封包衝突（Collision）會發生什麼？淺顯易懂的網路秘密

原始文章

將詳細解說衝突（封包衝突）的問題。讓我們理解橋接連結（Bridge Link）與 LAN 交換器是如何改善網路效能的，其基本動作與機制。

https://www.youtube.com/watch?v=Ok22V8sM-JM

網路「塞住」的真正原因——影像專業人員應該知道的封包衝突真相

你的現場，有沒有發生過這樣的情況？

圖片直播正式開始時，畫面突然卡住。聲音斷斷續續。

切換台與攝影機之間的訊號，不明原因地變得不穩定。

調查原因時，只被告知「網路不穩定」。

但是，沒有人再多做說明。

設備是最新的。線材也換過了。即使如此還是會發生。

其中一個原因，就是衝突（封包衝突）。

「衝突」現在也正在看不見的地方發生

在 IP 傳輸影像已普及的現場，網路線中每一秒都有數千、數萬個資料區塊（封包）來回穿梭。

當那些封包，在同一瞬間想走同一條路時——就會發生正面衝突。

發生衝突的封包會損壞。損壞的資料會被重新傳送。當重傳層層疊加時，整個網路的速度就會下降。畫面會卡住。

這就是衝突的真面目。

而且麻煩的是，這個問題有時候即使更換設備、更換線材、調整設定也無法解決。因為問題存在於「網路的設計思想」本身。

Ethernet 所抱持的「根本性矛盾」

成為現代影像傳輸基礎的 Ethernet，原本是作為多個設備共用一條電纜的機制而誕生的。

請想像多個人走在一條走廊上。

如果只有一條走廊，那麼每次擦身而過時，不是停下來，就是撞在一起。

網路也是一樣。為了調整傳送的時機，

Ethernet 使用了一種叫做 CSMA/CD 的交通整理規則。

這個規則是經過深思熟慮設計出來的機制。

然而同時，它也抱有結構性的極限。

那個極限是什麼，在什麼條件下會露出獠牙——

以及為什麼現代的影像專業人員至今仍然需要這項知識。

在付費部分，將以具體數值與圖解，

從根本開始進行解說，讓你能夠真正理解。

閱讀這篇文章後，你可以達到這些改變：

• 不再被「網路不穩定」這種曖昧的說法牽著走

• 能夠自行判斷發生衝突的條件

• 能向他人解釋為什麼橋接器、交換式集線器能解決問題

• 作為在 IP 攝影機、NDI、SRT 等影像 IP 傳輸現場立即可用的知識而內化

這些知識不會寫在設備的型錄裡。

但在現場拉開差距的，就是這些部分。

網路的「交通規則」——CSMA/CD 的全貌

要談衝突，首先必須掌握 Ethernet 所使用的交通整理規則，

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection）。

名稱看起來很難，但它做的事情其實非常單純。

換成日常對話來說，就是這樣。

用會議室的「發言規則」理解 CSMA/CD

請想像一間只有一支麥克風的會議室。

1. 首先聽聽周圍（Carrier Sense＝載波感知）　

   → 確認「現在是否有人在說話？」

   
   

2. 如果沒有人說話，就自己發言（Multiple Access＝多重存取）　

   → 空著就開始說話。

   
   

3. 如果撞在一起就察覺（Collision Detection＝衝突偵測）　

   → 如果同時有其他人也開始說話，就會察覺「啊，重疊了」。

   
   

4. 暫時安靜，錯開時間再說一次　

   → 等待隨機的一段時間後，再重新開始說話。

   
   

這就是 CSMA/CD 的本質。

雖然單純，但這個「等待時間」，

正是影像傳輸現場會成為問題的地方。

當「等待時間」層層累積時會發生什麼

當發生一次衝突時，相關設備會進行資料重傳。

這種重傳機制稱為指數退避（Exponential Backoff），

其設計是每發生一次衝突，等待時間的上限最多會增加為原來的兩倍。

具體如下：

衝突次數	最大等待時槽數	等待時間上限（10Mbps 時）
第1次	2 個時槽	約 0.1ms
第2次	4 個時槽	約 0.2ms
第4次	16 個時槽	約 0.8ms
第8次	256 個時槽	約 13ms
第10次（上限）	1024 個時槽	約 52ms
第16次	放棄傳送（丟棄）	—

