イーサネットスイッチにおけるDDM機能
概要
イーサネットネットワークは、インターネットプロトコル（IP）通信のための主要な伝送手段です。イーサネットは1973年にXeroxのPalo Alto Labsで初めて検証されて以来、長い歴史を持っていますが、近年になって制御システムやCCTV（監視カメラ）用途にも適用可能な技術として成熟してきました。スイッチ技術の発展により、イーサネットは交通や輸送システムなどの制御系ネットワークにも適用できるようになっています。
EtherWANでは、イーサネットスイッチの光ファイバーポートにデジタル診断・監視（DDM）機能を追加しました。この機能により、特定のスイッチにおける光学パラメータを測定し、スイッチ本体だけでなく光ファイバー配線（ファイバープラント）の性能も評価することが可能になります。
この機能は、管理センターから光ファイバーの異常を遠隔で診断できるため、現地に技術者を派遣する必要がなく、非常に有用なツールです。
技術概要
イーサネットは、IEEE 802.3規格によって定義された技術です。この規格では、使用される媒体（ツイストペアケーブル、光ファイバー、無線）、電気的特性、およびアドレス体系が定義されています。
イーサネットは、コンピュータ間の通信を目的として設計されたパケット通信技術です。イーサネット通信のルールは、すべての機器が同じケーブルに接続されていることを前提としています。これは、まるで一つの部屋で人々が会話するようなイメージです。通信したい機器はまず「聞く」動作を行い、ケーブル上に他の通信がなければ「話す」ことができます。もし2台の機器が同時に話し始めた場合は、お互いの通信を検知し、ランダムな時間を待ってから再送を試みます。
現在のイーサネットネットワークでは、スイッチを使用してネットワークを構築し、すべての機器がツイストペアケーブル、光ファイバー、または無線チャネルを介して全二重通信を行っています。そのため、同じケーブル上で複数の機器が同時に送信することはなくなり、ネットワークの動作方式が大きく変化しました。これにより、スイッチの登場以前には不可能だった環境にもイーサネットネットワークを展開できるようになりました。
イーサネット機器には製造時に固有のMACアドレス（ハードウェアアドレス）が割り当てられています。スイッチはこのアドレスをもとに、機器間の接続方法を判断します。
機器がイーサネットを通じて情報を送信する際、送信元のMACアドレスと宛先のMACアドレスを含むビットのパケットが送られます。イーサネットスイッチの主な役割は、機器のMACアドレスとその機器が接続されているポートを照合する参照テーブルを作成することです。
パケットがスイッチに入ると、スイッチは宛先MACアドレスを参照し、テーブル内で一致する項目を探して、その機器が接続されているポートへパケットを転送します。一致する項目が見つからない場合は、すべてのポートに同時にパケットを転送します（フラッディング）。
スイッチ技術の進化により、イーサネットは交通信号などのリアルタイム制御ネットワークにも適用可能な技術となりました。交通信号は地理的に分散しているため、信号制御キャビネットを中央管理センターに接続するシステムは、距離を隔てたスイッチで構成され、通常は光ファイバーケーブルで接続されます。
このような構成では、ネットワークの完全性を確保し、効果的なトラブルシューティングを行うための新たな課題が生じます。
課題
交通信号ネットワークや高速道路管理ネットワークなどの分散型ネットワークでは、イーサネットスイッチの設置場所が互いに数キロメートル離れていることがあり、中央制御センターからも遠隔地に位置しています。ネットワークが光ファイバーケーブルを使用している場合、接続構成は一般的に以下のような概念に基づいて設計されます。
光ファイバーケーブル設備（Fiber Optic Cable Plant）は、さまざまな要因によって切断や損傷を受けやすい脆弱な構造です。パッチパネルやパッチケーブルが誤った種類のファイバーで接続されたり、接続ミスが発生することがあります。また、スプライス（融着接続）が劣化して不具合を起こす可能性もあります。
さらに、「バックホーフェード」と呼ばれる現象、つまり新たな掘削作業によって光ファイバーケーブルが物理的に切断されてしまう事故も常に起こり得ます。
光ファイバーケーブル設備のトラブルシューティングは非常に困難であり、光減衰の原因を特定するには、専門的な機器と高度な技術が必要です。
解決策
EtherWAN Systemsは、光診断機能を内蔵した耐環境型イーサネットスイッチを開発しました。この機能は DDM（デジタル診断監視） または DOM（デジタル光監視） と呼ばれます。DDM/DOMを使用することで、ユーザーはスイッチの管理機能を通じて光ファイバー接続の問題を遠隔で診断することができます。
