LANケーブル工作実習

LANケーブル工作実習
灘校パソコン研究部 2014年夏合宿 3日目

自己紹介
 丹羽直也
 65回生 OB
 慶應義塾大学理工学部 1年(学科は2年から)
 情報処理技術者試験
 2011年春期応用情報技術者試験
 2011年秋期ネットワークスペシャリスト
 Twitter @mine_studio
 その他の情報は http://mine02c4.nagoya/
 http://ぴょんぴょん.com/ でもつながります

概要
この実習の目的や流れを説明します

目的
 現在最も普及しているLAN向けのケーブルであるツイストペアケーブルを題材
に工作実習を行います。
 実際にLANケーブルを切断し、中を見たり、コネクタを取り付けることで、通
信の基礎技術と電磁気学との関係を学び、通信工学の扉に触れます。

流れ
LANケーブルに関するミニ講義
工作の説明
工作

IEEE 802.3
Ethernet

IEEE 802.3(Ethernet)
 いわゆる「有線LAN」の仕様を定めている規格
 1972年にXerox社パロアルト研究所で開発された「Alto Alohaネットワーク」が
前身
 これをBob Metcalfeが「Ethernet」と名付けた
 19世紀に光の媒質と考えられていた「エーテル(ether)」から名前をとった
 Ethernetが通信する様子が情報伝搬における媒質に似てると考えた
 エーテル自体は1887年にマイケルソン・モーリーの実験で反証されている
 高校物理でやります

1000BASE-T(IEEE 802.3ab)
 今回は1Gbpsで通信が行える1000BASE-Tが動作するようなケーブルを制作する
 確認:1Gbpsは1秒間に1Gビット
 以下の仕様を満たしたケーブルを要求
 ISO/IEC 11801 Class D
 ANSI/EIA/TIA-568-A Category 5
 ANSI/TIA/EIA TSB-95 (これは品質テストに関する規格)
 4対のシールド無しツイストペアケーブル(UTP)で、100MHzの信号に対する特性
インピーダンスが100Ωであるもの。
 クロストークに関する制約など様々な性能特性も求められる。
TIA/EIAの方で置き換えられた
(後述)

ANSI/EIA/TIA-568-AとCategory 5
 ANSI/EIA/TIA-568の改訂(Revision)Aという意味(後述するT568Aと意味が違う)
 2001年に改訂Bに置き換えられ、2009年に改訂Cに置き換えられた。
 といっても、文書は分割されているので、徐々に置き換えられた
 改訂Bの時点で、Category 5はlegacy(遺物)として位置づけられ、非推奨となり、
Category 5eに置き換えられた
 当初、調達の関係からCategory 5の予定だったが、急遽Category 5eで実習を行う
ことになったため、資料に矛盾があるかも知れない。
 手本の写真はCategory 5

ツイストペアケーブル
 一対(二本)の導線を撚り合わせた
ケーブル
 撚り合わせることにより外部にノ
イズを出したり、外部のノイズの
影響を受けにくくなる
 原理は予習向けの資料に書いてある
 1000BASE-Tはこれを4対要求してお
り、4対とも使用する

8極プラグ(8ピンコネクタ)
 ISO/IEC 603-7準拠の8-Position
Unkeyed plug
 よくRJ-45と間違えられる
 RJ-45の仕様は追ってないが、最低
でもTIA-568-BにRJ-45という記述は
なかった
 よく爪がぴょんぴょんして折れて
しまうので取り扱い注意

結線順序(ピン番号)
1
8

結線順序(T568A)
ピン番号色ペア(tip, ring) (参考)1000BASE-T PMA信号の割り当て
1 白緑 T3 BI_DA+
2 緑 R3 BI_DA-
3 白橙 T2 BI_DB+
4 青 R1 BI_DC+
5 白青 T1 BI_DC-
6 橙 R2 BI_DB-
7 白茶 T4 BI_DD+
8 茶 R4 BI_DD-
実はT568B結線の方が普及しているが標準はT568Aである。本実習では標準を使う。

カラーコード
 ケーブルの銅線を識別しやすくす
るために決まった色分けがされて
いる
 ペアごとにプライマリカラーとセ
カンダリカラーが決まっている
 tipにプライマリカラーを基本にセ
カンダリカラーの縞模様を入れる
 ringはセカンダリカラー単色
 例えば第1ペアのプライマリカラー
は白でセカンダリカラーは青
T1:白青
例:第1ペア
プライマリカラー白
セカンダリカラー青
R1:青

TIA/EIA-568-B≠T568B
 “T568B”は結線順序の名前であり、規格名であるTIA/EIA-568-Bの略称ではない
 TIA/EIA-568-Bでも標準はT568AでありT568Bはオプションである

全体像(1セグメント)
Category 5e UTP
T568A T568A
Class D UTP 4対
最長100m
8極プラグ
MDIMDI
8極プラグ
PMAPMA
今回製作する範囲
NIC
スイッ
チング
ハブ

工作の説明
具体的な工作の手順

用意するもの
 カテゴリ5 UTPケーブル適当な長さ1本
 8極プラグ 2個
 保護カバー 2個
 工具等
 かしめ工具 ←3つ用意したのを共用
 テスター ←2つ用意したのを共用
 はさみ ←各自用意持ってきたよね？

かしめ工具(圧着工具)
 LANケーブル工作において主役とな
る工具
 名前通りコネクタの圧着はもちろ
ん、被覆除去(ストリップ)や切断も
出来る
 刃が付いているので取り扱い注意
 安いのはAmazonで2,3千円
圧着
切断
被覆
除去

