27年 第1回 「伝送設備」



27_1_setubi_1_(1).png



問1
(1)
ア:⑨ EGP
イ:⑥ コスト値
ウ:⑭ LSDB
エ:③ パスベクトル

補足
・ASと、IGP/EGPについて
AS(Autonomous System:自律システム)とは、統一されたルーティングポリシーによって管理されたネットワークの集まり(同じルーティングプロトコルで運用される範囲)と定義される。AS内部で利用されるルーティングプロトコルを、IGP(Interior Gateway Protocol)。AS間を繋ぐプロトコルをEGP(Exterior Gateway Protocol)と呼ぶ。
as.png
IGPとEGPには、下記の種類のルーティングプロトコルが存在する。
・ルーティングプロトコルの種類
ディスタンスベクタ型リンクステート型パスベクトル型
IGPRIP、IGRPOSPF、IS-IS
EGPBGP


OSPF(Open Shortest Path First)::各ルータが隣接するルータとのリンク状態を交換し合い、その情報を集約したLSDB( Link State Database )と呼ばれるデータベースを構築し、それをもとにルーティングテーブルを作成する方式。ルータ間で交換するリンク状態は、Helloパケットと呼ばれるパケットを使って定期的に行われるが、ルーティングテーブル自体を交換するディスタンスベクタ型と比べると交換する情報量は少ない。しかし、経路を算出が複雑なため、ルータは比較的高い性能が要求される。その他、ディスタンスベクタ型と比較して有利な特長としては、単純なホップ数ではなく、経路の帯域幅を考慮したコスト値を使って最適経路を選出すること、エリアという概念を使って領域を分割することで大規模ネットワークへ対応できること、経路変化が起こった際の経路情報の収束(コンバージェンス)が速いこと、ルーティングループが発生しないことなどが挙げられる。一方で、初期のリンク情報の交換に時間がかかるといったデメリットもある。

メトリック:目的のネットワークにたどり着くための経路の最適性を評価するため各経路に付加される値。例えばディスタンスベクタ型のRIPでは目的地までのホップ数、リンクステート型のOSPFでは経路の帯域幅などを考慮に入れたコスト値が使われる。

・BGP-4:EGPにおけるパスベクトル型のルーティングプロトコルの一つ。宛先までに経由するASのAS番号(ASを識別する番号)のリスト(ASパス)を経路情報として交換することでルーティングを行う。BGP-4は、BGPのバージョン4を表しており、バージョン4から、CIDR(クラスレスルーティング)に対応している。

・クラスフルルーティングとクラスレスルーティング(CIDR)
クラスフルアドレッシング/クラスフルルーティング
IPアドレスのネットワーク部とホスト部を分けるときに、オクテットで区切ったクラス単位でセグメントを分割する方法をクラスフルアドレッシングという。一つのセグメントは、クラス単位でしか分けられないため、例えば最小クラスのクラスCで、セグメントを切った場合、端末数を254台(※)にできるが、端末数が少ないネットワークがあった場合には、過剰なリソースによりIPアドレスの資源が無駄になる場合がある。逆に、254台を1台でも超えた場合、65534台収容できるクラスBを使わなければならず、ネットワーク設計の柔軟性が低い。このクラスフルアドレッシングの考えをベースにしたルーティング方法がクラスフルルーティングで、クラスごとに使われるアドレスが決まっているためルータ間でサブネットマスクアドレスを送り合う必要がない
(※28=256から、ホスト部が全部0のネットワークアドレスと、ホスト部が全部1のブロードキャストとネットワークアドレスを除いた、254台)

クラスレスアドレッシング/クラスレスルーティング(CIDR)
1bit単位でネットワーク部とホスト部を可変してセグメントを分割する方法をクラスレスアドレッシングという。クラスフルアドレッシングと比較して、細かい単位でセグメントを分割できるためIPアドレスのリソースを経済的に利用できる。ネットワーク部とホスト部の境界は、サブネットマスクアドレスによって指定されており、1の部分がネットワーク部、0の部分がホスト部を表す。クラスレスアドレッシングの考えをベースにしたルーティング方法をクラスレスルーティングといい、セグメントの分割情報であるサブネットマスクアドレスが必要となるためルータ間で交換される。このようなクラスレスルーティング/クラスレスアドレッシングを管理する仕組みは、CIDR(Classless Inter-Domain Routing)とも呼ばれる。
class_full_less2.png



