ＬＡＮ技術研究室（ＬＡＮに関心がある人のために情報を提供しているサイト）

ＬＡＮの初歩

ＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識（１）

最近のＬＡＮは、スター型のトポロジーなので、パソコンや通信機器を繋ぐケーブルに関しては、ＵＴＰケーブルが主流になっています。
ＵＴＰケーブルとは、Unshielded Twisted Pair Cableの略です。
昔はバス型のトポロジーも利用されていたので、同軸ケーブルも使われていました。
トポロジーと呼ばれるＬＡＮの接続形態がスター型が主流になった今では、バス型で使われていた同軸ケーブルは使われなくなりました。
配線が面倒だったのが主な理由だと思います。
このＵＴＰケーブルは、パソコン、ハブ、ＬＡＮスイッチ、及び、ルーターなどを接続する際に使います。
ＵＴＰケーブルには規格があります。
米国のＥＩＡとＴＩＡという団体があり、ここで５６８Ｂという規格が定められました。
正しくは、EIA/TIA-568Bと言います。
EIA/TIA-568Bは、カテゴリｘのｘに記される数字が示すレベルごとに満たすべき条件を詳細に決めています。
カテゴリｘのｘに記される数字については、後ほど御説明します。

このＵＴＰケーブルには、銅の線が入っていて２本ずつねじるように束ねられていているので、らせん状の形になっています。
銅線を使っているのは、電気を通しやすいという理由と銀に比べて価格が安いという理由からです。
ちなみに銀が一番電気を通しやすいです。銅についで金が電気を通しやすいです。
これらのことを考えると銅が一番ベストであることは当然です。
さて、銅線にとって非常に重要なことがあります。
それは、ノイズに対する強さと信号が弱まる度合いの２つです。
ケーブルが長くなれば信号が弱まります。
これは音の伝わり方に似ています。
音源が遠くになると聞こえにくくなるのと同じで、ＬＡＮにとってマイナスです。
さらに、コンサートで美しい音楽を聞いている時、隣で咳き込んでいるじじいがいると、せっかくの音楽が雑音でだいなしです(^_^;
一番聞きたい部分がよく聞こえないことになります。
このたとえ話をＬＡＮのケーブルに置き換えて考えてみると、外部からのノイズに相当します。
これもＬＡＮにとってマイナスです。
つまり、電気信号が相手に正しく伝わらず、通信エラーを引き起こす原因になりかねません。
ＬＡＮの場合、ＵＴＰケーブルに加わるノイズは大敵なわけです。
このノイズの正体は、ノイズ源から空気中を飛んでくる電磁波に他なりません。
コンセントや電源タップのようなノイズ源となる器具のそばにＵＴＰケーブルがあるのは良くないので、なるべくそのようなところに置かない方が良いです。
私の会社でも、あるハブの第３ポートだけが壊れたままです。
ハブが古くなり、金属疲労などもあるのかもしれませんが、電源タップの上をケーブルが通っていたことも故障の原因かもしれません。
また、こういった外部ノイズだけでなく、内部ノイズも忘れてはいけません。
これは、ＵＴＰケーブルが一本の銅線でできているわけではなく、前述しましたが複数の銅線が２本ずつらせん状に束ねられていまして、全部で４組あります。
電気信号を流すと一組の銅線の内部からノイズが出ます。
さらにそのノイズが別な組の銅線の信号の流れを乱してしまいます。
これが内部ノイズの正体で、ＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)と言います。ノイズは実際に前述の外部ノイズだけではなかったのです。
流された電気信号（本来の電気信号）を入力信号（ ｉ ）とします。
これに対して、ＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)はノイズ信号なのでｎとします。
この２つの信号の値を使用して、ゲイン（利得）の計算を行うことができます。
聞いたことがあるかたもおられると思いますが、このゲインの単位はデシベル（ｄＢ）になります。
そこで、信号ｉに対する信号ｎの割合が増幅度となります。
以下の計算式でこのゲインを計算します。



前述のＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)もノイズ信号ではありますが、これも信号であることには変わりありませんので、音声信号などと同じように周波数ごとに分解して先ほどのゲインを縦軸にとり、各周波数を横軸にとってグラフにすることができます。
こうして、このＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)を細かく分析することができます。
ちなみに、周波数ごとに分解する手法がありまして、それにはフーリエ変換、離散コサイン変換、及び、ウェーブレット変換があります。
聞いたことがあるかもしれませんが、ここでは「ＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識」という本筋からそれてしまいますので、詳しいことは省略しますが、フーリエ変換に関してはデジタル信号処理関連の文献を見て勉強して下さい。
このＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)は、電磁誘導という物理的な現象を引き起こしてしまいます。
この電磁誘導に関して、詳しく知りたいという方は、電磁気学関連の文献で勉強して下さい。
電磁誘導とその関連事項についてわかりやすく解説されている本もあります。
難解な数式はほとんどない、大変読みやすい本もあります。書店で探してみて下さい。
こういった分野は、物理でも電磁気学と呼ばれます。

