CSMA/CAとは「Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance（キャリア検知多重アクセス／衝突回避）」の略称であり、Wi-Fiに代表される無線通信で標準的に用いられているプロトコルです。CSMA/CAとは何か、「CSMA/CA」と「CSMA/CD」の違い、「CSMA/CA」の隠れ端末問題／さらし端末問題など、その仕組みや意義を理解するためのポイントについて解説します。 

「半二重通信」とは？ 

「半二重通信」とは、送信・受信を交互に切り替え、ひとつのネットワークでデータの送信と受信を行うことを可能にする通信方法です。一方、送信と受信のそれぞれに独立したネットワークを用意することで、データの送信と受信を同時に行える通信方式を「全二重通信」といいます。 

たとえば、話しているときに相手の声を受信することはできず、相手の声を聴いているときにこちらから情報を送れない「トランシーバー」は半二重通信ですが、話しながら相手の声を聴くことができる「電話」は全二重通信です。 

全二重通信には通信効率の高さや低遅延、コリジョンが回避できるといったメリットがあります。しかし、技術的な実現の容易さやシンプルなネットワーク構成が可能な点、コストの低さなどから初期のイーサネットや無線通信では半二重通信が多く採用されてきました。そこで、通信の事故であるコリジョン（Collision）を回避（Avoidance）するための仕組みが、「CSMA/CA」なのです。 

▶コリジョンドメインとは？ ブロードキャストドメインとの違いやコリジョンの回避方法について解説 

半二重通信では、ネットワークでつながったデバイスAとデバイスBの双方がデータを送信することで、コリジョンが生じます。その結果としてデータの破損や再送に伴う通信の遅延が生じるため、円滑なネットワーク利用のためにはコリジョン対策が欠かせません。 

「CSMA/CA」はどのようにコリジョンを回避するのか？ 

CSMA/CAは、どのようにしてコリジョンを回避するのでしょうか。3つのステップでみていきましょう。 

1.キャリア感知 

データを送信する前にチャネルが空いている（ほかの通信が行われていない）かどうかを確認します。通信状況を確認する手順を「キャリア感知（Carrier Sense）」といい、キャリアは「搬送波」とも訳されます。 

2-1.チャネルが開いている場合：待機とデータ送信 

デバイスが送信しようとしているときにチャネルが空いている（他の通信が行われていない）場合は、一定のランダムな時間待機したうえでデータ送信を開始します。このランダム性により、複数のデバイスが同時に送信を再試行する確率を減少させます。この時間間隔をIFS（Inter Frame Space： フレーム間スペース）といい、IFSにはSIFS、DIFS、RIFSなどさまざまな種類が存在します。

2-2.チャネルが使用中の場合：待機とキャリア感知 

デバイスが送信しようとしているときにチャネルが使用中であった場合は、一定のランダムな時間待機してから再度キャリア感知を行います。そこでチャンネルが空いている場合は、一定のランダムな時間（バックオフ時間）待機したうえで「2-1」のステップに移ります。

3.データ送信 

バックオフ時間の待機を経て、最も待ち時間が短かったデバイスがデータを送信します。データの受信が成功した場合、受信側デバイスは一定時間待機したうえで、送信側デバイスにアクノリッジメント（ACK）信号というものを送信します。これにより、データが正常に受信されたことが確認されます。複数の端末がデータの送信を待機している場合は、同じ手順を繰り返します。 

「CSMA」の「CS」は「キャリア感知（Carrier Sense）」、「MA」は「多重アクセス（Multiple Access）」を意味します。多重アクセスとは、複数のデバイスが同じ通信媒体を共有し、アクセスすることを指します。この方式により、多数のデバイスが同一の通信インフラを効率的に利用できます。 

「CSMA/CD」とは 

CSMA/CDとは「Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection（キャリア検知多重アクセス／衝突検出）」の略称であり、主に有線通信で用いられてきました。「CSMA/CD」も「CSMA/CA」と同様にキャリア検知を行い半二重通信において多重アクセスを実現するための技術です。 

