衝突検出機能付きキャリア検知多重アクセス

キャリア検知多重アクセス/衝突検出( CSMA/CD ) は、初期のイーサネット技術でローカルエリアネットワークに最もよく使用されていたメディアアクセス制御(MAC) 方式です。キャリア検知を使用して、他のステーションが送信しなくなるまで送信を延期します。これは衝突検出と組み合わせて使用​​され、送信ステーションはフレームを送信中に他のステーションからの送信を感知して衝突を検出します。この衝突状態が検出されると、ステーションはそのフレームの送信を停止し、ジャム信号を送信し、ランダムな時間間隔で待機してからフレームの再送信を試みます。^[1]

CSMA/CD は、純粋なキャリア検知多重アクセス(CSMA)の修正版です。CSMA/CD は、衝突が検出されるとすぐに送信を終了し、再試行を試みるまでの時間を短縮することで、CSMA のパフォーマンスを向上させるために使用されます。

1990年代にイーサネットスイッチの人気が高まるにつれ、 IEEE 802.3は2011年にイーサネットリピータを非推奨とし^[2] 、 CSMA/CDと半二重通信は一般的ではなく、重要性も低下しました。

送信を開始するには次の手順に従います。フレームが正常に送信されるか、送信中に衝突が検出されると、手順は完了します。^{[3] : 33}

1. フレームは送信の準備ができていますか? そうでない場合は、フレームを待ちます。
2. メディアはアイドル状態ですか? そうでない場合は、準備ができるまでお待ちください。^{[注 1]}
3. 送信を開始し、送信中の衝突を監視します。
4. 衝突が発生しましたか? 発生した場合は、衝突検出手順に進みます。
5. 再送信カウンターをリセットし、フレームの送信を完了します。

検出された衝突を解決するには、次の手順を使用します。再送信が開始されるか、多数の衝突により再送信が中止されると、手順は完了します。

1. すべての受信機が衝突を検出できるように、最小パケット時間に達するまで送信を継続します (フレーム ヘッダー/データ/ CRCの代わりにジャム信号を使用)。
2. 再送信カウンタを増分します。
3. 送信試行の最大回数に達しましたか? その場合は、送信を中止します。
4. 衝突回数に基づいてランダムバックオフ期間を計算して待機します。
5. ステージ 1 でメイン手順を再度実行します。

衝突検出の方法はメディアによって異なります。10BASE5や10BASE2などの共有電気バスでは、送信データと受信データを比較するか、バス上の通常より高い信号振幅を認識することで衝突を検出できます。[ ^{4] [5]}他のすべてのメディアでは、送信中に受信チャネルで検出されたキャリアが衝突イベントをトリガーします。^[6]リピータまたはハブは独自に衝突を検出し、ジャム信号を伝播します。^{[7] [8]}

衝突回復手順は、ディナー パーティーでゲスト全員が共通の媒体 (空気) を通じて互いに会話する様子に似ています。各ゲストは、話す前に、現在の話し手が話し終わるまで丁寧に待ちます。2 人のゲストが同時に話し始めた場合、両者とも停止し、ランダムな短い時間 (イーサネットでは、この時間はマイクロ秒単位で測定されます) 待機します。各ゲストがランダムな時間を選択することにより、両方のゲストが再び話そうとする時間を選択せず​​、別の衝突を回避することが期待されます。

妨害信号または妨害信号は、データステーションから送信される32ビットのバイナリパターンを運ぶ信号であり、他の送信ステーションに衝突を通知し、送信してはならないことを通知します。^{[9] [10]}

最大ジャム時間は次のように計算されます。イーサネットインストールの最大許容直径は 232 ビットに制限されています。これにより、ラウンドトリップ時間は 464 ビットになります。イーサネットのスロット時間は 512 ビットであるため、スロット時間とラウンドトリップ時間の差は 48 ビット (6 バイト) となり、これが最大ジャム時間となります。

これは、衝突が発生したことを認識しているステーションが、16 個の 1 ～ 0 ビットの組み合わせで構成される 4 ～ 6 バイトの長さのパターンを送信することを意味します。^{[注 2]}

この目的は、現在フレームを受信して​​いる可能性のある他のノードが、正しい 32 ビット MAC CRC の代わりにジャム信号を受信するようにすることです。これにより、他の受信側は CRC エラーのためにフレームを破棄します。

遅延衝突は、問題のプロトコル標準で許可されているよりもパケットのさらに奥で発生する衝突の一種です。10 メガビット/秒の共有メディア イーサネットでは、送信局が最初の 512 ビットのデータを転送した後に衝突エラーが発生した場合、^{[11]遅延衝突が発生したとみなされます。重要なのは、最初の 64 オクテットより前に発生する衝突とは異なり、遅延衝突は}NICによって再送信されないことです。データが失われたかどうかを判断するのは、プロトコル スタックの上位層に委ねられます。

正しく設定された CSMA/CD ネットワーク リンクでは遅延衝突は発生しないはずなので、通常考えられる原因としては、全二重/半二重の不一致、イーサネット ケーブルの長さ制限の超過、または不適切なケーブル接続、ネットワーク内のハブ数の不一致、NIC の不良などのハードウェアの欠陥が挙げられます。