切断及び被覆除去
 ものによるが、かしめ工具の刃に
切断用と被覆除去用の部分がある
場合がある。
 ただし、今回ははさみで代用しま
す…m(_ _)m
ぴったり閉じても隙間があく。
これは被覆除去用。
ぴったり閉じる。
こちらは切断用。

ちなみに
 矢印のところも被覆除去に使える
が、360度回す必要があるので使い
にくい。
 一周した時にずれて綺麗に切れない
 好みの問題かもしれないが…

工作の流れ
切断被覆除去
保護カバー装着
• 先付けの場合
銅線の整列圧着テスト

切断

保護カバー装着

被覆除去
この時、一番外の被覆だけを
切るようにする。
中の銅線を傷つけてしまうと、
最悪の場合導通しない。

被覆除去後の様子

銅線の整列
広げるほどいて並べる

とりあえずプラグに入れる
素手だとまっすぐにならないので、
とりあえずプラグに入れる。
撚り戻しの長さは短いほうが良い
ここをもう少し詰める

切って揃える

プラグに入れる
撚り戻しが可能な限り短いことを確認する。
カテゴリ5では13mm以内…となっているが、
安いコネクタでは不可能な場合が多い。
結線順序を再確認

圧着

圧着後
端子が銅線の被覆を突き破る
ことによって導通する
ケーブル固定具が押し込まれて、
ケーブルを固定する

テスト
 本来ならばミニ講義で説明したとおり、TIA-568(カテゴリ5はTSB-95)にしたがっ
て品質テストをしなければならないのですが…
Fluke社の標準に準拠したテストが出来るDTX-1800
Amazonでいくらでしょう？
DTX ケーブルアナライザー – ネットワーク・ケーブル認証試験用テ
スター|フルーク・ネットワークス
http://jp.flukenetworks.com/datacom-cabling/copper-testing/dtx-
cableanalyzer-series
より引用

DTX-1800の価格
 (2014/08/12時点)
 もちろんこんなのは用意できません…
 本実習では導通チェックをする程度の簡
易テスターと、実際にNTttcpを使って通
信させて、スループットなどを確認する
 http://gallery.technet.microsoft.com/NTttcp
-Version-528-Now-f8b12769

ちなみに…
 ThinkPad Xシリーズのようなハイエンド機だと、NICにIntel製のチップを採用し
ており、ケーブルのテストを行うことが出来る。
 この場で誰か持っていたら使わせてほしいなぁ…

完成
こころぴょんぴょん！では工作を始めましょう！

ケーブルの品質
良いケーブルを作るには？

ケーブルの目的と品質
 信号を正確に伝えること
 信号が誤って届く状態はケーブルの目的をきちんと達成できていない
 「品質が低い」
 では、信号が誤って届く原因とはなんだろう？

Ethernetにおける信号
 各ペアごとの銅線間の電位差で伝える
 {-1,-0.5,0,+0.5,+1}/V の5値。詳しくは追加説明で
 これがお互いに識別できなくなった時に信号が誤って届く

原因
 減衰
 主に電気抵抗
 雑音(ノイズ)
 電磁誘導等で発生する信号以外の電圧
こっちに注目
工作じゃどうにもならない

雑音(ノイズ)

雑音の原因
 磁場の変化によって電圧が発生する(電磁誘導)
 その磁場の変化を起こすのは何？

いろいろあるけど…
 隣接している銅線が最も近く、高周波信号が流れているため、非常に大きな影
響を与える

漏話(Crosstalk)

重要なのはコネクタの撚り
 逆に撚りが無いコネクタ部分での漏話が大きな問題となる。

3,4番ペア
この辺りから見るとある程度打ち消し合う

1,2番ペア
この辺りから見ると加算される

追加説明
余裕がある人向け

1000BASE-T PHY(Physical Layer)
IEEE 802.3ab

階層モデル(1000BASE-T)
OSI参照モデル
IEEE802.3ab
EIA/TIA-568

PCS(Physical Coding Sublayer)
 送信時にGMIIからのデータを受け取り、PMAに対して符号化した情報を渡す
 受信は逆
GMII
(𝐴 𝑛, 𝐵𝑛, 𝐶 𝑛, 𝐷 𝑛)
PCS
それぞれが{−2, −1,0, +1, +2}の
5値のうちどれかを取る
PMA
MDI
8B1Q4 + 4D-PAM5
8ns毎に転送

8B1Q4 + 4D-PAM5
 8ビットの情報に冗長ビットを1つ加えて9ビットとし、それを5値4組のベクト
ルに変換する。(8B1Q4)
 9bit:512通り 5値4組:625通り収まる
 これを8nsごとに行うと、1Gbpsになる
 得られたベクトルを4組の銅線それぞれに割り振って5値の電圧で出力する

参考文献
 IEEE. 802.3-2012 - IEEE Standard for Ethernet - Section 3. 2012, 358p.
 http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=6419733 (有料)
 主にClause 40 “Physical Coding Sublayer (PCS), Physical Medium Attachment (PMA) sublayer
and baseband medium, type 1000BASE-T”から
 Spurgeon, Charles. 詳説イーサネット. 柏木由美子訳. 東京, オライリー・ジャパン,
2000, 501p.
 原著 ”Ethernet: The Definitive Guide” の第二版が2014年4月に発売されたので、こちら
の翻訳も出るかも…？(ちなみに、初版は半年遅れで出ている)

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