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WiFi通信におけるCSMA/CAの役割
WiFi標準の世界では、効率的なデータ伝送が信頼性の高いワイヤレス接続を維持するために非常に重要です。これを可能にする主要なプロトコルの一つが、キャリアセンス多重アクセス／衝突回避（CSMA/CA）です。その仕組みについて見ていきましょう。
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CSMA/CAとは何ですか？
想像してみてください。朝のラッシュ時に混み合ったコーヒーショップに入ったとします。注文をしようとしますが、同時に他の3人のお客さんも自分の注文を大声で伝えようとしています。カウンターの後ろにいる気の毒なバリスタは、この混乱の中で一つも注文を正しく聞き取ることができません。もしデバイス同士の通信を管理する仕組みがなければ、無線ネットワークでもまさにこのようなことが起こるのです。
その解決策が「CSMA/CA」と呼ばれるプロトコルです。これは次の頭文字を取っています：
- Carrier Sense（キャリア検知）: デバイスは他のデバイスが現在無線チャネルを使用していないか「聞く」ことで検知しなければなりません。
- Multiple Access（多重アクセス）: 複数のデバイスが一つの無線チャネルを共有することを意味しており、これは複数の車が一本の道路を走るようなものです。
- Collision Avoidance（衝突回避）: データの衝突が発生する前に積極的に回避する仕組みであり、交差点で車が衝突しないようにする信号機のようなものです。
CSMA/CAの本質は、各デバイスがデータを送信する前に無線チャネルが空いているかを確認することを義務づける点にあります。リクエストと許可による連携システムを用いて、複数のデバイスが同時に送信することを防ぎます。デバイスがデータを送信したい場合、まずチャネルが空いているか聞き、順番を待ち、その後アクセスポイントから明確な許可を受けてから送信します。
この慎重な調整によって無線干渉が防がれます。もし干渉が発生した場合、完全な再送信が必要になるデータパケットの破損、ネットワークスループットの大幅な低下、ビデオ通話やゲームなど時間に敏感なアプリの遅延増大、繰り返し送信によるモバイルデバイスのバッテリー消耗、衝突が増えることで全デバイスのパフォーマンス劣化といった深刻な悪影響を防ぐことができます。
CSMAのバリエーション
CSMAファミリーにはさまざまなネットワーク環境に適したいくつかのバリエーションがありますが、最も重要なのはCSMA/CAとCSMA/CDの2つです：
| 側面 | CSMA/CD | CSMA/CA |
| ネットワークタイプ | 有線（イーサネット） | 無線（WiFi） |
| 衝突戦略 | 発生後に検出 | 発生前に防止 |
| メカニズム | 送信中に電圧を監視 | RTS/CTSのハンドシェイクを使用 |
| オーバーヘッド | 最小限（衝突時のみ） | 高い（調整メッセージ） |
| 効率 | 衝突が少ない環境でより良い | 衝突が多い環境でより良い |
| 隠れノード問題 | 該当なし | 調整で対処 |
CSMA/CD（衝突検出）は、従来の有線イーサネットネットワーク向けに開発された、より古い方式です。CSMA/CD では、デバイスはチャネルが空いていると認識したらすぐにデータを送信し、送信中に衝突が発生していないかを監視します。もし衝突が検出された場合（ワイヤ上の異常な電圧レベルを感知）双方のデバイスは送信を停止し、ランダムなバックオフ時間だけ待機してから再送信を試みます。
CSMA/CA（衝突回避）は、主に無線ネットワーク向けに設計された予防的なアプローチで、今回の主な焦点です。CSMA/CD と異なり、事後検出ではなく、CSMA/CA ではリクエスト・トゥ・センド（RTS）クリア・トゥ・センド（CTS）というメカニズムを使って送信前にチャネルを予約し、最初から衝突の発生を積極的に防ぎます。
これら2つの主要なバリエーションに加えて、CSMAファミリーには、デバイスがどの程度積極的に送信を試みるかを定義する複数の持続性戦略があります。これらの戦略は、衝突検出（CD）または衝突回避（CA）と組み合わせて使用できます：
- 1-パーシステントCSMA：この1-パーシステントCSMAは、デバイスがビジーチャネルを継続的に監視し、空き次第すぐに送信するというアグレッシブなバリエーションと考えることができます。これは、複数のデバイスが待機している場合、衝突率が高くなる可能性があります。
- ノンパーシステントCSMA：より控えめな方法として、デバイスはチャネルを再度確認する前にランダムな時間待機します。これにより衝突は減りますが、実際にチャネルが空いている場合に貴重な時間が無駄になる可能性があります。ノンパーシステントCSMAはまさにその方法です。
- P-パーシステントCSMA：このCSMA方式は、確率を使って送信タイミングを決定し、デバイスは空いているチャネルを見つけたときに一定の確率「p」で送信します。そのため、積極的な方法と保守的な方法の中間的な立ち位置を取ります。
これらのバリエーションは、それぞれ特定のネットワーク課題に対応するために進化してきましたが、無線環境において主役であるのは CSMA/CA です。これは私たちNetSpotが注力している分野でもあります。NetSpotは、無線ネットワークの評価・スキャン・調査のための使いやすいソフトウェアを開発しており、CSMA/CAの衝突回避メカニズムが、NetSpotが分析・最適化をサポートするスムーズなWiFiパフォーマンスを維持する上で不可欠であることを日々実感しています。
