一般的な光モジュールとスイッチ用インターフェース

現代の通信ネットワークの複雑なアーキテクチャにおいて、スイッチはデータ伝送の重要なハブとして機能している。その様々なコンポーネントの中でも、光モジュールと光インターフェースは、高速で信頼性の高いデータ交換を可能にするために不可欠です。光モジュール スイッチ光モジュール, 光インターフェースの種類そして 光ファイバーコネクター は、ネットワーク・エンジニア、技術者、そしてネットワークの設計、導入、保守に携わるすべての人にとって必要不可欠なものである。

導入

ネットワークの性能は、データ伝送コンポーネントの効率に大きく依存します。電気信号を光信号に変換するスイッチ光モジュールや、物理的な接続点となる光インターフェイスは、データ伝送の速度、距離、信頼性を決定する上で極めて重要な役割を果たします。

SFP、GBIC、XFP、XENPAK などの一般的な光モジュール・タイプや、FC、SC、LC などの光インターフェイスには、それぞれ固有の特性があり、特定のアプリケーション・シナリオに適しています。小規模なローカル・エリア・ネットワーク（LAN）であれ、大規模なワイド・エリア・ネットワーク（WAN）であれ、光モジュールとインターフェースの適切な組み合わせを選択することが、最適なネットワーク・パフォーマンスを確保するための鍵となります。

目次

• 一般的なスイッチ用光モジュールの分析
  • SFPモジュール
  • GBICモジュール
  • XFP/XENPAKモジュール
  • 技術的進化
• 光インターフェースの種類と光ファイバーコネクター
  • FC/SC/LC/STインターフェイス
  • 光ファイバーコネクターとモジュールの適応関係
  • インターフェース選択のポイント
• 光ファイバー伝送の基礎とインターフェース適応
  • シングルモード/マルチモードファイバー
  • 光モジュールとファイバーのマッチング原理
  • 伝送損失データ
• 光ポートの動作モードとネゴシエーション・メカニズム
  • ギガビット光ポート・モード
• 新技術の拡張
  • CWDM/WDMテクノロジー
  • 光モジュールのホットスワップの利点
• 選定とメンテナンスに関する推奨事項
  • モジュール・インターフェース対応表
  • トラブルシューティング
• よくある質問

一般的なスイッチ用光モジュールの分析

SFPモジュール

スモールフォームファクタ・プラガブル（SFP）モジュールは、そのコンパクトなサイズにより、最新のスイッチで広く使用されています。その小型フォーム・ファクターにより、スイッチのポート密度を高めることができ、大型モジュールに比べて同じ物理的スペースにより多くのモジュールを設置することができます。これは、スペースが限られているデータセンターやその他の環境では大きな利点となります。

SFPモジュールとGBICモジュールの主な技術的違いの1つは、そのサイズです。SFPモジュールはGBICモジュールの約半分のサイズで、高密度アプリケーションに適しています。さらに、SFP モジュールはホットスワップ機能をサポートしており、電源を入れたままスイッチに抜き差しすることができます。この機能により、スイッチ全体の電源を落とす必要がないため、メンテナンスやアップグレードが大幅に簡素化され、ネットワークのダウンタイムを最小限に抑えることができます。

GBICモジュール

ギガビット・インターフェイス・コンバーター（GBIC）モジュールは、かつてギガビット・イーサネット接続の標準だった。SFPモジュールに比べてサイズが大きいが、ホットスワップにも対応しており、交換やメンテナンスが容易である。

しかし、SFP モジュールの出現により、GBIC モジュールの市場用途は徐々に減少してきた。GBICモジュールはまだ古いネットワーク機器に搭載されていることもあるが、ポート密度が高く、サイズも小さいため、新しいネットワーク機器にはSFPモジュールが採用されることが多い。

XFP/XENPAKモジュール

XFPモジュールとXENPAKモジュールは、10ギガビット・データ伝送用に設計されています。XFP モジュールは XENPAK モジュールより小型で、ポート密度に優れています。一方、XENPAK モジュールは初期の 10 - ギガビットモジュール規格の一つであったが、現在では XFP やその他の小型フォームファクターモジュールに取って代わられている。