ところで、今、電線を２本並べたとします。
一方の電線に電気を流すと、電流を流していないもう一方の電線に微量の電流が自然発生してしまいます。
つまり、ＵＴＰケーブルを接続して電気を流している間は、この電磁誘導という現象が内部の４組の銅線の間で常に発生しているわけです。
従って、このＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)は、ＵＴＰケーブルの性能を計測するためには重要な要素となります。
つまり、ケーブルのノイズに対する強さを知ることができるわけです。
２種類のノイズの何れにしても、ノイズ源から空気中を伝わってくる電磁波が銅線にぶつかると、右回りの方向に電流が流れ、結果的にノイズとなります。
これは、ケーブルの中を流れる本来の電気信号とは別物で、これが本来の電気信号を乱してしまいます。
これが問題なのです。
らせん状に銅線を束ねておく（よっておく）理由は、ノイズによって発生する電流の向きがよりに合わせて互い違いになることから、ちょうどプラスとマイナスでゼロになるようにノイズもお互いを打ち消し合うので、ノイズをなくしてしまうというところにあります。
これでおわかりだと思いますが、らせん状に銅線を束ねてあるのには重要な意味があったのです。
これでケーブル全体で発生するノイズの影響をほとんど打ち消せるようになっているわけです。

それでは、話をカテゴリｘのｘに記される数字に戻しましょう。
このカテゴリという言葉は、ＵＴＰケーブルを購入する際に重要となりますので、よく覚えておいて下さい。
ＬＡＮの通信速度と関係してきます。
１０Ｍｂｐｓ（10 BASE-T）ですと、カテゴリ３（ＣＡＴ３）でも良いのですが、10 BASE-Tや１００Ｍｂｐｓ（100 BASE-TX）ですとカテゴリ５（ＣＡＴ５）以上にします。
100 BASE-TXでは、むしろカテゴリ５ｅ（ＣＡＴ５ｅ）が最適です。
１Ｇｂｐｓ（最近良く耳にするギガビットイーサーネット）ですとカテゴリ５ｅ以上が最適です。
最近ではカテゴリ６（ＣＡＴ６）というものもあります。
ギガビットイーサーネットでは、カテゴリ６が理想的です。
最低このくらいは覚えておいて下さい。
それでは、カテゴリとそれに続く番号が示す意味をもっと詳しく解説します。
カテゴリは、ＵＴＰケーブルやＳＴＰケーブルの品質を表しています。
また、らせん状に銅線を何回束ねてある（何回よってある）かを知る上での基準を示しています。
カテゴリとそれに続く番号が大きいと、品質が向上し、銅線をよってある数が多いということを意味しています。
カテゴリとそれに続く番号は、現在市販されているもので１〜７まであります。
ケーブルを購入すると、袋にカテゴリをＣＡＴと記載している場合があります。
これはカテゴリを意味すると思って下さい。
ＣＡＴ５に関しては、前述のＣＡＴ５ｅ（エンハンスドカテゴリ５）というものもあります。
高速なＬＡＮ環境では、できるだけＣＡＴに続く番号が大きい方が安定した通信を約束してくれます。
最近では、さらに増えています。
最近では、１０ギガビットイーサーネットの10G BASE-Tが登場しています。
10G BASE-Tを使用したい場合は、ＬＡＮケーブルは、10G BASE-Tに対応したＣＡＴ６ｅ（エンハンスドカテゴリ６）か、ＣＡＴ６ａ（オーグメンテッドカテゴリ６）か、最新のＣＡＴ７（カテゴリ７）などを使用する必要があります。
ＣＡＴ６ａやＣＡＴ７では、１００ｍ以下のケーブル長で、ＣＡＴ６ｅでは、５５ｍ以下のケーブル長です。
この仕様の規格は、IEEE802.3anとして２００６年に標準化されました。
ちなみに、ＣＡＴ６ａでは、ケーブル内部の構造を改良し、ノイズの影響を抑える工夫を施しています。
ＵＴＰケーブルは、４組の撚り対線（よりついせん）を１つの束にしたケーブルです。
１組の撚り対線は、ノイズ防止のため、２本の銅線を束ねて撚ってあるので、こう呼ばれています。
この撚りがどのくらい多いかをカテゴリが表していて、同時にケーブルの品質を示しています。

