Power over Data Lines)이라고 부른다.[50]
부호화에서는 4b/3b 변환, 스크램블 처리, 3B2T (3-bit to 2-ternary) 등을 거쳐 PAM3 심볼을 생성하여 회선 속도 66.67MBaud로 데이터 전송률 100Mbps를 달성한다.[51]
4. 3. 100BASE-T2
'''100BASE-T2'''는 IEEE 802.3y 표준으로, 전이중 통신을 지원하며 두 쌍의 구리선을 통해 데이터를 전송한다.[10] 100BASE-TX에서 요구하는 Category 5 케이블 대신 Category 3 케이블을 사용한다. 데이터는 양쪽 쌍에서 동시에 송수신되며,[10] 심볼당 4비트를 전송한다. 4비트 심볼은 선형 피드백 시프트 레지스터 기반의 스크램블링 절차를 통해 두 개의 3비트 심볼로 확장된다.[11] 이는 신호의 대역폭과 방출 스펙트럼을 평탄화하고 전송선 특성을 맞추기 위함이다. 비트에서 심볼 코드로의 매핑은 시간에 따라 일정하지 않고 큰 주기를 가진다. 심볼에서 PAM-5 선 변조 레벨로의 최종 매핑은 다음 표와 같다.
100BASE-T2는 널리 채택되지 않았지만, 이 기술은 1000BASE-T에서 사용된다.[5] 1997년에 IEEE 802.3y로 표준화되었으며, 2003년 9월에 업데이트가 중단되었다. 카테고리 3 UTP 케이블을 사용하여 전이중 통신이 가능하다.[44] 트위스트 페어 중 2쌍 4선을 사용하며, 하이브리드 회로에 의한 에코 제거로 2쌍을 동시에 송수신에 사용한다.[45] 부호 처리에서는 25M보의 회선 속도로 PAM5로 2쌍에 병렬 전송한다. 주 데이터는 스크램블 처리로 0/1의 연속이 적은 형식으로 변환하여 2비트씩 앞에 0을 더한 심볼을 보낸다. 데이터 시작·종료·에러 상태에서는 ESC 심볼이 사용된다.[46] 필요한 케이블 주파수는 심볼 레이트의 1/2에 해당하는 12.5MHz이다. 이 방식은 널리 보급되지 않았지만, 1000BASE-T에서 일부 기술이 사용되었다.[47]
4. 4. 100BASE-T4
100BASE-T4는 초기 고속 이더넷 구현 방식 중 하나이다. 100BASE-TX에서 사용되는 Category 5 케이블보다 성능이 낮은 음성 등급 연선 케이블 네 쌍을 필요로 했다. 최대 거리는 100미터로 제한되었다. 한 쌍은 전송용, 다른 한 쌍은 수신용으로 예약되었으며, 나머지 두 쌍은 방향을 전환했다. 세 쌍을 사용하여 각 방향으로 전송했기 때문에 100BASE-T4는 본질적으로 반이중 통신 방식이었다. 세 쌍의 케이블을 사용하면 더 낮은 반송파 주파수에서 100mbps에 도달할 수 있어, 많은 회사에서 10BASE-T 네트워크용으로 최근 설치한 구형 케이블링에서 작동할 수 있었다.8개의 데이터 비트를 6개의 3진수 숫자로 변환하는 매우 특이한 8B6T 코드가 사용되었다(6자리 3진수는 8자리 2진수보다 거의 3배나 많은 신호 형태를 지정할 수 있다). 두 개의 결과 3자리 3진수 기호는 3레벨 펄스 진폭 변조(PAM-3)를 사용하여 세 쌍을 통해 병렬로 전송되었다.