XFPモジュールは、データセンターの相互接続や高速LANなど、幅広い10ギガビット・アプリケーションに適しています。XENPAKモジュールは、現在ではあまり一般的ではありませんが、一部のレガシー10 - ギガビット・ネットワークではまだ見られます。

技術的進化

光モジュールの進化は、より高いポート密度と優れた性能の必要性によって推進されてきた。大型のGBICモジュールから小型のSFPモジュールに至るまで、小型化の傾向により、スイッチは物理的なサイズを大きくすることなく、より多くのポートをサポートできるようになりました。これは、現代のネットワークにおける高速データ伝送に対する需要の高まりに応える上で極めて重要なことです。

光インターフェースの種類と光ファイバーコネクター

FC/SC/LC/STインターフェイス

さまざまな光インターフェイスは、さまざまな用途に適するように、明確なロック機構と物理的構造を持っている。

FCインターフェースは、ネジ式のロック機構を採用し、確実な接続を実現します。このため、機器室の分配フレームなど、頻繁にプラグの抜き差しが必要な場合に理想的です。

SCインターフェイスは、プラグイン設計で使いやすいのが特徴です。設置が簡単でコスト効率が高いため、100Base-FXスイッチなどのローエンド・イーサネット機器によく見られます。

LCインターフェースは小型化されたプラグインインターフェースです。その小型サイズにより、ポート密度の最大化が不可欠なSFPモジュールやデータセンター・ケーブリングなどの高密度シナリオに最適です。

STインターフェイスは、片手で簡単に操作できるバヨネット式ロック機構を採用している。かつては光ファイバー・ネットワークで広く使用されていたが、最近の高密度環境ではあまり見かけなくなった。

光ファイバーコネクターとモジュールの適応関係

光ファイバコネクタと光モジュールの間には特定の適合関係がある。例えば、SFP モジュールは一般的に LC コネクタを使用し、GBIC モジュールは一般的に SC コネクタを使用する。この関係は、モジュールの設計と異なるネットワーク機器との互換性の必要性によって決まります。

インターフェース選択のポイント

光インターフェイスを選択する際には、いくつかの要素を考慮する必要がある。特に頻繁に接続と切断が行われる環境では、インターフェースのプラグイン寿命が重要です。プラグイン寿命が長いインターフェースは、交換やメンテナンスの必要性を低減します。

フェルールの材質も、セラミックかプラスチックかにかかわらず、接続の安定性に影響する。セラミック・フェルールは精度と耐久性に優れ、挿入損失が少なく、信号伝送が良好です。プラスチック・フェルールは安価ですが、高速や長距離のアプリケーションではセラミック・フェルールと同レベルの性能が得られない場合があります。

光ファイバー伝送の基礎とインターフェース適応

シングルモード/マルチモードファイバー

シングルモードファイバーとマルチモードファイバーはコア径が異なり、伝送特性に影響を与える。シングルモード・ファイバーのコア径は8～10μmで、マルチモード・ファイバーのコア径は50μmまたは62.5μmである。

ファイバーに使用される光の波長も伝送距離に影響します。シングルモード・ファイバーは一般的に1310nmと1550nmの波長を使用し、より長い伝送距離を可能にします。マルチモード・ファイバーは一般的に850nmの波長を使用し、より短い距離に適しています。

光モジュールとファイバーのマッチング原理

適切な光モジュールと適切なファイバータイプを組み合わせることが重要です。マルチモード光モジュールは、マルチモードファイバー（一般的に波長850nm）と組み合わせて使用し、シングルモード光モジュールは、シングルモードファイバー（波長1310nmまたは1550nm）と組み合わせて使用する必要があります。間違った組み合わせを使用すると、信号の損失が大きくなり、ネットワークのパフォーマンスが低下する可能性があります。