ページトップへ

図１

前の項目のＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識（１）で、ＵＴＰケーブルについてお話しましたが、今回は図を交えてさらに詳しくお話しましょう。
前の項目では図がなかったので、ＵＴＰケーブルに関する解説がわかりずらかった感じがしますが、後編ではＵＴＰケーブル内部の４組の線について図を交えてお話します。
そこで、上の図１と下の図２を御覧下さい。

図２（外部からのノイズ場合）

この４組の内一組は、２本の銅線から成っていることは前編でお話しました。
らせん状にこの２本の信号線を束ねておく（よっておく）理由は、ノイズ（雑音）によって発生する電流の向きがよりに合わせて互い違いになることから、ちょうどプラスとマイナスでゼロになるようにノイズもお互いを打ち消し合うので、ノイズがなくなることも前編で述べました。
ノイズの実体は電磁波なので、電磁波は銅線のような金属の導電体に当たると電流を発生させるという特性を持っています。
この項目では、上の図の解説とノイズに関するさらに詳しいことをお話しましょう。
ＵＴＰケーブルがUnshielded Twisted Pair Cableの略であることも前編でお話しましたが、２本をより合わせて一組にしていることからより対線（よりついせん）とも呼ばれます。
前の項目では、ＵＴＰケーブルはこの４組で合計８本の銅線から成っていることをお話しましたが、それは主に標準タイプのケーブルであることをお話しませんでした。
細いタイプのケーブルもあり、これは２組（２対）で合計４本です。このタイプはモバイル向けのようです。
話をノイズの話に戻します。
図２を御覧下さい。へたな図ですみません(^_^;
赤と青の線は２本の銅線で束ねられている一組を示しています。
赤の線にはプラスの電流が流れます。
青の線にはマイナスの電流が流れます。
ここに向かって、何らかのノイズ源（蛍光灯、ＣＲＴディスプレイ、シュレッダーとか掃除機のようなモーターがある機械や電源ケーブル）から電磁波が放射されます。
これで外部ノイズをＵＴＰケーブルはもろに受けます。
しかし、電磁波がケーブルの中を通ると、電磁波の進行方向の右回りに電流が発生します。
この電流のせいで銅線を流れる信号の波形を乱します。
しかし、この赤と青の２本の銅線をらせん状に束ねると、隣同士で電磁波によって電流の向きがプラスとマイナスでは逆になります。
図２の電流の向きは逆という言葉はそれを意味しています。
これで雑音（ノイズ）によって生じた電流を互いに打ち消し合う結果となり、ノイズによる電流は弱まり、信号の波形も安定します。
これで正常に信号を送信できるわけです。
ちなみに、銅線は本当に赤と青ではなく、あくまでも図でわかりやすく示すために色をつけただけです。
ここまでのノイズは外部ノイズでしたが、今度は内部ノイズです。

