Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance

Den engelska termen Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance ( CSMA / CA ) beskriver en princip för kollisionsundvikande när flera nätstationer har åtkomst till samma överföringskanal . Det används ofta bland annat i trådlösa nätverk ( trådlösa LAN ) men används också i modifierad form i kommunikationsprocesser som ISDN , eller i många kommunikationsnätverk där flera klienter placerar data i en buss och kollisioner inte får inträffa. Problemet uppstår inte i centralt samordnade kommunikationsnätverk.

Motivation för CSMA / CA i radionätverk

Trådlösa nätverk skiljer sig från trådbundna nätverk när det gäller delad medieåtkomst på två viktiga sätt:

  • Nätverksadaptern har inte nödvändigtvis full duplexfunktion. Mediet kan inte övervakas under sin egen sändning . Användningen av en "kollisionsdetekterings" -mekanism, som den som tillhandahålls av CSMA / CD och används med Ethernet , skulle då misslyckas. Det är därför CSMA / CD har utvecklats vidare till en mekanism som mer konsekvent följer principen "lyssna före prat" ("först hör, sedan talar"). Istället för kollisionsdetektering ("CD - Collision Detection") bör (bästa möjliga) kollisionsundvikande ("CA - Collision Avoidance") äga rum. Samtidiga dataöverföringar kan inte förhindras helt, men kan minimeras.
  • Räckvidden för signalen är allvarligt begränsad, eftersom mottagningsnivån minskar med avståndets kvadrat. Detta kan leda till effekter som ”dolda” eller ”exponerade” slutenheter.

Dold station problem

En dold station eller en dold terminal ( engl. "Dold terminal") i asynkrona och inte centralt koordinerade hänvisade till kommunikationsnät , radionätverk eller datanätverk oönskat faktum att under en sändning mellan två enheter (A och B) en annan potentiell sändare C den dolda terminalen) ligger i närheten av mottagaren (B), som inte kan ses av den faktiska sändaren (A) (se här betyder att kännas igen av Carrier Sense ). Denna potentiella avsändare (C) kan störa kommunikationen mellan de andra två noderna (A och B) genom att också skicka ett meddelande till noden i mitten (B), vilket kan leda till en kollision vid mottagaren (B).

Dold station i radionätverk

Figuren visar den typiska situationen för dolda stationsproblem i radionätverk med endast en moduleringsmetod på en radiofrekvens Nätverksnod A skickar data till nod B. Signalen når B, men inte den mer avlägsna noden C på grund av det begränsade intervallet av radiolänken. C är därför inte medveten om det pågående datautbytet och får intrycket att kommunikationsmediet är fritt att skicka data till nod B. Om C nu också börjar sändas överlagras signalerna vid B. Resultatet är en datakollision på grund av vilken B varken tar emot meddelandena från A eller från C.

Särskilda procedurer kan inte utesluta denna kollision, men de skapar ett deterministiskt beteende hos deltagarna med stokastiska procedurer. Användningen av RTS / CTS försöker undvika problem med dold station. Om B svarar på en begäran om att skicka från A med en klar för att skicka , hör C detta och väntar på tiden för överföringen mellan A och B. Detta kan dock inte helt förhindra problemet.

Exponerat stationsproblem

Under en exponerad station eller exponerad terminal (på tyska: exponerad terminal ) är, om inte i vårt nuvarande scenario, stationen skickar B till A och C nu vill skicka till någon annan station som inte är inom räckvidden för B. C känner igen signalerna från B och väntar tills överföringen mellan B och A är över. Eftersom radiovågorna från C inte kan nå station A alls skulle det inte behövas vänta alls: med A kunde ingen konflikt uppstå alls. Ändå är C beroende av sändningen från de andra två stationerna (levereras). Att vänta slösar onödigt bort bandbredd.

Men om, som vanligt med unicast-sändningar, bekräftelser (ACK) används för att bekräfta korrekt mottagning, blir mottagaren av meddelandet avsändaren av ett ACK efter att ha mottagit meddelandet. För att den ursprungliga avsändaren av meddelandet kan ta emot denna ACK måste stationer som ligger inom dess räckvidd också vänta. I exemplet skulle A bekräfta överföringen av B med en ACK. Om C skulle sända samtidigt kan det inträffa en kollision mellan As ACK och meddelandet som C skickade vid B.

Protokollsekvens

Om en enhet vill skicka data enligt CSMA / CA-proceduren är följande sekvens möjlig:

  1. Först lyssnas på mediet ("lyssnar", "bäraravkänning").
  2. Om mediet är gratis under en DIFS , extraheras en backoff-tid från tvistfönstret och skickas när detta har gått ut.
  3. Om mediet är upptaget stoppas backoff tills Network Allocation Vector (NAV) har upphört att gälla innan det fortsätter att köras därefter efter ytterligare en DIFS.
  4. Efter att paketet har tagits emot helt, väntar mottagaren på en SIFS innan ACK skickas.
  5. En kollision på grund av att backoff samtidigt körs leder till en ACK-timeout - varefter en EIFS väntar innan hela processen kan upprepas (DIFS → BO ..).

