イーサネット on ネットワーク入門講座

【第7回】データの「ぶつかり」を防ぐ仕組み ― CSMA/CDをやさしく解説

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

結論

ネットワークでのデータの衝突を防ぐために、「送る前にまず聞く、ぶつかったらいったん止まってランダムな時間だけ待ってからやり直す」 というルールが使われています。このルールを CSMA/CD（シーエスエムエー・シーディー） と呼びます。

はじめに

前回のおさらい

前回は、複数のコンピュータが1本のケーブルを共有して通信する「ケーブル共有方式」について学びました。

このしくみには大きな問題がありました。それは、2台以上のコンピュータが同時にデータを送ろうとすると、データが「衝突（コリジョン）」してしまうという問題です。衝突が起きると、データはぐちゃぐちゃになって使い物にならなくなってしまいます。

今回のテーマ

では、その衝突をどうやって防ぐのでしょうか？

今回は、昔のイーサネット（ケーブル共有型のネットワーク）で実際に使われていた衝突防止のルール、CSMA/CD を解説します。

むずかしそうな名前に見えますが、中身はとってもシンプルです。「しゃべる前に、まわりの音を聞く」 ―― それだけです。

本題：衝突を防ぐルール「CSMA/CD」

まず、会議室を想像してみよう

10人が同じ部屋でミーティングをしているシーンを思い浮かべてください。

マイクは1本しかなく、全員がそのマイクを通じて話さなければなりません。

このとき、何のルールもなければどうなるでしょう？

AさんとBさんが同時に話し始める
声が重なってぐちゃぐちゃになる
誰も何を言っているかわからない

ケーブル共有型のネットワークも、まったく同じ状況です。ケーブルがマイク1本で、コンピュータが参加者です。

CSMA/CDの3つのステップ

CSMA/CDは、会議室の「上手な話し方のルール」に相当します。順番に見ていきましょう。

ステップ1：送る前にケーブルの音を聞く（CS：キャリアセンス）

CS（Carrier Sense） の意味を、単語ひとつずつ見てみましょう。

Carrier（キャリア）：「信号を運ぶもの」という意味です。ここではケーブルに流れている電気信号のことを指します。
Sense（センス）：「感じ取る・検知する」という意味です。日本語の「センスがある」とは少しニュアンスが違い、ここでは「察知する」に近いです。

つまり Carrier Sense とは、「ケーブルに信号が流れているかどうかを感じ取る」ということです。

会議室で言えば、「しゃべる前に、誰かもうしゃべっていないか耳を傾ける」行動です。

ケーブルが静かなら（誰もデータを送っていなければ）→ 送ってOK！
ケーブルがにぎやかなら（誰かがデータを送っている最中なら）→ 待つ

これだけで、多くの衝突を防げます。

ステップ2：空いていたら送り始める（MA：マルチプルアクセス）

MA（Multiple Access） の意味も、単語ごとに見ていきましょう。

Multiple（マルチプル）：「複数の・たくさんの」という意味です。「マルチ商法」などの「マルチ」と同じ語源です。
Access（アクセス）：「使う・つながる」という意味です。「インターネットにアクセスする」という言葉そのままです。

つまり Multiple Access とは、「複数のコンピュータが同じケーブルにつながって使う」ということです。特別なアクションではなく、このしくみの前提条件を表しています。

「ケーブルが空いている」と判断したら、データの送信を開始します。

ステップ3：送りながら、ぶつかっていないか聞き続ける（CD：コリジョンディテクション）

ここが一番のポイントです。

実は、「送り始める前に確認した」だけでは衝突をゼロにはできません。

なぜかというと、こんなことが起きるからです。

AさんとBさん、ほぼ同時にケーブルを確認した。 2人とも「静かだ！」と判断して、同時に送り始めた。 → 衝突発生。

そこで、CD（Collision Detection） の出番です。こちらも単語ごとに確認しましょう。

Collision（コリジョン）：「衝突・ぶつかること」という意味です。車の「コリジョン保険」などにも使われる言葉です。
Detection（ディテクション）：「検知・発見」という意味です。「探偵（Detective）」と同じ語源で、「見つけ出す」というニュアンスがあります。