伝送損失データ

伝送損失は光ファイバー・ネットワークにおいて重要なパラメータである。850nmマルチモードファイバーの伝送損失は約3.0dB/kmですが、1550nmシングルモードファイバーの伝送損失は約0.2dB/kmと非常に低くなっています。この損失の違いにより、シングルモード・ファイバーが長距離伝送に好まれる理由が説明できます。シングルモード・ファイバーは、減衰を最小限に抑えながら、より長距離に信号を伝送することができるからです。

光ポートの動作モードとネゴシエーション・メカニズム

ギガビット光ポート・モード

ギガビット光ポートは、自動ネゴシエーションと強制モードの2つの主なモードで動作する。

自動-ネゴシエーション・モードでは、/C/コード・ストリームを使用して、接続された2つのデバイス間で情報を交換します。これにより、各デバイスは、両者がサポートする共通の最高速度とデュプレックス・モードを自動的に決定し、最適なパフォーマンスを実現します。

強制モードは、/I/ コードストリームを使用し、ポートの速度とデュプレックスモードを手動で設定する。このモードは、自動ネゴシエーションに失敗した場合や、特定の設定が必要な場合に便利です。

交渉の異常への対応

ネゴシエーションの異常は、コネクションの一方の端が自動ネゴシエーショ ンモードで、もう一方が強制モードになっている場合に発生することがある。このような場合、自動ネゴシエーション側は強制モード側からの確認応答を受け取らないため、通常DOWN状態になる。

この問題を解決するには、両端が同じモードに設定されていることを確認する必要がある。両端が自動ネゴシエーションに設定されている場合、速度とデュプレックスモードが一致すれば、/C/コードストリームを交換して接続を確立します。両端が同じ速度とデュプレックス設定で強制モードに設定されている場合、/I/コードストリームを使用して通信し、接続はUPします。

全二重/半二重モード

802.3仕様は、イーサネット・インターフェースがサポートする速度と二重モードの範囲を定義している。全二重モードはデータの同時送受信を可能にし、一度に一方向の送信しかできない半二重モードに比べ、有効帯域幅を2倍にします。最近のネットワーク機器のほとんどは全二重モードをサポートしており、これは高速データ伝送に不可欠です。

新技術の拡張

CWDM/WDMテクノロジー

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）とDWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）は、異なる波長を使って複数の光信号を1本のファイバーで伝送する技術である。

CWDMは20nmの波長間隔を使用し、1271nmから1611nmまでのチャンネル、合計18チャンネルを使用する。高価な波長制御装置を必要としないため、中・短距離の容量拡張にコスト効率の高いソリューションである。

DWDMは、一般的に0.4nmから1.6nmという非常に小さな波長間隔を使用し、より多くのチャンネル数を可能にする。このため、ファイバーの利用率を最大化することが重要なバックボーン・ネットワークのような長距離、高密度帯域幅のシナリオに適しています。

コスト面では、CWDMの方がDWDMよりもシンプルな技術であり、部品要件もそれほど厳しくないため、一般に安価である。

光モジュールのホットスワップの利点

ホットスワップ機能とは、スイッチの電源を入れたまま光モジュールの抜き差しができる機能で、メンテナンスとアップグレードの面で大きなメリットがあります。ネットワーク管理者は、ネットワーク運用を中断することなく、故障モジュールの交換や高性能モジュールへのアップグレードを行うことができ、ダウンタイムを最小限に抑え、継続的なネットワークの可用性を確保することができます。これは、短時間のダウンタイムでも重大な影響を及ぼしかねないデータセンターなどのクリティカルなネットワーク環境では特に重要です。

