イーサネットの衝突回避：CSMA/CD方式

イーサネットの衝突回避：CSMA/CD方式

はじめに

多くの機器が一つの通信線を共有するコンピューターネットワークの世界では、データの衝突はよく起こる問題です。複数の機器が同時に送信しようとすると、データがぶつかり合ってしまい、通信がうまくいきません。このような状況を避けるために、通信路を共有するためのルールが必要です。CSMA/CDは、まさにそのようなルールの一つであり、イーサネットという広く使われているネットワーク技術で長年活躍してきました。

CSMA/CDは、「搬送波検知多重アクセス/衝突検出」の略で、その名前が示す通り、衝突を検知し、回避するための巧妙な仕組みを持っています。まず、送信したい機器は、通信路が空いているかどうかを確認します。誰かが通信している様子がなければ、送信を開始します。しかし、送信中に他の機器も同時に送信を開始してしまうと、データが衝突してしまいます。CSMA/CDは、この衝突をすぐに検知し、送信を中断します。そして、ランダムな時間を待ってから、再度送信を試みます。この仕組みにより、衝突を最小限に抑え、効率的な通信を実現しています。

CSMA/CDの登場は、イーサネットの普及に大きく貢献しました。衝突を効率的に処理できるため、多くの機器が一つのネットワークに接続できるようになり、ネットワークの規模を拡大することが可能になりました。しかし、近年では、より高速で安定した通信技術が登場し、CSMA/CDが使われる場面は少なくなってきています。それでも、CSMA/CDは、ネットワーク技術の歴史において重要な役割を果たした技術であり、その基本的な考え方は、現代のネットワーク技術にも通じるものがあります。過去の技術を学ぶことで、現在の技術の理解も深まるでしょう。

通信開始前の確認

情報を送る前の準備はとても大切です。この大切な準備のことを「通信開始前の確認」と言います。この確認作業には、「搬送波感知多重アクセス/衝突検出」という少し難しい名前の仕組みが使われています。これは、アルファベットで「CSMA/CD」と略されることもあります。

まず「搬送波感知多重アクセス」の部分について説明します。これは、「CSMA」と略されることもあります。これは、情報を送る前に、通り道が空いているかを確認する仕組みです。情報を送りたい機械は、情報の通る道を見て、他の機械が情報送っていないかを確認してから自分の情報を送ります。

これは、車が道路を走る様子に似ています。例えば、交差点に進入する時、他の車が来ていないかを確認してから交差点に入りますよね。情報も同じように、他の情報とぶつからないように、事前に確認する必要があるのです。この確認作業をすることで、情報同士がぶつかる可能性を減らすことができます。

情報の通る道に他の情報が流れていないことを確認してから情報を送ることで、情報の渋滞を防ぎ、スムーズな流れを作ることができるのです。まるで、交通整理をすることで車の流れがスムーズになるのと同じです。この確認作業は、情報のやり取りを円滑に進める上で、とても重要な役割を担っています。

CSMA/CDの後半部分である「衝突検出」については、また別の機会に詳しく説明します。これは、万が一情報がぶつかってしまった場合に、どのように対処するかという仕組みです。こちらも、円滑な情報伝達には欠かせない重要な仕組みです。

衝突の検出と再送

共有通信路を使う場合、複数の機器が同時にデータを送ろうとすると、データがぶつかり合ってしまい、通信に失敗する可能性があります。これを衝突と言います。この衝突を防ぐための仕組みの一つに、搬送波感知多重アクセス/衝突検出（通信路を共有し、送信前に通信路が空いているか確認し、衝突を検出する技術）があります。

搬送波感知多重アクセス/衝突検出では、送信する前に通信路の状態を確認します。もし通信路が使われていない場合に限り、データの送信を開始します。これは、混雑した道路に車が入る前に、周囲を確認するようなものです。周囲に車が来なければ、安全に道路に入ることができます。しかし、複数の車がほぼ同時に交差点に進入しようとすると、衝突の危険性があります。

搬送波感知多重アクセス/衝突検出では、データを送信しながら、同時に通信路の状態を監視しています。これは、運転中に常に周囲の状況に気を配るようなものです。もし他の車に気づけば、ブレーキを踏んで衝突を回避できます。通信路においても、他の機器からの信号を検知した場合、それは衝突が発生したことを意味します。

衝突を検出した機器は、すぐに送信を中止します。そして、他の機器にも衝突が発生したことを知らせます。これは、事故を起こさないように急ブレーキを踏むだけでなく、クラクションを鳴らして周囲に危険を知らせるようなものです。その後、一定時間、ランダムに待機してから、再度データを送信します。これは、事故処理が完了するまで待機し、安全が確認されてから再び走り出すようなものです。ランダムな時間待機することで、複数の機器が同時に再送信しようとして再び衝突することを防ぎます。この仕組みのおかげで、衝突が発生した場合でも、最終的には全ての機器がデータを送信できるようになります。