100BASE-T4는 널리 채택되지 않았지만, 이를 위해 개발된 기술 중 일부는 1000BASE-T에서 사용된다.[5] 100BASE-T4를 지원하는 허브는 거의 출시되지 않았다. 예로는 3com 3C250-T4 Superstack II HUB 100, IBM 8225 고속 이더넷 스택형 허브[12], Intel LinkBuilder FMS 100 T4[13][14] 등이 있다. 이는 네트워크 인터페이스 컨트롤러에도 적용된다. 100BASE-T4와 100BASE-TX를 브리징하려면 추가적인 네트워크 장비가 필요했다. 1995년에 IEEE 802.3u로 표준화되었으며, 2003년 9월에 업데이트가 중단되었다. 카테고리 3 UTP 케이블로 반이중 통신을 지원한다.[41]
트위스트 페어 4쌍 8선 모두를 사용하며, 송신 및 수신에 각각 3쌍을 사용한다. 핀 1·2는 송신용, 핀 3·6은 수신용, 핀 4·5와 7·8의 2쌍은 송수신을 전환하면서 사용한다. 부호 처리에서는 8B6T (8-bit to 6-ternary)를 사용한다. 8비트를 3진수 6자리로 변환하고, 2자리씩 펄스 진폭 변조(PAM3) 심볼로 표현하여 3쌍에 병렬 전송한다. 이를 25M보의 회선 속도로 전송하여 를 달성한다.[42] 이 방식에 의해 전기 신호의 1주기는 최단 2심볼이 되므로, 필요한 케이블 주파수는 심볼 속도의 1/2에 해당하는 12.5MHz로 충분하다.[43]
4. 5. 100BaseVG
휴렛 팩커드(Hewlett-Packard)가 제안하고 판매한 100BaseVG는 CSMA/CD 대신 카테고리 3 케이블링과 토큰 개념을 사용하는 방식이었다. IEEE 802.12로 표준화될 예정이었으나, 스위치형 100BASE-TX가 인기를 얻으면서 빠르게 사라졌다. IEEE 표준은 나중에 철회되었다.[15]VG는 음성 등급 케이블에서 100mbps에 도달하기 위해 더 많은 케이블 쌍과 낮은 반송파 주파수를 결합하여 T4와 유사했다. 케이블 할당 방식에서 차이가 있었는데, T4는 데이터 교환 방향에 따라 서로 다른 방향으로 두 개의 추가 쌍을 사용하는 반면, VG는 두 가지 전송 모드를 사용했다. 하나는 제어 모드로, 두 쌍은 기존 이더넷과 마찬가지로 송수신에 사용되고, 다른 두 쌍은 흐름 제어에 사용된다. 다른 하나는 전송 모드로, 모든 네 쌍이 단일 방향으로 데이터를 전송하는 데 사용된다. 허브는 제어 모드를 사용하여 노드에서 보낸 신호를 기반으로, 주어진 시간에 통신할 수 있는 연결된 노드를 선택하기 위해 토큰 패싱 방식을 구현했다. 하나의 노드가 활성화되면 전송 모드로 전환하여 패킷을 보내거나 받고, 제어 모드로 돌아간다.[15]
이 개념은 두 가지 문제를 해결하기 위해 고안되었다. 첫째는 충돌 감지의 필요성을 없애고 혼잡한 네트워크에서 경쟁을 줄였다는 점이다. 특정 노드는 트래픽이 많아 병목 현상이 발생할 수 있지만, 네트워크 전체는 충돌 및 그로 인한 재방송으로 인해 효율성을 잃지 않았다. 과도한 사용 시 다른 표준에 비해 총 처리량이 증가했다. 둘째는 허브가 페이로드 유형을 검사하고 대역폭 요구 사항에 따라 노드를 스케줄링할 수 있다는 점이다. 예를 들어 비디오 신호를 보내는 노드는 많은 대역폭이 필요하지 않을 수 있지만, 전송 시기를 예측 가능하게 해야 한다. VG 허브는 해당 노드에 대한 접근을 스케줄링하여 필요한 전송 시간 슬롯을 보장하는 동시에 다른 모든 시간에 다른 노드에 네트워크를 열어둘 수 있었다. 이러한 접근 방식은 요청 우선순위로 알려졌다.[15]
1992년에 휴렛 팩커드사가 제안한 100BASE-VG가 전신이며, 1995년에 IEEE 802.12로 표준화되었고, 2001년 1월에 업데이트가 중단되었다.[52] 100BASE-VG 또는 100VG-AnyLAN으로 불리기도 한다. 규격명 "VG"는 음성 품질(Voice Grade)에 상당하는 카테고리 3 케이블을 의미하며, 최대 100m의 연결이 가능하다.
100BASE-VG는 부호화에 5b/6b 변환에 의한 NRZ를 사용하여 30MBaud의 전송 속도로 트위스트 페어 4쌍 모두를 송수신 전환하면서 사용한다. 100Mbps의 반이중 통신을 지원하지만, CSMA/CD에 의한 충돌 감지 방식이 아닌 토큰 링에 의한 순회 방식이 채택되었다. 스위칭 허브가 각 포트에 UTP 케이블로 연결된 단말의 전송 요구를 순회하여 통신 제어함으로써, 전송 대기 시간이 일정해진다.
100BASE-VG와 10BASE-T의 접속 포트를 각각 같은 어댑터에 통합하여 가질 수 있는 사양이 제정되었으며, 이더넷 프레임뿐만 아니라 토큰 링 프레임의 형식도 지원된다. 규격명 "AnyLAN"은 어떠한 프레임 서식이라도 커버할 수 있다는 것을 의미한다.