選定とメンテナンスに関する推奨事項

モジュール・インターフェース対応表

最適なパフォーマンスを確保するためには、速度と伝送距離に基づいて光モジュールとインターフェースの適切な組み合わせを選択することが重要です。

ギガビット・スピードと短距離（数百メートルまで）の伝送には、マルチモード・ファイバーと組み合わせたLCインターフェースのSFPモジュールが適しています。

ギガビット・スピードと長距離伝送（数キロメートル）には、LCインターフェースとシングルモード・ファイバーを備えたSFPモジュールが適しています。

10ギガビット・スピードと短距離アプリケーションには、LCインターフェースとマルチモード・ファイバーを備えたXFPモジュールを使用できます。

10ギガビットのスピードと長距離伝送には、LCインターフェースとシングルモード・ファイバーを備えたXFPモジュールが適しています。

トラブルシューティング

光モジュールや光インターフェイスの一般的な問題には、インターフェイスの汚染、過剰なファイバー損失、モードの不一致などがあります。

フェルールに付着したほこりやゴミが原因でインターフェースの汚染が発生し、信号の損失が増大することがあります。適切なクリーニングツールを使用してインターフェースを定期的にクリーニングすることで、この問題を解決することができます。

過剰なファイバー損失は、ファイバーの接続不良、損傷したファイバー、または伝送距離に対して誤ったタイプのファイバーを使用していることが原因である可能性があります。光パワー・メーターでファイバーをテストすることで、損失の原因を特定することができ、損傷したコンポーネントを交換したり、正しいファイバー・タイプを使用することで、パフォーマンスを回復することができます。

シングル・モード・モジュールをマルチ・モード・ファイバーに使用した場合、またはその逆の場合に起こるモードの不一致は、深刻な信号劣化を引き起こす可能性があります。この問題を避けるためには、モジュールとファイバーのタイプを正しく一致させることが不可欠です。

よくある質問

1. SFPモジュールとGBICモジュールの違いは何ですか？

SFPモジュールはGBICモジュールの小型アップグレード版で、体積は50%縮小されています。GBICモジュールと同じ機能をサポートしますが、より高いポート密度を提供し、同じパネル上に2倍のポートを配置することができます。GBICは初期のギガビット・インターフェース規格で、徐々にSFPモジュールに取って代わられつつありますが、一部の古い機器ではまだGBICモジュールを使用しています。

2. シングルモードファイバーとマルチモードファイバーの見分け方は？

• カラー:シングル・モード・ファイバーの外側のシースは黄色で、マルチ・モード・ファイバーのそれはオレンジ色と赤色である。
• コア径:シングルモードファイバーのコア径は8～10μm、マルチモードファイバーのコア径は50μmまたは62.5μm。
• 波長:シングルモード・ファイバーは一般的に1310nmと1550nmの波長を使用し、マルチモード・ファイバーは一般的に850nmを使用する。

3. FC、SC、LCインターフェースはどのようなシナリオに適していますか？

• FCインターフェース:ねじロック機構により、機器室の分配フレームなど、頻繁にプラグの抜き差しが必要なシーンに適しています。
• SCインターフェース:プラグイン設計のため、100Base FXスイッチなどのローエンド・イーサネット機器によく使用される。
• LCインターフェース:その小型設計は、SFPモジュールやデータセンター・ケーブリングなどの高密度シナリオに適しています。

4. ギガビット光ポートの自動ネゴシエーションに失敗した場合の対処法

一方の端が自動ネゴシエーションモードで、もう一方の端が強制モー ドの場合、自動ネゴシエーション側の端は Ack 応答を受け取らないので DOWN する。これを解決するには、両端が同じモードに設定されていることを確認する：

• 両方がオートネゴシエーションに設定されている場合、/C/コードストリームの相互マッチング後に接続が確立される。
• 両方が強制モードに設定されている場合、相互の/I/コードストリーム送信によって直接UPすることができる。

5. CWDMとDWDMの主な違いは何ですか？

• 波長間隔:CWDMは20nm間隔（例えば、1271nmから1611nmまでの18チャンネル）であるのに対し、DWDMは0.4nm～1.6nm間隔である。
• コスト:CWDMは波長制御装置を必要とせず、波長分割多重／多重分離装置も安価であるため、中・短距離の容量拡張に適している。
• 申し込み:DWDMはバックボーン・ネットワークのような長距離、高密度帯域幅のシナリオで使用され、CWDMはメトロポリタン・エリア・ネットワークに適している。