DDM/DOMサブシステムは、スイッチの管理画面から利用可能です。Webブラウザ、Telnet、またはコンソールポートを使用して、ネットワーク上の任意のスイッチに対して、どこからでも情報にアクセスできます。
DDM/DOM画面はポートステータス画面の一部であり、SFPポートの状態を表示します。上記の画面例では、ポート7にはモジュールが挿入されておらず、ポート8にはSFPモジュールが挿入されています。DDM/DOMは、SFPモジュールの動作パラメータと光学特性を測定・監視し、レーザーの健全性や光ファイバーケーブル設備の性能を判断するための情報を表示します。
上記の画面では、DDM/DOMを使用してSFPモジュールの特性が表示されています。表示されているデバイスは 1310nm で送信し、最大 10km の距離に対応している設計であることが確認できます。
► DDM/DOMが測定する主なパラメータ：
- 温度：SFPモジュール内部の温度
- Vcc：SFPへの電源電圧
- Tx Bias：レーザーダイオード送信機への駆動電流
- Tx Power：光ファイバーケーブルに送信される光の強度（レーザーの健全性の参考値）
- Rx Power：光ファイバーケーブルから受信される光の強度
特に重要なパラメータは Tx Bias、Tx Power、Rx Power の3つです。Tx Biasを追跡することで、レーザー部品の経年劣化を把握でき、予防保守が可能になります。光ファイバーの一端でのTx Powerを知ることで、もう一方のスイッチでのRx Powerと比較し、減衰量を測定できます。これにより、光ファイバーケーブルが期待通りに機能しているか、あるいは光路に異常があるかを判断できます。
これらの測定値を把握・追跡することで、光インターフェースや光路の劣化を早期に検知できます。これらの情報は、制御室からライブネットワーク上で取得できるため、ユーザーは定期的に監視を行い、故障が発生する前に予防保守を実施することが可能になります。
結果
以下は、2台のスイッチ間で構成されたライブネットワークの例です：
► EX78000
スイッチ間の光パワーのレベルに注目してください。
スイッチ1の送信（TX）パワーは -8.392 dBm、スイッチ2の受信（RX）パワーは -8.389 dBm。
スイッチ2の送信（TX）パワーは -5.616 dBm、スイッチ1の受信（RX）パワーは -5.017 dBm。
短いジャンパーケーブルで接続された場合、光パワーの損失は非常に小さくなります。これらの2つのパラメータ（TX PowerとRX Power）は、光ファイバー設備のトラブルシューティングにおいて最も有用な指標です。
以下の画面は、光ファイバーコネクタの一方が完全に挿入されていない場合に何が起こるかを示しています。
コネクタが正しく挿入されていないとどうなるか？
以下の2枚の写真は、LCコネクタが正しく挿入された状態と、ロックがカチッと音を立てるまで押し込まれていない状態の物理的な違いを示しています。
外観上の違いはほとんどなく、通常の物理点検ではこの異常を見つけるのは困難です。
外観上の違いはほとんどなく、通常の物理点検ではこのような異常を見つけるのは非常に困難です。
しかし、下の画面が示すように、正常なスイッチ2の画面と比較すると、受信パワーに大きな差があることがわかります。
RXパワーは -8.389 dBm から -22.366 dBm に低下し、13.977 dBの光損失が発生しています。
ネットワークは一見正常に動作しているように見えますが、DDM機能がなければこのような異常は検出されません。
ケーブルの重みや振動によってコネクタがさらに緩んだり、完全に外れてしまったときに初めてネットワーク障害が発生する可能性があります。
► EX25611
スイッチ間の受信（RX）パワーが -22.366 dBm であることに注目してください。これは期待される値を大きく下回っているため、すぐにこのスイッチに送信している側のスイッチに戻って、送信（TX）パワーが正常かどうかを確認することができます。
スイッチ1の送信（TX）パワーは -8.392 dBm で、正常な値です。
この場合、スイッチ1とスイッチ2の間に何らかの異常があると推測できます。まずは基本的な部分から接続を確認します。
このケースでは、スイッチ1側のコネクタが緩んでおり、スイッチ2に送信しているコネクタが正しく挿入されていないことが判明しました。原因としては、不良なパッチケーブル、不完全なコネクタ端末処理、または**不良なスプライス（融着接続）**などが考えられます。
DDM/DOMの利点
DDM/DOM機能を搭載したイーサネットスイッチは、光ファイバーケーブルを使用する分散型ネットワークのユーザーに対して、従来の光インターフェースよりも積極的なネットワーク保守を可能にします。
その結果として、以下のようなメリットが得られます：
- 現地対応の回数が減少
- ネットワークのダウンタイムが短縮
- 機器やトレーニングへの投資が削減
- ネットワーク運用がよりスムーズに