（1 個時槽＝51.2μs，依據 10Mbps Ethernet 規格 IEEE 802.3 Section 4.2.3.2.3）

在影像傳輸中，當單一影格延遲超過 33ms（以 30fps 計算）時，看起來就會像畫面停止。

當衝突重疊超過 8 次時，理論上就已經存在掉格的風險。

衝突會以多高的頻率發生？

衝突的發生頻率，與網路的使用率（流量負載）直接相關。

在 Ethernet 的研究中指出，當流量負載超過 37% 時，吞吐量（實際能通過的資料量）就會開始下降。

（出處：Robert Metcalfe & David Boggs, “Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks”, Communications of the ACM, 1976）

流量負載	理論吞吐量	衝突的影響
10% 以下	幾乎 100%	幾乎不發生
37%（臨界點）	約 36.8%（最大效率）	開始發生
50%	開始急劇下降	明顯降低
70% 以上	實際上難以通信	連續發生

（Ethernet 的吞吐特性，基於 M/M/1 排隊模型近似計算。出自 Andrew S. Tanenbaum，《Computer Networks》第五版）

在影像的 IP 傳輸中，4K 非壓縮信號（符合 SMPTE ST 2110）大約使用 12Gbps 的頻寬。

如果在 10GbE 的網路上傳送它，光這一條就已經超過頻寬的 120%，不只是 CSMA/CD 無法運作，而是幾乎只剩下衝突的狀態。

在現代高解析度影像傳輸中，以 CSMA/CD 為前提的共享型網路，在設計階段就已經不能使用。

那麼，為什麼現代網路還能正常運作？

答案在於交換式集線器（LAN 交換器）的出現，以及全雙工通信的普及。

這兩項技術，從結構上解決了衝突問題。

然而，如果不知道這種「解決的機制」就去選擇設備，

就會掉入設計的陷阱。

是什麼樣的陷阱，又該如何避免——

這部分會在付費內容中，搭配具體設計案例進行解說。

「知道」與「會用」是兩回事

讀到這裡，可能有人會這樣想。

「那只要用交換式集線器不就好了？」

沒錯。但在現場，光這樣還不夠。

例如——

• 即使導入交換式集線器，如果設定仍然是半雙工（Half Duplex），衝突就不會消失。

• 根據設備種類不同，自動協商（Auto-Negotiation）有時會失敗，導致非預期地以半雙工連線。

• 在多台交換器互連的架構中，交換器之間的連線可能會成為瓶頸。

• 像 NDI 或 SRT 這類協定，對網路品質非常敏感，當封包遺失率超過 0.1% 時，影像品質就會明顯劣化。

  
  

（NDI 建議的網路需求：封包遺失率低於 0.1%，延遲低於 10ms。出自 NDI SDK Documentation，Vizrt Group）

這些問題，僅僅知道「買交換式集線器就能解決」這種程度的知識，是無法避免的。

是否能在現場做出判斷——那就是差距所在

影像的 IP 傳輸，如今已成為無法迴避的技術。

NDI、SRT、SMPTE ST 2110、AVoIP——稱呼雖然不同，但所有技術的基礎，都是 Ethernet 的物理性限制。

了解衝突的機制，並不是單純在學歷史。為什麼需要交換式集線器，為什麼全雙工是前提，為什麼要切 VLAN——這些「為什麼」會真正說得通。

真正理解的知識，可以在現場應用。

能夠應用的人，可以在問題發生前先下手。

這就是在現場被信任的工程師，

與只會說「好像有點不穩定呢」的人之間的差別。

付費部分將解說的內容

在付費內容中，將具體說明以下內容。

• 橋接連結如何分割衝突網域（附圖解）

• LAN 交換器「將衝突歸零」的機制細節

• 全雙工通信得以實現的技術背景與條件

• 半雙工與全雙工混合環境中發生的具體故障案例

• 在 NDI／SRT／ST 2110 環境下的推薦網路設計思路

• 現場檢查清單：導入前必須確認的 7 個重點

當你讀完這篇文章時，你應該能看著網路拓撲圖，用自己的眼睛找出哪裡是風險點。

心智模型：「昭和時代的電話接線員」到「自動交換機」

昭和時代的電話，是由接線員以人力接通線路。

在接通之前只能等待，若線路繁忙就無法接通。

交換式集線器的登場，就是把這種「人力接線員」替換成「自動交換機」的瞬間。

當機制改變時，問題會從結構上消失——

在付費部分，你將能實際體會這一點。

おのりん　影片學校

影像系統的技術總監。TriCaster 操作員、ATEM 認證講師。參與廣播、網路直播、企業宣傳影片、現場活動等廣泛領域的影像系統設計與運營。致力於將複雜的技術以淺顯易懂的方式傳達，主辦「影片學校」，並從事培訓與寫作活動。