ローカル衝突とは、回線上ではなく NICで発生する衝突です。NIC は、情報を送信せずにローカル衝突を検出することはできません。

UTPケーブルでは、ステーションが TX ペアで送信しているのと同時に RX ペアで信号を検出した場合にのみ、ローカル セグメントでローカル衝突が検出されます。2 つの信号は異なるペアにあるため、信号の特性に変化はありません。衝突は、ステーションが半二重で動作している場合にのみ UTP で認識されます。この点で、半二重と全二重の動作の唯一の機能的な違いは、送信ペアと受信ペアを同時に使用できるかどうかです。

リモート衝突は、半二重メディア (10BASE5 または 10BASE2) 上のCSMA/CD コンピュータ ネットワークにおいて、最小長よりも短いフレームが送信されたときに発生する衝突です。このフレームはリモート エンドで衝突を引き起こす可能性がありますが、送信機では検出できないため、フレームは物理層で再送信されません。メディア上の干渉により、データが破損し、フレーム チェック シーケンスが失敗し、可能であれば上位層での回復が必要になります。^{[引用が必要]}

チャネルキャプチャ効果とは、共有メディアの 1 人のユーザーが、かなりの時間メディアを「キャプチャ」する現象です。この期間 (通常は 16 フレーム) ^{[明確化が必要]}中、他のユーザーはメディアの使用を拒否されます。この効果は、イーサネットで CSMA/CD を使用するネットワークで初めて確認されました。この効果により、最もデータ量の多い接続がマルチアクセス ワイヤレス チャネルを独占します。^[12]これは、ノードがリンクから「後退」して再アクセスを試みる方法により、イーサネット リンクで発生します。イーサネット プロトコルでは、通信の衝突が発生すると (メディアの 2 人のユーザーが同時に送信を試みる場合)、各ユーザーはリンクに再アクセスする前にランダムな時間待機します。ただし、ユーザーは、リンクへのアクセスを連続して試みた回数に比例して、ランダムな時間待機します (「後退」します)。チャネル キャプチャ効果は、1 人のユーザーがリンクを「獲得」し続ける場合に発生します。

たとえば、ユーザー A とユーザー B の両方が同時に静かなリンクにアクセスしようとします。衝突を検出すると、ユーザー A は 0 から 1 単位の間のランダムな時間待機し、ユーザー B も同様に待機します。ユーザー A がより低いバックオフ時間を選択したとします。次に、ユーザー A はリンクの使用を開始し、B はリンクがフレームの送信を完了できるようにします。ユーザー A がまだ送信するものがある場合、ユーザー A とユーザー B は別のデータ衝突を引き起こします。A は再び 0 から 1 の間のランダムなバックオフ時間を選択しますが、ユーザー B は 0 から 3 の間のバックオフ時間を選択します。これは、B が 2 回連続で衝突するためです。この場合も A が「勝つ」可能性があります。これが続くと、A がすべての衝突の戦いに勝つ可能性が高く、16 回の衝突 (ユーザーが長時間後退するまでの試行回数) の後、ユーザー A はチャネルを「キャプチャ」します。

ノードの数が増えると、1 つのノードがメディア全体をキャプチャする能力は低下します。これは、ノードの数が増えると、「他の」ノードの 1 つがキャプチャノードよりもバックオフ時間が短くなる可能性が高くなるためです。

チャネル キャプチャ効果により、1 つのステーションが送信できる一方で他のステーションが継続的に後退するという状況が生まれ、短期的には不公平な状況になります。しかし、1 つのステーションが送信を終えると、すべてのステーションがメディアを「キャプチャ」する機会を持つため、長期的には公平な状況となります。1 つのノードがチャネルをキャプチャすると、チャネルの効率が向上します。

キャプチャ効果のマイナスの副作用は、ステーションのバックオフによって生じるアイドル時間です。1 つのステーションがメディア上での送信を終了すると、他のすべてのステーションが継続的にバックオフするため、長いアイドル時間が発生します。場合によっては、バックオフが非常に長く発生し、最大試行制限に達したために一部のステーションが実際にパケットを破棄することがあります。

CSMA/CD は、現在では廃止された共有メディア イーサネットのバリアント ( 10BASE5、10BASE2 ) や、リピータ ハブを使用したツイストペア イーサネットの初期バージョンで使用されていました。スイッチと全二重接続で構築された現代のイーサネット ネットワークでは、各イーサネット セグメント、つまり衝突ドメインが分離されているため、CSMA/CD を使用する必要はなくなりました。CSMA/CD は、下位互換性と半二重接続のために引き続きサポートされています。すべてのイーサネット バリアントを定義するIEEE 802.3標準は、歴史的な理由から、802.3-2008 まで「キャリア検知多重アクセス/衝突検出 (CSMA/CD) アクセス メソッドおよび物理層仕様」というタイトルが付けられていました。802.3-2008 では、新しい名前「IEEE イーサネット標準」が使用されています。

• 衝突回避機能付きキャリア検知多重アクセス(CSMA/CA)
• トークンパッシング、より決定論的なチャネルアクセス方法