イーサネットの物理層（6）全体階層構造

Ethernet TSN は第2層(データリンク層)を主に機能強化している。同時に、車載ネットワークを意識した第1層(物理層)にも新たな規約を策定した。車載ネットワークでは省スペースと重量削減が大きな課題で、これに対応するため1対(2本)のメタルケーブルで約15m 伝送を可能にする物理層が新たに追加された。まず、100BASE-T1 と 1000BASE-T1 が決まり、最近になって 10BASE-T1S/2.5GBASE- T1/5GBASE-T1/10GBASE-T1 が追加された。車載ネットワークでは、これらの新しい規格が採用される可能性が高い。一方、IoT 分野では、新しい物理層にこだわる理由はなく従来の撚対線や光ファイバーなどの物理層を採用する可能性が高い。このような状況を踏まえ、Ethernet TSN で新たに追加された機能の影響を確認すると共に、用途に応じ物理層を切り替えることができる仕組みを解説したい。

図1 は、アプリケーションデータ送受信モデルだ。送信データは順次下位層に引き渡され、その都度ヘッダ情報が付加される。最終的に物理層で電気信号や光パルスに変換され、伝送路を経由し受信ノードに届く。受信データは、各階層での処理が正常に終了するとヘッダ情報を削除し、順次上位層に引き渡す。最終的に、全てのヘッダ情報が削除され元のデータに戻る。

Ethernet TSN では、第2層(データリンク層)と第1層(物理層)の一部に変更を加えている。第3層の IP や第4層の TCP/UDP には一切手を入れていないため、第3層以上への影響はない。注意が必要なのは、「プリエンプション」による物理層の変更だ。図2 は、プリエンプションによるフレーム変更箇所だ。物理層で付加されたりチェックする箇所が変更されている。既設のイーサネット機器との互換性が保たれるかはかなり疑問だ。プリエンプションを採用する際は、慎重な互換性確認が必須だ。

（参考）Ethernet TSN（8）時分割多重におけるプリエンプションの概要

イーサネットフレームは、デファクトスタンダードの「Ethernet II」形式と「IEEE802.3」形式があり、 VLAN タグの有無で4つのパターンがある。Ethernet TSN は VLAN タグが必須のため、プリエンプションの影響を受けるのは VLAN タグ付きに限定される。「IEEE802.3」形式はめったにお目にかからないが、 IEEE 委員会が制定したプロトコルで使用されている。例えば、RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol) を制御する BPDU(Bridge Protocol Data Unit)などで使われている。

プリエンプションによる変更を除けば、イーサネットフレームの変更や機能追加は無く、従来と変わりがない。

物理層には、様々な通信速度や伝送距離により伝送媒体は同軸線、撚対線、光ファイバー、無線など様々な種類がある。物理層が変わるたびに、第2層と第1層間の接続を新規に開発したのでは、時間やコストの無駄が多い。IEEE802.3 委員会はこの問題に対処するため、伝送速度が 10Mbps から 100Mbps へと拡張される段階で、第2層(MAC)と第1層(PHY)間の共通インタフェースとして「MII( Media Independent Interface)」を IEEE802.3u として制定した。MII が決められたことで、第2層以上を再設計したり交換することなく、様々な伝送速度や伝送媒体に接続できるようになった。まさに、論理層を物理媒体から独立させる(media independent)なインタフェースだ。その後、新たな規約の追加に対応し MII は拡張された。様々な MII の登場により、これらを総称して xMII と呼ぶことが多い。 10Gbps 以下 のイーサネット規格一覧は図3 を、伝送媒体、伝送速度の組み合わせは図4 を参照いただきたい。

各種イーサネット物理層解説の前に、論理層(第2層)と物理層(第1層)をつなぐ xMII を説明したい。