기존 토큰 링과의 가장 큰 차이점은, 스위칭 허브 장치 내부에서 토큰 링이 형성되어 있다는 점이다. 이는 어딘가 한 곳이 끊어지면 네트워크가 분단되는 토큰 링의 약점이나, 충돌에 의한 재전송 대기가 발생하는 CSMA/CD의 약점을 극복했다. 또한 단말에서 허브까지를 UTP 케이블로 연결하는 것만으로 충분한 이더넷의 편리성과, 토큰 링 특유의 네트워크 처리량의 높이가 계승되었다.
그러나 기존의 10BASE-T로부터 제품 라인을 가진 메이커가 신구 혼재 환경에서도 동작하는 100BASE-TX의 스위칭 허브를 저렴하게 생산·공급했기 때문에, VG는 가격적으로도 도입의 수고에서도 불리해졌다. 100BASE-TX처럼 100VG-AnyLAN 어댑터만을 저렴하게 제공함으로써 10BASE-T 네트워크로 운용하고, 보급 후에는 포트를 바꿔 연결하여 100BASE-VG로 운용하는 전략도 있었지만, 의도대로 시장에서 받아들여지지 않았다.
5. 광섬유
패스트 이더넷은 광섬유 케이블을 사용하는 다양한 인터페이스 유형을 지원한다. 각 인터페이스는 고정형 또는 모듈형일 수 있으며, 주로 소형 폼 팩터 플러거블(SFP) 형태로 제공된다.
5. 1. 100BASE-FX
100BASE-FX는 광섬유를 사용하는 패스트 이더넷의 한 종류이다. 100BASE-FX의 물리 매체 종속(PMD) 하위 계층은 FDDI의 PMD에 의해 정의되었으므로,[25] 광섬유를 사용하는 10Mbit/s 버전인 10BASE-FL과는 호환되지 않는다.100BASE-FX는 산업 자동화 공장과 같이 더 빠른 속도가 필요하지 않은 기존의 멀티모드 광섬유 설치에 여전히 사용되고 있다.[18] 1995년에 IEEE 802.3u로 표준화되었다. 광 케이블을 전송로로 하여 송수신에 2본을 사용한다. 신호원에 1300nm영어 파장대를 사용하며, 이 파장대의 모드 대역폭 500km·Hz를 가진 멀티모드 광섬유(MMF)로 2km 연결할 수 있다.[53]
광학 사양 및 부호 처리는 FDDI 사양인 ISO/IEC 9314를 거의 유용하고 있다.[54] MAC으로부터 받은 4비트의 원시 데이터를 4B5B로 0/1의 연속이 적은 5비트로 변환하여, 125MHz의 전송 속도로 NRZI 출력한다.[55]
5. 2. 100BASE-LFX
100BASE-LFX는 패스트 이더넷 전송을 가리키는 비표준 용어이다. 100BASE-FX와 매우 유사하지만, 페브리-페로 레이저 송신기를 사용하여 한 쌍의 다중 모드 광섬유를 통해 최대 4~5 km의 더 먼 거리를 달성한다. 이때 파장은 1310 nm이다.[60] 1300 nm에서 1km당 신호 감쇠는 850 nm의 손실의 약 절반이다.[27][28]
5. 3. 100BASE-SX
100BASE-SX는 TIA/EIA-785-1-2002로 표준화된 광섬유를 통한 고속 이더넷 버전이다. 100BASE-FX보다 저렴한 대안으로, 짧은 거리(최대 300m)를 지원한다. 100BASE-SX는 더 짧은 파장(850 nm)을 사용하므로, 더 저렴한 광학 부품(레이저 대신 LED)을 사용할 수 있다.[60]10BASE-FL과 동일한 파장을 사용하기 때문에 100BASE-SX는 10BASE-FL과 하위 호환된다. 이러한 비용 절감 효과와 호환성 덕분에, 100BASE-SX는 10BASE-FL에서 업그레이드하려는 사용자와 장거리가 필요하지 않은 사용자에게 매력적인 옵션이 되었다.
5. 4. 100BASE-LX10
100BASE-LX10은 IEEE 802.3ah-2004 조항 58에 표준화된 패스트 이더넷의 한 종류이다. 단일 모드 광섬유 쌍을 통해 10km의 도달 거리를 가진다.[60] 1310nm 파장대의 광원을 사용하며, LC 단자를 사용한다.
5. 5. 100BASE-BX10
100BASE-BX10은 802.3ah-2004 58절에서 표준화된 패스트 이더넷의 한 종류이다. 광 다중화기를 사용하여 동일한 광섬유에서 송신(TX) 및 수신(RX) 신호를 서로 다른 파장으로 분리한다. 단일 모드 광섬유 한 가닥으로 최대 10km까지 통신이 가능하다.[57]100BASE-BX10은 하향(downstream)에 1490nm, 상향(upstream)에 1310nm의 서로 다른 파장을 사용하여 양방향 전송을 실현하며, 각각 100BASE-BX10-D, 100BASE-BX10-U라고 부른다. 규격명의 B는 양방향(bi-direction)을 의미한다.