つまり Collision Detection とは、「衝突を検知する」ということです。送信しながらも「ケーブルの音」を聞き続け、「あ、ぶつかった！」とすぐに気づくしくみです。

衝突を検知したら、次の行動をとります。

送信をすぐに中止する
「ジャム信号」を送って、全員に衝突を知らせる（「ぶつかったぞ！みんな一度止まれ！」というお知らせ）
ランダムな時間だけ待ってから、もう一度最初からやり直す

なぜ「ランダムな時間」待つの？

衝突したあと、もしAさんとBさんがまったく同じ時間だけ待ってから再送したら、どうなるでしょう？

→ またぴったり同時に送り始めて、またぶつかります。

そのため、待つ時間を**ランダム（バラバラ）**にするのです。

たとえば、Aさんは0.3秒待ち、Bさんは1.1秒待つ、といった感じです。これにより、2回目の衝突が起きる確率を大幅に下げられます。

この「待ち時間をランダムにする」しくみを、バックオフ と呼びます。

CSMA/CDの流れをまとめると

【データを送りたい！】
        ↓
ケーブルを確認する（CS）
        ↓
使われてる？ → YES → しばらく待ってもう一度確認
        ↓ NO
データを送り始める（MA）
        ↓
送りながらケーブルを聞き続ける（CD）
        ↓
衝突した？ → YES → 送信中止 → ジャム信号 → ランダムに待つ → 最初に戻る
        ↓ NO
送信完了 🎉

補足：現代のネットワークはどうなの？

実はいまのネットワークでは、CSMA/CDはほぼ使われていません。

現在主流のスイッチングハブ（スイッチ）を使ったネットワークでは、各コンピュータが専用のケーブルで1対1でつながるため、そもそも衝突が起きない構造になっています。

それでもCSMA/CDを学ぶ価値があるのは、「なぜ今のしくみがこうなっているのか」を理解するための、大切な歴史的背景だからです。

まとめ

前回学んだ「衝突（コリジョン）」の問題を解決するルールが CSMA/CD
「送る前にケーブルを聞く（CS）」「みんなで共有して使う（MA）」「衝突したらすぐ気づく（CD）」の3つで成り立っている
衝突したら送信を止め、ランダムな時間（バックオフ）待ってからやり直す
現代のスイッチを使ったネットワークでは衝突が起きない構造のため、CSMA/CDは基本的に使われないが、ネットワークの歴史と設計思想を理解する上でとても重要

次回は、今回少し出てきた**スイッチングハブ（スイッチ）**がどんな装置なのか、くわしく見ていきましょう！

【第8回】関係ないコンピュータにデータが届く問題を解決する仕組み ― スイッチングハブとMACアドレスをやさしく解説

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

結論

ケーブル共有方式では、データが関係ないコンピュータにも届いてしまう問題がありました。この問題は、スイッチングハブという機器が「どのコンピュータがどこにいるか」を覚えることで解決しています。スイッチングハブは、データを宛先のコンピュータにだけ届けることができます。

はじめに

前回のおさらい

前回は、ケーブル共有方式の欠点のひとつ「データの衝突（コリジョン）」を防ぐルール、CSMA/CD について学びました。

「送る前にケーブルを聞いて、ぶつかったらランダムに待ってやり直す」というシンプルなルールでしたね。

今回のテーマ

ところで、第6回でケーブル共有方式には3つの欠点があると紹介しました。

#	欠点	対応する回
①	データが衝突してしまう	第7回（CSMA/CD）
②	関係ないコンピュータにもデータが届いてしまう	今回（第8回）
③	ケーブルに障害が起きると全体がダウンする	次回（第9回）

今回は欠点②、「関係ないコンピュータにもデータが届いてしまう」問題を解決する仕組みを見ていきます。

本題：スイッチングハブがデータを「正しい相手だけに」届けるしくみ

まず、問題をおさらいしよう

ケーブル共有方式では、1本のケーブルに複数のコンピュータがつながっています。

誰かがデータを送ると、電気信号はケーブル全体に広がります。たとえ「AさんからBさんへ」送ったデータでも、CさんやDさんのコンピュータにも信号は届いてしまいます。

これは、廊下で人を呼ぶようなイメージです。

「Bさん、ちょっといいですか！」と廊下で叫ぶと、Bさんだけでなく、廊下にいる全員に声が届いてしまう。

CさんやDさんは「自分宛てではない」と判断して無視しますが、それでも一度は全員の耳に入ってしまいます。これはプライバシーの面でも、効率の面でも、あまりよくありません。

