CSMA/CDによるアクセス制御

CSMA/CD（キャリア検知多重アクセス／衝突検出）は、複数のステーションが一つの伝送媒体を共有する有線LANで用いられるアクセス制御方式であり、イーサネットの基本となる仕組みである。各ステーションは送信の前に媒体が使用中かどうかを確かめ、空いている場合に限って送信する。さらに送信中にも衝突を監視し、衝突を検出したら送信を中止して再送の手順に移る。

原理と仕組み

CSMAの名称が示すとおり、送信の前提はキャリア検知である。ステーションは伝送媒体に信号が流れていないことを確かめてから送信するため、他局が送信している間は待機する。ただし信号が媒体を伝わるまでには伝搬遅延があり、別の局が送信を始めたことをまだ把握できないうちに送信を開始する場合がある。その結果、送信データを送り出したあとで衝突が起きることがある。

衝突を検出したステーションは、送信を中止したうえで、ランダムな待ち時間を置いてから再送を試みる。 待ち時間を全局で同じ長さにすると、再送のタイミングが揃って再び衝突するため、ランダム性が再送の要となる。キャリア検知を行うことと、衝突時に再送することの組み合わせが、この方式の骨格である。

衝突が確実に検出されるためには、送信に要する時間が伝搬遅延の往復に対して十分に長いことが前提となる。この観点から、イーサネットではフレーム長に下限が設けられている。送信の仕組みと伝送距離の関係を理解しておくと、CSMA/CDが成り立つ条件を説明しやすくなる。

判断の基準と数値

伝送時間の計算問題では、ビットとバイトの換算と、速度の違いによる時間の差を正しく扱うことが基本となる。1,250バイトのパケットは10,000ビットであり、100Mビット／秒のLANでは0.1ミリ秒、1Gビット／秒のLANでは0.01ミリ秒で送信が完了する。

これらの差は1パケット当たり0.09ミリ秒となり、送信するパケット数に比例して広がる。一方で、パケット間の送信間隔は両方のLANに同じ回数分加わるため、速度差による時間の差そのものには影響しない。この区別を理解していれば、間隔を含む問題でも差が何によって決まるかを取り違えずに済む。

衝突が増えると、再送に費やされる時間が増える一方で、データの送信に使える時間は減る。その結果、単位時間当たりに実際に届けられるデータ量であるスループットは低下する。 このため、衝突の頻度を抑える設計が重要になる。