27_1_setubi_1_(2)i.png


(2)
(ⅰ)
答え:③
解説
①②④正しい

③ 光ファイバを屈折率分布形状で分類すると、コアとクラッドの間で屈折率が階段状 (正:放物線状) に変化するGI型光ファイバと、コアの屈折率分布が緩やか (正:階段状) に変化するSI型光ファイバがある。

補足
・ブラッグ反射
周期的に並んだ格子上の粒子に対して光が入射した際、特定の波長のみが反射する現象。反射する波長は、格子間の距離に依存する。
Bragg_ref.png

・フォトニックバンドギャップ光ファイバ
ブラッグ反射を利用した光ファイバ。ファイバに周期的に空孔を配置することでコアを作り、ブラッグ反射により光を閉じ込めて伝搬することができる。
PCF2.png

ドーパント(添加剤):光ファイバのコア部とクラッド部に添加することで屈折率を調節するための不純物元素。
 コア部:屈折率を上げる必要がある⇒ゲルマニウム(Ge)やリン(P)を添加
 クラッド部:屈折率を下げる必要がある⇒ホウ素(B)やフッ素(F)を添加

・SI(ステップインデックス)型ファイバとGI(グレーデッドインデックス)型ファイバの屈折率分布
マルチモード光ファイバには、とSI(ステップインデックス)型とGI(グレーデッドインデックス)型の2つがある。
SI(ステップインデックス)型は、コア部の屈折率が一定で階段状の屈折率分布を持っている。GI(グレーデッドインデックス)型は、SI型で問題となるモード分散の影響を最小限にするために、屈折率分布を放射線状に変化させた構造になっている。
GI_SI_fiber_bunpu2.png

・(参考)モード分散とGI(グレーデッドインデックス)型ファイバ
マルチ光ファイバは、複数の光の経路(モード)を持っている。モードのうち、入射角度の小さい光の経路(低次モード)は、反射回数が少なく進行方向に対して短い経路を取ることができるため到着時間が早くなる。逆に入射角度の大きい光の経路(高次モード)は、反射回数も多くなり進行方向に対して長い経路を取ることとなり到着時間が遅くなる。このように、光パルスを複数のモードに分けて伝送する際に到達時間に幅が出来てしまい、光パルスの品質が悪くなる現象をモード分散という。
mode_bunsan.png

GI(グレーデッドインデックス)型ファイバは、コアの中心の屈折率を大きくし、コアの外側に行くほど屈折率を小さくした構造をしている。このような構造により、低次モードはコアの中心を全反射して進み、高次モードはコアの外側を全反射して進む。光の伝搬速度は、屈折率に反比例する性質を持っており、低次モードの光は伝搬速度が遅くなり、高次モードの伝搬速度は速くなる。この性質をうまく調整することで、低次モードから高次モードまでの到着時間の差をなるべく小さくすることでSI型において問題となっていたモード分散への対処が可能となる。(現在使われているマルチモードファイバのほとんどがGI型になっている。)
GI_fiber_mode.png

空孔アシスト型ファイバの構造
空孔アシスト方光ファイバは、コア部の周囲に空気が入る空洞を空けたファイバ。空気は、通常のクラッド部よりも大きな屈折率を持っている。コア部と空気の層の屈折率差を設けることで通常では光が漏れてしまうほどのファイバの曲げにも対応できる。
kuko_fiber.jpg




27_1_setubi_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:③
解説
① シングルモード光ファイバは、マルチモード光ファイバと比較して、コア径が大きい(正:小さい)、コアとクラッドの比屈折率差が大きい(正:小さい)、伝送損失が小さいなどの特徴を有している。

