2.5 CSMA/CD und CSMA/CA

Warum ein Zugriffsverfahren notwendig ist

Nutzen mehrere Stationen denselben Übertragungskanal, können sie nicht beliebig gleichzeitig senden. Ein Medium-Access-Verfahren bestimmt, wann eine Station einen Übertragungsversuch beginnen darf und wie sie nach einem fehlgeschlagenen Versuch fortfährt. Carrier Sense bedeutet, dass eine Station zunächst prüft, ob das Medium belegt erscheint. Multiple Access beschreibt, dass mehrere Stationen grundsätzlich auf denselben Kanal zugreifen dürfen.

Kollisionserkennung und Kollisionsvermeidung sind nicht dasselbe. Ethernet konnte auf einem elektrischen Halbduplex-Medium während des Sendens erkennen, dass sich Signale überlagerten. Eine WLAN-Station kann ihr eigenes starkes Sendesignal nicht gleichzeitig zuverlässig von einem fremden Signal am Empfänger unterscheiden. Sie versucht Kollisionen deshalb vorab zu vermeiden und schließt aus einer fehlenden Bestätigung auf einen gescheiterten Austausch.

Simplex, Halbduplex und Vollduplex

Simplex erlaubt die Übertragung nur in eine Richtung. Halbduplex erlaubt beide Richtungen, aber nicht gleichzeitig. Vollduplex nutzt getrennte Sende- und Empfangspfade gleichzeitig. RX bezeichnet den Empfangspfad, TX den Sendepfad.

CSMA/CD Schritt für Schritt

Eine sendebereite Station prüft zunächst den Träger. Erscheint das Medium frei, beginnt sie zu senden und überwacht den Kanal weiter. Erkennt sie eine Kollision, beendet sie die normale Frame-Übertragung und sendet eine 32 Bit lange Jam-Sequenz, damit alle Stationen der Kollisionsdomäne den Konflikt sicher erkennen. Anschließend wartet sie nach dem Binary Exponential Backoff eine zufällige Anzahl von Slotzeiten und versucht es erneut.

Das Zufallsfenster wächst nach wiederholten Kollisionen. Vereinfacht wird nach der k-ten Kollision eine Zahl aus einem Bereich gewählt, der sich zunächst mit jeder Kollision verdoppelt und später begrenzt wird. Nach 16 erfolglosen Übertragungsversuchen wird der Frame verworfen und der Fehler an höhere Schichten gemeldet. Dadurch senden wartende Stationen nicht automatisch wieder im selben Moment.

Slotzeit, Mindestframe und Signallaufzeit

Eine Station muss eine Kollision noch erkennen können, während sie ihren Frame sendet. Deshalb hängen maximale Kollisionsdomäne, Signallaufzeit, Slotzeit und minimale Ethernet-Framegröße zusammen. Beim klassischen 10- und 100-Mbit/s-Ethernet beträgt die Slotzeit 512 Bitzeiten. Der Ethernet-Frame muss vom Ziel-MAC-Adressfeld bis zur FCS mindestens 64 Byte lang sein; zu kurze Nutzdaten werden mit Padding ergänzt.

Erreicht eine entfernte Kollision den Sender erst nach dem Ende eines zu kurzen Frames, würde sie nicht mehr dem richtigen Übertragungsversuch zugeordnet. Genau deshalb waren Kabellängen, Repeateranzahl und Netzaufbau im Halbduplex-Ethernet streng begrenzt. Für Gigabit-Halbduplex wurden zusätzliche Mechanismen definiert, praktisch setzte sich Gigabit Ethernet jedoch als geswitchter Vollduplex-Betrieb durch.

• Die Mindestframegröße ist ein technischer Bestandteil der Kollisionssicherheit und kein beliebiger Formatwert.
• Die Slotzeit wird in Bitzeiten angegeben; ihre Zeitdauer hängt von der Datenrate ab.
• Late Collisions weisen auf einen fehlerhaften oder unzulässigen Halbduplex-Aufbau hin.

Kollisionsdomänen und historische Repeater-Regeln

Eine Kollisionsdomäne umfasst alle Stationen, deren Übertragungen sich auf demselben Halbduplex-Medium gegenseitig überlagern können. Repeater und Hubs arbeiten auf der Bitübertragungsschicht und erweitern diese gemeinsame Domäne. Bridges und Switches trennen Kollisionsdomänen, weil jeder Port einen eigenen Link bildet.

Die aus älteren 10BASE5- und 10BASE2-Netzen bekannte 5-4-3-Regel begrenzte kaskadierte Segmente und Repeater. Solche Regeln erklären historische Installationen, sind aber keine Planungsgrundlage für heutige geswitchte Ethernet-Netze. Auch pauschale Auslastungswerte wie 30 oder 70 Prozent sind keine allgemeingültigen modernen Leistungsgrenzen.

Warum modernes Ethernet kein CSMA/CD benötigt

In einem heutigen LAN verbindet ein Switchport normalerweise genau eine Gegenstelle über eine Punkt-zu-Punkt-Strecke. Beide Seiten handeln Vollduplex aus und verwenden getrennte Sende- und Empfangspfade. Es gibt kein gemeinsames elektrisches Medium, auf dem zwei Stationen um dieselbe Sendezeit konkurrieren. Kollisionen und CSMA/CD sind daher deaktiviert.

Kollisionszähler an modernen Switchports sind deshalb kein normaler Lastindikator. Sie können auf Alttechnik, einen Duplexkonflikt, eine fehlerhafte Aushandlung oder ein Diagnoseproblem hinweisen. Ein Duplex Mismatch führt typischerweise zu schlechter Leistung, Fehlern und scheinbar einseitigen Störungen und sollte nicht durch manuelles Festsetzen nur einer Seite behoben werden.

CSMA/CA im WLAN

Eine sendebereite WLAN-Station prüft zunächst, ob der Funkkanal frei erscheint. Nach einer festgelegten kurzen Wartezeit zählt sie einen zufällig gewählten Backoff in freien Zeitschlitzen herunter. Beginnt eine andere Station vorher zu senden, stoppt der Zähler und wird nach dem Ende der fremden Übertragung fortgesetzt.

Erreicht der Zähler null, darf die Station senden. Ein direkt adressierter Datenframe wird nach dem kürzeren SIFS durch ein ACK bestätigt. Bleibt die Bestätigung aus, kann der Sender nicht sicher zwischen Kollision, Störung und schlechter Funkverbindung unterscheiden; er plant eine Wiederholung mit vergrößertem Contention Window. Broadcast- und Multicast-Frames erhalten auf dieser Ebene normalerweise kein einzelnes ACK.

• Die Funkhardware prüft, ob auf dem Kanal bereits Aktivität erkennbar ist.
• Der zufällige Backoff verhindert, dass alle wartenden Stationen nach einem freien Kanal gleichzeitig senden.
• WLAN-Clients können sich gegenseitig überhören, obwohl beide den Access Point erreichen. Weiterführende Verfahren dafür werden auf der WLAN-Seite behandelt.
• Eine kleinere MAC-Adresse verleiht keine niedrigere oder höhere CSMA/CA-Priorität.

CSMA/CD und CSMA/CA direkt verglichen

• Carrier Sense garantiert in keinem der Verfahren, dass eine andere weit entfernte Station nicht ebenfalls gerade zu senden beginnt.
• Beide Verfahren verteilen Zugriffschancen; sie ersetzen keine Kapazitätsplanung.
• Im WLAN teilen auch getrennte SSIDs auf demselben Kanal die verfügbare Sendezeit.