CSMA/CAはどのように機能しますか？
CSMA/CAが高レベルで何を行っているかについてはすでに説明しましたが、実際にどのように機能するのかについても知りたい方がいるかもしれません。CSMA/CAの中心は、すべてのデバイスがデータ送信前に特定のステップシーケンスを完了することを強制することにあります：
- 話す前に聞く： デバイスはキャリア検出を行い、ワイヤレスチャネルで他の通信がすでに行われていないかを確認します。
- 静寂を待つ： チャネルがビジーであれば、デバイスはバイナリエクスポネンシャルバックオフアルゴリズムを使用して待機します。失敗するたびに待機時間は倍増します。
- IFS期間の観察： チャネルが空いているように見えても、デバイスは前の通信が完全に終了したことを確実にするためにインターフレームスペース（IFS）期間を待ちます。
- ランダムバックオフの追加： 複数のデバイスが同時にチャネルを使わないように、チャネルが開放された際にデバイスはさらにランダムな期間待機します。
- データの送信： 最後に、デバイスは自分のデータフレームを送信し、受信側からの確認応答を待ちます。
この基本的なプロセスは、負荷の少ないネットワークでの小規模なデータ転送においては非常によく機能します。しかし、転送が大きい場合や混雑した環境のワイヤレスネットワークでは、より高度な解決策が必要とされます：
- RTS/CTS（送信要求／送信許可） 混雑したネットワークや大容量データ転送の場合、デバイスは送信前にオプションのハンドシェイクプロトコルを使用できます。送信者はまず短いRTSフレームを発信し、送信許可を求めます。アクセスポイントはCTSフレームで許可を返し、同時に他の範囲内の全デバイスに「静かにするよう」警告を出します。
- ネットワーク割当てベクトル（NAV）この仮想キャリア検知機構は、物理信号検出による衝突回避にもう一層加えるものです。送信される各フレームには、チャネルがどのくらいの時間占有されるかの持続時間情報が含まれており、受信したデバイスはそのNAVタイマーを設定し、その期間チャネルを「仮想的にビジー」とみなします。
- インテリジェントタイミング： 現代のCSMA/CAは、さまざまなインターフレームスペース（IFS）期間を使い分け、トラフィックの優先順位づけと混雑ネットワーク内での秩序維持を実現しています。重要な確認応答フレームには最も短い待機時間（SIFS）が与えられ、迅速な通信成功確認が行われます。通常のデータには標準の間隔（DIFS）エラー回復には最も長い間隔（EIFS）が使われます。
これらのメカニズムによって、CSMA/CAは静かな家庭用ネットワークから、何千ものデバイスがつながる混雑した空港のWiFiネットワークまで、幅広く対応することができます。
もちろん、CSMA/CAだけでは完璧なWiFiパフォーマンスは保証できません。電波強度、干渉、ネットワーク構成なども重要な役割を果たします。そのため、ネットワーク管理者や家庭の利用者にとってNetSpotのようなツールが非常に価値があるのです。こうしたツールは、電波死角の特定から最も混雑の少ないチャネル探しまで、ワイヤレスネットワークの物理的側面の可視化・最適化に役立ちます。
結論
CSMA/CAは、WiFiネットワークにおいてデータの衝突を防ぐために、デバイスが送信前にチャネルが空いているかを確認することを要求する基本的なプロトコルです。このプロトコルは、複数の技術を組み合わせており、シンプルな家庭環境から、何百ものデバイスが競合する高密度環境まで、さまざまなネットワーク状況に対応します。
だから、私たちのおすすめです
NetSpot
よくある質問
CSMA/CAは何をしますか？
CSMA/CAは、WiFiネットワークにおいて、デバイスが送信前にワイヤレスチャネルが空いているか確認することで、データの衝突を防ぎます。
CSMA/CDとCSMA/CAの違いは何ですか？
CSMA/CDとCSMA/CAには主に2つの違いがあります。まず、CSMA/CDはワイヤ上の電圧変化を監視することで衝突が発生した後にそれを検出しますが、CSMA/CAはRTS/CTSのような調整メカニズムを使って衝突が発生する前にそれを防ぎます。次に、CSMA/CDはすべてのデバイスがお互いの存在を確認できる有線イーサネットネットワークでのみ使用されますが、CSMA/CAは無線ネットワーク向けに設計されています。
私たちはまだCSMA/CAを使用していますか？
はい、CSMA/CAは、最新のWi-Fi 7規格（より効率的な直交周波数分割多元接続（OFDMA）などの改良が加えられています）から、古い802.11の実装まで、今日のすべてのWiFiネットワークで依然として積極的に利用されています。
なぜ802.11 MACはCSMA/CDではなくCSMA/CAを使用するのですか？
802.11はCSMA/CAを使用します。なぜなら、無線デバイスは同じ周波数で同時に送信および受信ができず、送信中に衝突を検出できないためです。さらに、無線ネットワークには、隠れノード（互いに通信できないがアクセスポイントで干渉するデバイス）のような特有の課題があり、衝突検出が非現実的で、衝突回避が必要となります。
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