② シングルモード光ファイバは、マルチモード光ファイバと比較して、光ファイバ相互の接続に高い寸法精度を必要とするが、光ファイバケーブル自体の取扱いが容易であることから、一般に、構内やオフイス内のLANなどで用いられている(※)(※赤い部分は、マルチモードファイバの説明)

③正しい

④ シングルモード光ファイバには、構造分散と材料分散を合わせたモード分散(正:波長分散)が存在する。このうち、材料分散は光ファイバの屈折率が波長により異なるために生ずる分散である。


補足
・シングルモード(SM)光ファイバとマルチモード(MM)光ファイバ
伝搬モードとは、光ファイバケーブル内を光が通る経路数のことをいう。経路(モード)を1つしかもたないファイバをシングルモード光ファイバ、経路(モード)を複数持つファイバをマルチモード光ファイバという。反射回数が少なく、伝送先に一番早く到達する経路を0次モードといい、入射角を変え経路が長くなるにつれて、1次、2次…と増えていく。
シングルモード光ファイバは、コア径が小さいため、融着接続の際に高い寸法精度を必要とされる。
マルチモード光ファイバは、曲げに強い特性があるため、構内やオフィス内のLANなどで用いられる。
single_multi_fiber.jpg
多(マルチ)モード型シングルモード(SM)型
SI(ステップインデックス)型GI(グレーテッドインデックス)型
コア径50~62.5μm~10μm
モード複数1つ
外径125μm
帯域幅狭い(100MHz・km程度)やや広い(1GHz・km程度)広い(10GHz・km程度)
光の分散大きい中程度小さい
光の損失大きい中程度小さい
コスト安い中程度高い



波長分散:光信号に使用される光は、単一の波長ではなく、厳密にはある程度の幅を持った波長である。この波長の幅によって引き起こされる分散を波長分散という。波長分散は、更に材料分散と構造分散に分けられ、これらの分散のが波長分散の値となる。
-材料分散:均一な媒質中であっても光の波長によって屈折率が異なるために伝搬速度に差がでてしまう。光が進んで行くに従い、屈折率の違いにより徐々に広がってしまう現象を材料分散という。
-構造分散:光ファイバのコア部とクラッド部の境界面で全反射するときに光がクラッド部分へしみ出す。構造分散は、このしみ出る割合が波長により異なるために生じる。構造分散は、ファイバの屈折率分布を変えることで調整することができるので、この特性を利用して分散特性をコントロールしたファイバなどが開発されている。

・(参考)シングルモード光ファイバの分散
以下は、材料分散と構造分散の各波長での分散の大きさと、それの和である波長分散の分布を表している。
SMF_bunsan.png

・分散シフト光ファイバ(DSF)と、波長分散特性の調整について
 波長分散を構成する材料分散と構造分散のうち、材料分散は、光ファイバの材料となる石英ガラスに依存しているため、調整することが難しい。しかし、構造分散は、コアとクラッドの屈折率に依存する値なので、調整することが可能である。この特性を利用して、コアとクラッドの屈折率分布を変えることで構造分散を調整し、用途に応じた波長分散特性を持つファイバを作ることができる。このように波長分散値を調整したものを分散制御型のファイバといい、その一つに分散シフト光ファイバ(DSF)がある。
分散シフト光ファイバ(DSF)は、ゼロ分散波長(分散の影響が一番小さい波長帯)が1.3μmにある標準的なシングルモード光ファイバから、構造分散を調整することによって、ゼロ分散帯域を1.55μmにシフトさせたファイバである(1.55μm帯域は、ファイバの損失も最小となる波長帯であるため伝送品質上都合が良い)。分散シフト光ファイバの屈折率分布は、セグメントコア型と呼ばれる形状で調整されている。
shift_fiber_bunpu.png