解決策：スイッチングハブの登場

この問題を解決するのが、スイッチングハブ（略して「スイッチ」とも呼ばれます）という機器です。

廊下で叫ぶ代わりに、スイッチングハブは内線電話の交換機のようなイメージです。

AさんがBさんに電話をかけると、交換機はBさんの電話だけをつなぐ。CさんやDさんには何も届かない。

スイッチングハブも同じように、データを宛先のコンピュータにだけ転送することができます。

では、スイッチングハブはどうやって「Bさんのコンピュータがどこにあるか」を知っているのでしょう？

コンピュータの「住所」― MACアドレスとは

スイッチングハブが宛先を知るためのカギが、MACアドレスです。

まず、単語の意味から見てみましょう。

MAC（Media Access Control） を1語ずつ分解すると：

Media（メディア）：「媒体・道」という意味です。ここでは、データが流れるケーブルなどの「通り道」を指します。
Access（アクセス）：「使う・つながる」という意味です。（第7回でも登場しましたね）
Control（コントロール）：「管理・制御する」という意味です。日本語でもそのまま使われていますね。

つまり MAC とは「データの通り道を管理・制御するための仕組み」を意味します。

そして Address（アドレス） は「住所」です。メールアドレスの「アドレス」と同じ意味ですね。

まとめると、MACアドレス とは「ネットワーク上でコンピュータを識別するための住所」です。

MACアドレスの特徴

MACアドレスには、大切な特徴があります。

世界中で重複しない、唯一の番号であることです。

コンピュータに搭載されている「ネットワークカード（LANカード）」という部品に、製造時にあらかじめ書き込まれています。

イメージとしては、人間のマイナンバーに近いです。日本国内で重複しないように割り当てられた個人番号と同じように、MACアドレスも世界中で重複しないように割り当てられています。

MACアドレスは 00:1A:2B:3C:4D:5E のように、英数字6組をコロンでつないだ形で表されます。

スイッチングハブが「誰がどこにいるか」を覚えるしくみ

スイッチングハブには複数の差し込み口（ポート）があり、各コンピュータがそれぞれのポートにケーブルでつながっています。

スイッチングハブは、データが届くたびに「どのポートから、どのMACアドレスのコンピュータがデータを送ってきたか」を自動的に記録していきます。

この記録表を MACアドレステーブル と呼びます。

たとえば、こんなイメージです。

ポート番号	MACアドレス（コンピュータ）
ポート1	AさんのPC
ポート2	BさんのPC
ポート3	CさんのPC

この表ができあがると、「BさんのPCへのデータ」が届いたとき、スイッチングハブはポート2にだけデータを転送します。AさんやCさんのポートには送りません。

廊下で叫ぶのではなく、Bさんの部屋にだけノックしに行くイメージです。

最初はどうやって覚えるの？

「でも最初は誰がどこにいるか知らないんじゃないの？」と思いますよね。

その通りです。スイッチングハブは最初、何も知りません。

最初にデータが届いたとき、宛先のコンピュータがどのポートにいるかまだわからない場合は、いったん全ポートに送ります（これをフラッディングといいます）。

しかし、やりとりを重ねるうちに「Aさんはポート1、Bさんはポート2…」とどんどん覚えていきます。覚えてしまえば、それ以降はピンポイントで届けられるようになります。

まとめ

ケーブル共有方式の欠点②「データが全員に届く」を解決するのが スイッチングハブ
コンピュータにはそれぞれ固有の住所 MACアドレス がある
スイッチングハブはやりとりを通じて MACアドレステーブル を作り、「誰がどのポートにいるか」を覚えていく
覚えてしまえば、宛先のコンピュータにだけデータを届けられるようになる

これで、関係ないコンピュータにデータが届いてしまう問題が解決されました！

次回は、欠点③「ケーブルに障害が起きるとネットワーク全体がダウンする」問題をどう解決するかを見ていきます。