図３（内部で発生するノイズ場合）

図３を御覧下さい。またまたへたな図ですみません(^_^;m(_ _)m
内部ノイズの場合は、図のように対になっているある組の信号線から漏れる電磁波が別な組の信号線に影響を与えます。
厳密に言うと、例えば図のように紫の矢印線丸１の電磁波は赤で示したプラスの銅線から漏れ、紫の矢印線丸２の電磁波は青で示したマイナスの銅線から漏れます。
このような現象をクロストークと言います。
日本語では漏話（ろうわ）と言います。
いっそう簡単にわかりやすく言うと、２つの信号線から漏れる電磁波がお互いにノイズとなるということなんです。
ＬＡＮのケーブルの前に最初に問題となったのが電話線であったため、話が漏れるという意味になったようです。
このような内部ノイズをクロストーク雑音と言います。
ちなみに、電話線は一対だけのケーブルなので、ＬＡＮのＵＴＰケーブルのように４対もありません。
電話線の場合は、RJ-11コネクタに接続しますが、ＬＡＮのＵＴＰケーブルの場合はこれよりひとまわり大きめなＲＪ−４５コネクタを使用します。
このクロストークの話はまだ続きます。
そろそろお疲れかもしれませんが、頑張ってつきあって下さい。
今度は図１を御覧下さい。
一番上にある信号線は送信のみでプラスとマイナスの２本の銅線から成っていて、RJ-45コネクタの１番ピンと２番ピンに繋がっています。
例えば、この信号線から漏れるノイズがもう一方のすぐ下の信号線に伝わったとします。
下の信号線のピンは３番と６番に繋がっています。
こちらの信号線は、受信用でプラスとマイナスの２本の銅線から成っています。
上の送信用の信号線と下の受信用の信号線では、信号の流れる方向がまったく逆です。
こういう条件下のクロストークのことを、ＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識（１）で既にお話したＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)に他なりません。
このクロストークという現象は、ケーブル全体で発生しています。
ケーブルが長くなればなるほど信号は減衰します。つまり一定ではありません。
下の信号線の３番ピンと６番ピンは、受信の口になります。つまり、信号が送信側から長い旅をしてここにやって来るわけで若干減衰しているはずです。
受信側の減衰した信号に、上の信号線の左の端点に近い部分のように送信を開始した直後の減衰していないクロストークが伝わることになります。
これが伝送品質に大きな影響を与えることになります。
この問題をクリアしてできるだけ安定した信号を送受信できれば、品質の良いケーブルということになります。
そのため、ケーブルの品質検査を行う際にこのＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)に着目するわけです。
ＮＥＸＴ(Near End Cross Talk)の値の計算方法は、ＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識（１）に記載しましたので、いきなり後編を御覧になったかたはＬＡＮで使われるＵＴＰケーブルの基礎知識（１）からお読み下さい。
このクロストークには、もう一つＦＥＸＴ(Far End Cross Talk)というクロストークもあります。
こちらは、並行している２組の信号線が両方とも送信用だった場合のクロストークを言います。
こういうクロストークもあることを覚えておいて下さい。
今回は詳細を省略します。
図３で示したクロストーク雑音を消すための工夫の話に戻します。
また、図３を御覧下さい。
本当は下に描いた一組の信号線は、上の組の信号線とは若干波の間隔を違うようにしなければなりませんでしたが、うまく描けなくて同じくらいの間隔になってしまいました。まあかんべんして下さい(^_^;
実際は波の間隔が違うんだと思って下さい。
この波の間隔が異なることが非常に重要で、こうすることでクロストーク雑音を抑えているのです。
このようにらせん状による間隔を変えることで、ある部分ではプラスの銅線のそばにマイナスの銅線が来て、別な部分ではマイナスの銅線のそばにプラスの銅線が来るようになります。
こうなると、プラスとマイナスでノイズの影響が逆になることから、お互いに打ち消し合うことになります。
このことから、ケーブル全体でノイズが軽減されることになります。
これでめでたくクロストーク雑音を抑えることができるわけです。
ＵＴＰケーブルは、Unshielded Twisted Pair Cableの言葉が示すようにシールドレスであるため、電磁誘導を受けやすいという性質があります。
これを防ぐ意味でもＳＴＰケーブル（Shielded Twisted Pair Cable）というものもあります。
ＳＴＰケーブルの方は、ケーブル内部の銅線を２本ずつより合わせて、アルミフィルムなどでシールド加工が施されているため、電磁誘導を受けにくいことから、本来ＬＡＮのケーブルとしては理想的なものです。
しかし、ＳＴＰケーブルは、ＵＴＰケーブルよりやや高価です。
そのため、ＳＴＰケーブルは工場などのノイズが多く発生する場所で利用され、ＵＴＰケーブルがオフィスや家庭で利用されることが多いです。
ノイズに関する解説はこれで終わりとします。

再び図１を御覧下さい。
前述のクロストーク雑音の記述の中で、RJ-45コネクタの８つのピンの内６番ピンにふれましたが、このピンには受信信号のマイナスの電気が流れます。
このピンはこれ以外に大変重要な意味を持っています。
それは、結線に関することです。
まず、ＬＡＮアダプタ側を御覧下さい。
内部にＭＡＵ（Media Attachment Unit）という電子回路があります。
ちょっと混乱を招く用語で、もう一つ昔良く10 BASE-5というバス型ＬＡＮのトポロジ（ＬＡＮの形態）で使われていたトランシーバもＭＡＵと言います。
こちらは、Media Access Unitの略でエムエーユーと言いますが、通称マウと呼びます。
今主流の10 BASE-T以上の高速ＬＡＮを含むＬＡＮでは、トポロジはスター型です。
われわれが今見ているＭＡＵは、RJ-45コネクタと結線する方のMedia Attachment Unitです。
ＭＡＵは、ネットワーク上でデータの送受信を行う際にデジタル信号とアナログ信号の相互変換とコリジョン（信号の衝突）の監視などを行います。
これがリピータハブやＬＡＮアダプタに内蔵されています。
ちょっと混乱するかもしれませんが、ＭＡＵ（Media Attachment Unit）という電子回路の中に、前述のもう一つのＭＡＵ（Media Access Unit）を内蔵しています。
Media Access Unitは、前述の通りトランシーバで、こちらは10 BASE-T用です。
昔の10 BASE-5では、でかい機械が外にむき出しだったわけです。