ただし、「CSMA/CD」は「CSMA/CA」と違ってチャネルが空いている（他の通信が行われていない）場合にはすぐに通信が開始されます。そこでコリジョンが生じたら、ランダムなバックオフ時間を設けたうえで再度通信が試みられますが、これは「CSMA/CA」と変わりません。近年は適切なネットワークの制御を行うスイッチングハブが普及したことにより、「CSMA/CD」は今ではほとんど使われないレガシーな技術となっています。 

「CSMA/CA」が無線通信、「CSMA/CD」は有線通信で主に用いられてきた理由 

「CSMA/CA」はWi-Fiなどの無線通信で用いられ、「CSMA/CD」はイーサネットなどの有線通信で主に用いられていました。無線通信はコリジョンの検知が難しく、後述の「隠れ端末問題」や「さらし端末問題」などが発生する可能性がある一方、有線通信では物理的にネットワークがつながっているためコリジョンの検出が容易です。 

そのため、無線通信ではコリジョンを事前に回避するためのメカニズムを持つ「CSMA/CA」が、有線通信ではコリジョンを回避するのではなく検出してから対処する「CSMA/CD」が適しているのです。 

隠れ端末問題とは？ 

「隠れ端末問題」は、無線ネットワークにおけるコリジョンの一因となる現象で、物理的な障害物や距離のために特定の端末がほかの端末の存在や通信を検知できない状況を指します。たとえば、端末Aと端末Bが直接お互いを認識できない場合、両者が同時にアクセスポイント（AP）であるCと通信しようとすると、Cでデータの衝突が発生する可能性が高くなります。 

隠れ端末問題を軽減するために用いられるのが、RTS／CTSという仕組みです。デバイスはチャネルが空いていることを確認したら、送信前にRTS（Request to Send）信号というものを送信します。この信号は、送信の意図を通知します。APはRTS信号を受け取ったら、CTS（Clear to Send）信号というものを返します。CTS信号により、RTSが届いた端末には送信が許可されたことが通知され、そうでない端末は自分以外のデバイスが通信中であることを検知できます。 

このように「CSMA/CA with RTS/CTS方式」で隠れ端末問題は解決できます。ただしRTS/CTSのやり取りに通信時間が費やされることになるため、実際には電波の届きにくい端末がある場合や前述のACK信号が返ってこないことが続いた場合に、 RTS/CTSが機能する仕組みを設けるのが一般的です。 

さらし端末問題とは？ 

「さらし端末問題」は、隠れ端末問題とは反対に、無線ネットワークにおいて特定の端末がほかのすべての端末の通信を検知できるために、過度に送信を控えざるを得ない状況を指します。これにより、その端末が適切なタイミングで通信を行えず、ネットワーク全体の効率が低下します。 

たとえば、端末Aと端末Bが頻繁に通信を行っており、その信号を端末Cも検知しているとします。端末Cは別のAPと通信を行う際、誤って端末Aと端末Bの通信を待機することになってしまい、結果として一定時間あたりに転送できるデータ量であるスループットが低下します。 

さらし端末問題の解決法としては、端末の通信範囲を適切なものに調節する、別々の通信に異なる周波数チャネルを割り当てるなどが挙げられます。 

「CSMA/CA」とは何か、「CSMA/CD」とは何が違うのかなどの基本ポイントについて説明してきました。半二重通信におけるコリジョンを防ぐ方式として長年採用されてきた「CSMA/CA」ですが、通信ごとにIFSを設ける関係上、スループットが低下するという問題を抱えていました。 

その解消につながる技術として挙げられるのがMIMO（Multiple Input Multiple Output：マイモ）です。MIMOは複数の送信アンテナと受信アンテナを使用して空間多重化を実現することで、通信の高速性や信頼性、伝送効率を向上させる技術であり、CSMA/CAと組み合わせることで、無線ネットワークの総合的なパフォーマンス向上に貢献します。 

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