効率的な通信の実現

多くの機器が一つの通信経路を共有するネットワークにおいて、それぞれの機器が送りたい時に自由にデータを送ってしまうと、データ同士が衝突してしまい、通信がうまくいかないことがあります。このような問題を防ぎ、効率的な通信を実現するために、通信経路を使う権利をうまく調整する仕組みが必要です。その代表的な方法の一つが搬送波感知多重アクセス/衝突検出方式、いわゆるCSMA/CDです。

CSMA/CDは、送信する前に通信経路が空いているかどうかを確認し、空いていればデータを送信するというシンプルな仕組みです。もし他の機器が既にデータを送信している場合は、送信を待機します。これにより、データの衝突を未然に防ぐことができます。さらに、万が一データが衝突してしまった場合でも、衝突を検知してすぐに送信を中止し、一定時間待機してから再送信することで、通信経路の無駄な使用を防ぎます。

このCSMA/CDは、特に以前広く使われていたハブを中心としたネットワークにおいて重要な役割を果たしました。ハブは接続された全ての機器にデータを送信するため、データの衝突が頻繁に発生しやすい環境でした。CSMA/CDを用いることで、ハブを使ったネットワークでも効率的な通信を行うことが可能になりました。

CSMA/CDはシンプルな仕組みでありながら、通信経路を共有する環境において、効率的な通信を実現するための重要な技術と言えます。機器同士が協調して通信経路を使用することで、ネットワーク全体の性能を向上させることができます。近年では、スイッチングハブの普及によりCSMA/CDが使われる場面は少なくなってきていますが、その基本的な考え方は、現代のネットワーク技術においても重要な役割を担っています。

技術の進歩とCSMA/CD

近頃は、情報のやり取りを仲介する機器に大きな変化が起きています。以前は、情報を送る機器と受ける機器が、１本の線で繋がれているような仕組みが多く使われていました。この仕組みでは、複数の機器が同時に情報を送ろうとすると、情報の衝突が起きてしまい、うまく送受信できないことがありました。これを防ぐための工夫が、CSMA/CDと呼ばれる技術です。

CSMA/CDは、情報を送る前に、回線が空いているかを確認する仕組みです。誰かが既に情報送っている場合は、少し待ってからもう一度送るようにします。また、もし同時に送ってしまって衝突が起きた場合は、すぐに送るのをやめて、少し時間を置いてから再送します。これは、みんなで１つの道路を使う場合に、信号を確認したり、譲り合ったりするのと似ています。

しかし、近年の技術の進歩により、情報のやり取りの仕方が変わってきました。情報を送る機器と受ける機器を、個別に繋ぐことができる機器が登場しました。これは、それぞれ専用の道路を用意するようなもので、衝突が起きる心配がほとんどありません。このため、以前のようにCSMA/CDを使って衝突を避ける必要性が少なくなってきています。

CSMA/CDは、古い技術になりつつありますが、ネットワーク技術の発展に大きく貢献した重要な技術です。情報を送る前に回線状況を確認し、衝突を避けるという基本的な考え方は、形を変えながら、今でも様々な通信技術の土台となっています。技術は日々進歩していますが、過去の技術を学ぶことは、現在の技術を理解し、未来の技術を創造する上で非常に大切です。

まとめ

共有通信路を使うたくさんの機器が、互いに邪魔することなくデータを送るための仕組み、それが搬送波感知多重アクセス／衝突検出方式です。この方式は、まるで話し合いの場で発言権を得る手順のように、通信路の状態を確認してからデータを送信します。

まず、話したい人がいる場合、他の人が話していないかを確認します。誰も話していなければ、発言を開始します。もし、同時に他の人が話し始めたら、いわゆる衝突が起きます。この場合は、一度発言を中断し、少し時間を置いてから再度発言を試みます。この仕組みにより、複数の人が一つの通信路を公平に利用できます。

この方式は、かつて広く使われていたイーサネットという通信技術で重要な役割を担っていました。一本の線で繋がった複数のコンピュータが、この方式を使ってデータの送受信をスムーズに行っていました。まるで一本の道路をたくさんの車が行き交うように、衝突を避けながら効率的に通信を行うことが可能でした。

技術の進歩とともに、光ファイバーを使った高速な通信方式や、スイッチを使った衝突の起きない通信方式が主流になり、今ではこの方式が使われる場面は少なくなりました。しかしながら、この方式の根底にある考え方、つまり通信路を共有する際のルールや衝突回避の仕組みは、現代の様々な通信技術の基礎となっています。

この方式がどのように発展し、そして現代の技術にどう繋がっているのかを知ることは、通信技術の歴史を理解する上で非常に大切です。過去の技術を学ぶことで、未来の技術をより深く理解するための土台を築くことができるのです。