今まで電気信号って何だろうと思ったままここまで来られた方もいるかもしれませんが、その実体はプラスとマイナスの電圧なんです。
ＭＡＵの端子からはプラスとマイナスの信号が流れ出ています。
ＬＡＮアダプタ側では、RJ-45コネクタの６番ピンとストレートにＭＡＵのマイナスの受信端子を結線します。
リピータハブ側では、RJ-45コネクタの６番ピンとクロスさせてＭＡＵのマイナスの送信端子を結線します。
図１では、少し太めの紫の線で描いたので御覧いただければはっきりわかると思います。
結線に関することでもう一つ覚えておいた方が良いことがあります。
それはリピータハブのポートを表わす用語である。
ＭＤＩ(Media Dependent Interface)とＭＤＩ−Ｘ(Media Dependent Interface Crossover)という言葉を聞いたことがあるかもしれませんが、これらはよく前述のリピータハブ、スイッチングハブ、インテリジェントハブ、インテリジェントスイッチ、レイヤ３スイッチなどのスイッチのカタログで見かけます。
また、図１を御覧下さい。
ＬＡＮアダプタ側では、RJ-45コネクタの６番ピンとストレートにＭＡＵのマイナスの受信端子を結線しているので、インターフェイスはＭＤＩになります。
それに対して、図１ではリピータハブにもケーブルが繋がっているので、ハブの方のインターフェイスはＭＤＩ−Ｘになります。
ＭＤＩ−Ｘ(Media Dependent Interface Crossover)の方は、クロスして結線していることからクロスオーバーという名前が付けられています。
ハブやスイッチでは、このＭＤＩ−Ｘのポートがたくさん並んでいて、これ以外にＭＤＩポートまたはカスケードポートというポートが普通あります。
メーカーによっては、このポートをアップリンクポート（Uplink Port）と読んでいる場合もあります。
ハブなどのカタログを御覧下さい。
このＭＤＩポートは、ハブだったらもう一台のハブを接続するのに使います。
このように、ハブ同士を接続し、より多くの通信機器やパソコンを繋いでいくことをカスケード接続と言います。
カスケードポートを使用する場合はストレートケーブルで接続できます。
他のポート（ＭＤＩ−Ｘポート）を使う場合はクロスケーブルを使います。
私（ケロ丸）の会社にもまだ残っていますが、カスケードポートがない古いハブ同士を繋ぐ場合は、必ずこのクロスケーブルを使う必要があります。
最近では、カスケードポートがあるハブが当たり前なので、クロスケーブルを使う機会は少なくなりました。
ハブの機種によっては、カスケードポートにＭＤＩとＭＤＩ−Ｘの切り替えスイッチが付いている製品もあります。
また、最近では、Auto MDI-Xと言って、すべてのポートにストレートケーブルとクロスケーブルの自動判別機能が付いているハブまであります。
ずいぶん便利になりました。
昔は少々知識がある人でないとＬＡＮを作るのは難しかったですが、最近では小規模なＬＡＮなら素人でも作れます。
ＭＤＩ−Ｘポートの場合、接続相手はＬＡＮアダプタを取り付けたパソコンなので、ストレートケーブルを使って接続します。
ストレートケーブルやクロスケーブルを使ったポート同士の結線の様子を以下の図４〜５に示しましたので御覧下さい。

図４

ストレートケーブルはこんな感じに結線され、矢印の方向に電気信号が流れます。
パソコンやルーターは、左側になります。
ハブやスイッチは、右側になります。

図５

今度はクロスケーブルの場合です。
御覧のように両サイドＭＤＩ−Ｘポートです。
両サイドＭＤＩポート（カスケードポートまたはアップリンクポート）を使用したい場合は、ストレートケーブルで繋ぎます。
この方が間違いないので、最近はこの方法が多く利用されます。
通常、ハブではＭＤＩポートが１つ付いています。
ストレートケーブルでもクロスケーブルでもＵＴＰケーブルの長さは最大１００ｍです。
ＵＴＰケーブルに関しては、これでおしまいです。

ページトップへ
ＬＡＮで使うケーブル［メニュー］へ戻る
サイトマップ（ＬＡＮ技術研究室の案内図）
ネットワーク技術用語集へ行く
ＬＡＮ技術研究室のトップページへ

© 2007 Toyozi Masuda All rights reserved.