・分散制御光ファイバの種類
構造分散の調整(屈折率分布の調整)により分散特性を変えた光ファイバは、ほかにも多数あるが、主なものとして以下のようなものがある。
・分散フラット光ファイバ(DFF):材料分散と構造分散を相殺させるような形で構造分散を調整することで1.3~1.6 μmの広い波長帯域にわたって分散値を低く抑えたファイバ。
・非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF):WDMのような複数の波長を使うシステムでは、分散を0にしてしまうと、非線形光学効果である四光波混合の影響が大きくなってしまう。そこで1.55μm帯で分散値をゼロ付近にしている分散シフト光ファイバ(DSF)から、ゼロ波長帯を若干ずらした非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF)が使われる。
bunsan_seigyo_fiber.png

【参考】コア径と軸ずれによる接続損失の関係
一般的にコア径(シングルモードの場合は、モードフィード径)が小さいほど、軸ずれによる接続損失の影響が大きい。そのため、コア径が小さいほど軸合わせに精度が求められ、融着接続がしにくいとされている。(つまり、コア径の小さいシングルモードファイバは、コア径の大きいマルチモードよりも接続の際に高い寸法精度が要求される)
・(参考)モードフィード径と軸ずれによる接続損失の関係式
dを軸ずれの幅、wをファイバのモードフィード半径とした場合、以下の式により接続損失が求められる。(※一般的なSMFの場合。複雑な構造のファイバでは別の式が使われることがある。)
\( Loss = -10\log _{ }{ e^{(-\frac{d^2}{w^2})} } \)
zikuzure_keisan.png




27_1_setubi_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:②
解説
① 10ギガビットイーサネットの物理層は、大別するとLAN PHYとWAN PHYに分けられ、10GBASE-XファミリーはLAN PHYのグループに、10GBASE-Rファミリー及び10GBASE-WファミリーはWAN PHY(正:10GBASE-Xファミリー及び10GBASE-RファミリーはLAN PHYのグループに、10GBASE-WファミリーはWAN PHY)のグループに分類することができる。

②正しい

10GBASE-R(正:10GBASE-W)ファミリーでは、SDH/SONETを用いた伝送システムとの接続性が考慮されている。そのため、実効ビットレートは、10GBASE-W(正:10GBASE-R)ファミリーの各方式と比較して数% 低くなっている。

④ 10ギガビットイーサネットでは、使用する光インタフェースの仕様(PMDタイプ)が3 種類規定されている。このうち、10GBASE-E といわれる光インタフェースは、1.3μm(正:1.5μm)帯の波長を使用するシングルモード光ファイバ専用となっている。


補足
・10G-Ethernetの規格の種類
光ファイバを使った10G-BASEの規格には、LANネットワークでの利用を想定したLAN-PHYと、WANネットワークで最も普及しているSDH/SONETでの利用を考慮にいれたWAN-PHYの2つに分かれている。光ファイバ以外の10Gイーサネットの規格としては、ツイストペアケーブルを使った10G-BASE-Tや同軸ケーブルを使った10G-BASE-CX4などがある。

・LAN-PHYとWAN-PHYの概要
PHY種別規格実効ビットレート伝送媒体距離符号化
LAN PHY10G BASE-SR10GbpsMMF(850nm)300m64B66B
10G BASE-LRSMF(1310nm)10km
10G BASE-ERSMF(1550nm)40km
10G BASE-LX42.5Gbps ×4MMF(1310nm)300m8B10B
8B1Q4
SMF(1310nm)10km
WAN PHY10G BASE-SW9.2942GbpsMMF(850nm)300m64B66B
10G BASE-LWSMF(1310nm)10km
10G BASE-EWSMF(1550nm)40km

※SMF:シングルモードファイバ、MMF:マルチモードファイバ ()内は、信号波長。

・10G BASEの名称について
10G BASE-LX4を除く、6つの規格は、下記の命名規則がある。

<名称>10G BASE -

〇部分:信号波長とファイバの種類を表す
S:MMF、信号波長:850nm (S:Short wavelengthの略)
L:SSF、信号波長:1310nm (L:Long wavelengthの略)
E:SSF、信号波長:1550nm (E:Extra long wavelength/distanceの略)

