【第7回】電気信号の衝突（コリジョン）を防ぐ仕組み

この記事でわかること

コリジョン（衝突）に対処するために考え出された仕組み「CSMA/CD」の意味と動作手順
CSMA/CDがコリジョンを完全になくせない理由

はじめに

前回の記事では、バス型ネットワークが抱えていた3つの課題を整理しました。

課題	内容
電気信号の衝突（コリジョン）	同時に信号を送ると混ざり合い、データが壊れる
全員へのデータ到達	特定の相手だけに送ることができなかった
ケーブル断による全断	1か所の断線でネットワーク全体が止まってしまう

シンプルな構造だからこそ、シンプルな弱点がありました。今回はその中の最初の課題、電気信号の衝突（コリジョン） を機器がどうやって防ぐかを見ていきます。

コリジョンとはどういう状態か

まず、前回のおさらいをしましょう。

コリジョン（Collision）は英語で「衝突」を意味します。

バス型ネットワークでは、全ての機器が1本の共有ケーブルにつながっています。電気信号の通り道はその1本だけです。ここに複数の機器が同時に信号を流すと、電気がぶつかりあい、判別できない状態になります。壊れてしまった信号は受け取り側が読めないため、通信そのものが失敗します。

わかりやすい例で考えてみましょう。静かな池に、2人が同時に石を投げた場面を想像してください。それぞれの波紋が広がり、ぶつかった場所で混ざり合います。混ざった後は、どちらが誰の波紋なのかもう判別できません。コリジョンはまさにこの状態です。ケーブルが池、電気信号が波紋に相当します。混ざり合った信号は判読不能になり、送信した側も受け取った側も、そのデータをなかったものとして扱わなければなりません。

では、コリジョンを防ぐにはどうすればよいか。答えは「送る前に確認する・衝突したらすぐ検知して対処する」という手順を守ることです。この仕組みが CSMA/CD です。

CSMA/CDという名前の意味

CSMA/CDは、英単語の頭文字を並べた略語です。

略語	英語	日本語の意味
CS	Carrier Sense	キャリア（信号）を感知する
MA	Multiple Access	複数の機器が同じ回線にアクセスする
CD	Collision Detection	衝突を検出する

それぞれの単語を確認します。

Carrier（キャリア）：「運ぶもの」が原義。ネットワークの文脈では、ケーブル上を流れる電気信号そのものを指します。
Sense（センス）：感じ取る・感知する。
Multiple（マルチプル）：複数の。
Access（アクセス）：接続する・利用する。
Collision（コリジョン）：衝突。
Detection（ディテクション）：検出・発見。

日本語に直すと「信号（キャリア）を感知しながら、複数の機器が共有ケーブルにアクセスし、衝突を検出したら対処する」という手順です。名前がそのまま動作を表しています。

ちょっとイメージつきづらい内容だと思うので、細かく分けてみていきます！

CSMA/CDの4つの動作ステップ

ステップ1：送信前にケーブルを確認する（Carrier Sense）

データを送りたい機器は、まずケーブルに耳を澄ませます。今ほかの誰かが信号を流していないかを確認するのです。

会議室に例えるとわかりやすいです。誰かが話しているときに割り込まず、「今、話している人はいるかな？」と確認してから発言する——それが Carrier Sense の動きです。言葉を発してみて、誰ともかぶらなかったらそのまま話を続けます。信号でも一緒で、ケーブルに信号が流れていなければ、次のステップに進みます。

ステップ2：空いていたら送信を開始する（Multiple Access）

ケーブルが空いていると確認できたら、信号を送り始めます。これが MA（Multiple Access）の部分です。許可を取ってから送るのではなく、「空いていると判断したら送れる」というルールで動いています。1本のケーブルを複数の機器が対等に共有して使える、という意味がこの MA に込められています。

ステップ3：衝突を検出し、すぐに中断する（Collision Detection）

ここが CSMA/CD の核心です。

ステップ1で「空いている」と確認したとしても、まったく同じタイミングで別の機器も「空いている」と判断して送り始める場合があります。「発言しよう！」と思って発言したら、他の人とかぶってしまって、「あっ、あっ」ってなるイメージですね。空いていると思って2台のコンピューターが同時に電気信号を流すと、衝突するわけです。

ステップ4：ランダムな時間を待ってから再送する

ジャム信号を送った後、

会議室で発言がかぶった場合、「あ、どうぞどうぞ」という感じで相手に発言を促すことが出来ます。しかしネットワークの場合そのようなことはできません。

その代わり、衝突を検知したら機器はランダムな時間だけ待ちます。

なぜランダムなのかというと、衝突した2台の機器が同じ時間だけ待つと、また同時に送り始めて再び衝突するからです。待ち時間をランダムにすることで、どちらかが先に送信を開始できる確率を上げています。もし再び衝突した場合は、待ち時間の上限を広げてランダムに待ちます。衝突を繰り返すほど待てる時間の幅が広がっていくため、最終的にどちらかが先に送れる可能性が高まります。

4つのステップの流れをまとめると次のようになります。

番号	CSMA/CD	会議室のたとえ
1	ケーブルが開いているか確認	誰も話していないのを確認
2	信号を送信	発言
3	衝突を検知	ほかの人と発言がかぶった
4	ランダムに待機	お先にどうぞどうぞ
5	再度信号を送信	改めて発言

CSMA/CDが抱えていた限界

CSMA/CDは衝突を「ゼロにする」仕組みではありません。「衝突してしまった後に対処する」仕組みです。

機器が数台しかなく通信量も少ない環境では十分に機能しました。ところが接続台数が増えて全員が頻繁に通信するようになると、衝突の回数が増えていきます。衝突するたびに待ち時間が発生するため、全体として通信の効率が落ちていきます。

イメージとして、50台の機器が同じケーブルを使って通信しようとする状況を考えてみてください。それぞれが少しずつデータを送ろうとするだけで、ケーブルは絶えず衝突と待機を繰り返す状態になります。誰かが送り終わるのを待っている間に、別の誰かがまた衝突を起こします。こうなるとデータが実際に届くまでに予想以上の時間がかかります。

CSMA/CDは「衝突を管理する」ことはできましたが、「衝突そのものを根本からなくす」ことはできませんでした。この限界を超えるには、バス型ネットワークの構造そのものを変える必要がありました。それは後の回で扱います。