5. 6. 100BASE-EX
100BASE-EX는 100BASE-LX10과 매우 유사하지만, LX10보다 더 높은 품질의 광학 장치를 사용하여 1310nm 파장 레이저를 사용하며, 한 쌍의 단일 모드 광섬유를 통해 최대 40km까지 더 먼 거리를 달성한다. 100BASE-EX는 공식적인 표준은 아니지만 업계에서 인정되는 용어이다.[29] 이는 때때로 100BASE-LH(장거리)로 언급되며, -LX(10), -LH, -EX, -ZX의 사용이 벤더(vendor) 간에 모호하기 때문에 100BASE-LX10 또는 100BASE-ZX와 쉽게 혼동될 수 있다.
5. 7. 100BASE-ZX
100BASE-ZX는 여러 공급업체에서 사용하는 비표준 용어이다.[30] 1550nm 파장을 사용하여 단일 모드 광섬유를 통해 최소 70km의 거리를 달성하는 고속 이더넷 전송을 가리킨다. 일부 공급업체는 단일 모드 광섬유를 통해 최대 160km의 거리를 명시하며, 이를 100BASE-EZX라고 부르기도 한다. 80km를 초과하는 거리는 사용 중인 광섬유의 경로 손실, 특히 dB/km 단위의 감쇠 수치, 트랜시버 사이에 위치한 커넥터/패치 패널 및 접합의 수와 품질에 크게 의존한다.[31]
6. 종류
2015년까지 표준화된 물리 계층 규격은 다음과 같다. 가정 내 LAN에서는 주로 100BASE-TX가 사용된다. IEEE 802.3u에서는 100BASE-TX/T4/T2를 통칭하여 100BASE-T라고 부른다[33]. 리피터는 2단 접속까지로 제한되어 있지만, 2011년 9월 개정으로 리피터 동작 규정은 업데이트가 중단되었다[34].
6. 1. 100BASE-FX
100BASE-FX는 광섬유를 사용하는 패스트 이더넷의 한 종류이다. 1995년에 IEEE 802.3u로 표준화되었다.[53] 광 케이블을 전송로로 하여 송수신에 2본을 사용한다. 신호원에 1300nm 파장대를 사용하며, 이 파장대의 모드 대역폭 500km·Hz를 가진 멀티모드 광섬유(MMF)로 2km까지 연결할 수 있다.[53]100BASE-FX의 물리 매체 종속(PMD) 하위 계층은 FDDI의 PMD에 의해 정의되었으므로,[25] 10Mbit/s 버전인 10BASE-FL과는 호환되지 않는다. 광학 사양 및 부호 처리는 FDDI 사양인 ISO/IEC 9314를 거의 그대로 사용하고 있다.[54] MAC으로부터 받은 4비트의 원시 데이터를 4B5B로 0/1의 연속이 적은 5비트로 변환하여, 125MHz의 전송 속도로 NRZI 출력한다.[55]
100BASE-FX는 산업 자동화 공장과 같이 더 빠른 속도가 필요하지 않은 기존의 멀티모드 광섬유 설치에 여전히 사용되고 있다.[18]
6. 2. 100BASE-LX10
100BASE-LX10은 IEEE 802.3ah-2004 조항 58에 표준화된 패스트 이더넷의 한 종류이다. 광 케이블을 전송로로 하여 송수신에 2개를 사용한다.[56] 1310nm 파장대의 광원을 사용하며, 싱글 모드 광섬유를 통해 10km까지 전송 가능하다.[56]
6. 3. 100BASE-BX10
100BASE-BX10은 802.3ah-2004 58절에서 표준화된 광섬유 기반 고속 이더넷의 한 종류이다. 광 다중화기를 사용하여 동일한 광섬유에서 송신(TX) 및 수신(RX) 신호를 서로 다른 파장으로 분리한다. 단일 모드 광섬유 한 가닥으로 최대 10km까지 통신이 가능하다.2004년에 IEEE 802.3ah로 표준화되었다. 전송로로 1개의 단일 모드 광섬유(SMF)로 10km 연결이 가능하다. 하향(downstream)에 1490nm, 상향(upstream)에 1310nm의 서로 다른 파장을 사용하여 양방향 전송을 실현하며, 각각 100BASE-BX10-D, 100BASE-BX10-U라고 부른다[57]. 규격명의 B는 양방향(bi-direction)을 의미한다. 이와 유사한 방식으로, 레이저 출력을 높여 더욱 장거리에 대응하는 구현도 있다.
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