△部分:LAN/WANの規格の種類を表す
R:LANの規格
W:WANの規格

・10Gビットイーサの物理層の副層の構成
LAN_PHY_WAN_PHY.png
・LAN-PHY/WAN-PHYに共通の副層
PCS(Physical Coding Sublayer):スクランブル化などの符号化を行う層。10GBASE-R/Wでは64B/66B、10GBASE-Xでは8B/10Bにより符号化を行う。
PMA (Physical Medium Attachment):データのシリアル化を行う層。
PMD(Physical Medium Dependent):物理媒体への接続を行う層。10GBASE-R/Wでは、波長ごとにS(850nm)、/L(1310nm)/E(1550nm)の3つのPMDタイプがある。
・WAN-PHYにのみある副層
WIS(WAN Interface Sublayer):SDH/SONETのペイロードにデータを埋め込む層。SDH/SONETでは、制御情報を運ぶためのオーバヘッドが付加されるため、実効ビットレート(実際のデータを伝送できる量)は9.2942Gbpsとなり、LAN-PHYの規格と比較すると数%ほど少なくなる

SDH/SONET(Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical NETwork):基幹ネットワークでTDM方式(時分割多重方式)を使って高速通信を行うための規格。SDHは、国際標準化組織のITU-Tにより規定されており、SONETは、米国で標準化されたものだが、SDHはSONETをベースに標準化されており、これらはほとんど同じものを表すため、しばしばSDH/SONETという表現が使われる。



27_1_setubi_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:⑤
解説
①②③④正しい

⑤ 64B/66B符号化方式では、データ及びヘッダ情報(正:データ)に対してスクランブルすることで、0又は1の連続を防いでいる。


補足
スクランブリング:連続する同一符号の発生を防ぐ方法。Ethernetでは、データと一緒にクロック情報を送っており、その際、同じ符号が連続してしまうと、クロック情報が失われてしまうため、スクランブリングが行われる。

8B/10B符号:データを8ビットごとに分割し、10ビットの符号に変換する。これにより「0」と「1」の符号が5ビット以上連続して続かない信号となる。1000BASE-X(光ファイバを使った1GbpsのEthernet規格)やファイバチャンネル(コンピュータと周辺機器を主に光ファイバを使って構築する技術)で使われている。

64B/66B符号:データを64ビットごとに分割し、スクランブリングを施した後、2bitの同期ヘッダを付加して66ビットに変換する。同期ヘッダは、64ビットデータの中身がすべてデータの場合は「01」、64ビットデータの中に制御情報を含む場合は「10」が付加される。(00と11はエラーとなる)ヘッダ部は、スクランブルの対象にはならない。
64B/66B符号のブロック構成
64B_66B.png

・10G-Ethernetの概要
PHY種別規格実効ビットレート伝送媒体距離符号化
LAN PHY10G BASE-SR10GbpsMMF(850nm)300m64B66B
10G BASE-LRSMF(1310nm)10km
10G BASE-ERSMF(1550nm)40km
10G BASE-LX42.5Gbps ×4MMF(1310nm)300m8B10B
8B1Q4
SMF(1310nm)10km
WAN PHY10G BASE-SW9.2942GbpsMMF(850nm)300m64B66B
10G BASE-LWSMF(1310nm)10km
10G BASE-EWSMF(1550nm)40km

※SMF:シングルモードファイバ、MMF:マルチモードファイバ ()内は、信号波長。

・10G BASEの名称について
10G BASE-LX4を除く、6つの規格は、下記の命名規則がある。

<名称>10G BASE -

〇部分:信号波長とファイバの種類を表す
S:MMF、信号波長:850nm (S:Short wavelengthの略)
L:SSF、信号波長:1310nm (L:Long wavelengthの略)
E:SSF、信号波長:1550nm (E:Extra long wavelength/distanceの略)

△部分:LAN/WANの規格の種類を表す
R:LANの規格
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