Dessutom definieras procedurer som erbjuder en systematisk lösning för problemfallet för den dolda och exponerade stationen utan att ytterligare begränsa överföringsnivån. Förutsättningen för dessa procedurer är att mottagaren, som hör båda sändarna, ingriper i processen genom att skicka den själv:

  • En överföringsprocess startas inte medan en överföring pågår. Varje sändare sänder bara under en begränsad tid.
  • Överföringsprocessen avbryts så snart sändaren upptäcker en kollision genom att ta emot en annan sändare. Nästa sändning försenas sedan av en slumpmässigt bestämd paus.
  • Mottagaren, som ensam upptäcker kollisionen, skickar en signal själv i förväntan att båda kolliderande sändarna kommer att känna igen detta och sedan initierar båda pausrutinen.

RTS / CTS-samordning

Jämförelse: RTS / CTS med samma eller olika trafikklasser

För att minska problemet med dolda stationer definieras en förlängning som kallas CSMA / CA RTS / CTS ( R ekvast T o S- ände / C lear T o S- ände). Synonymt med termen MACA för M ultiple A ccess med C Olli sion A voidance.

Efter att ha väntat på DIFS försöker den sändande stationen att uppta kanalen med ett RTS-paket under en viss tid som anges i paketet. Mottagaren bekräftar detta efter att ha väntat på SIFS med ett CTS-paket, som också innehåller en period av beläggning för kanalen.

Alla stationer i sändningsområdet som tar emot denna RTS förblir tysta tills CTS-svaret (klart att skicka, innehåller längden på dataramen som kopierats från RTS) som returneras av mottagaren har mottagits utan konflikt och den sändande stationen har skickat data . Följaktligen väntar alla mottagare av CTS enligt längden i CTS.

En fördel med denna metod är att kollisioner endast är möjliga medan RTS- eller CTS-paket skickas; nackdelen är den höga kostnaden för att utbyta bokningsmeddelanden. RTS / CTS är särskilt lämpligt för att delvis lösa problemet med den dolda stationen . Två enheter som är dolda från varandra kan dock fortfarande skicka RTS till en gemensam mottagare samtidigt. Dessa kolliderar och går förlorade. I det här fallet väntar sändarna en slumpmässig tidsperiod och skickar RTS 'igen. Algoritmen som används är den binära exponentiella backoff .

En experimentell jämförelse visar att RTS / CTS-paket är värda i varje trafikklass. Användningen av RTS / CTS-mekanismen är också lönsam för korta ljudramar, som ger höga omkostnader för RTS / CTS-ramar.

Problemet med den exponerade stationen löses inte med denna standard, men det kan inte klassificeras så dramatiskt som det dolda stationsproblemet , eftersom det bara leder till en lägre genomströmning.

En vidareutveckling för ad hoc-nätverk är PAMAS-protokollet (Power Aware Multi-Access Protocol with Signaling Ad Hoc Networks).

Skillnaden mot MACA är att mottagare som hör RTS / CTS-signalen stängs av under hela sändningen. Detta är möjligt eftersom RTS / CTS innehåller paketstorlek. Dessutom sparas energi genom att noderna stängs av med jämna mellanrum.

Jämfört med MACA har PAMAS energibesparingar på upp till 70%. Detta beror på graden av nätverk. Nackdelen med MACA och PAMAS är den lägre genomströmningshastigheten - orsakad av begränsningen av överföringar till endast en i ett område med ömsesidigt tillgängliga noder.

PCF-samordning

CSMA / CA PCF ( P oint C COORDINATION F unction) är en annan metod för att undvika kollisioner i trådlösa nätverk ( trådlösa LAN ), där åtkomstpunkten styr mediaåtkomsten centralt.

För detta ställer åtkomstpunkten nästa konfliktperiod (CP, C ontention P a contention free period (CFP, eriod) C ontention F ree P a eriod). I CFP, efter att ha väntat på PIF S , begär AP alla stationer att skicka en dataram . En station som är villig att skicka kan börja skicka efter att ha väntat på SIFS , sedan fortsätter AP att skicka omröstningspaket efter att ha väntat på SIFS.

CSMA / CA PCF är valfritt och implementeras därför sällan.

litteratur

  • R. Michael Buehrer: CDMA ( Code Division Multiple Access). 1: a upplagan. Morgan & Claypool, 2006, ISBN 1-59829-040-1 .
  • Volker Jung, Hans-Jürgen Warnecke (red.): Handbok för telekommunikation. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1998, ISBN 3-642-97703-0 .
  • Mark A. Dye, Rick McDonald, Antoon W. Rufi: Networking Basics. ' Guide för CCNA-utforskning. Addison + Wesley Verlag, München 2008, ISBN 978-3-8273-2685-0 .
  • Dirk Traeger: LAN-övning av lokala nätverk . Springer Fachmedien, Berlin / Heidelberg, ISBN 978-3-519-06189-2 .

Se även

webb-länkar

Individuella bevis

  1. ^ Hermann Pommer: Roaming mellan trådlösa lokala nätverk . VDM 2008, ISBN 978-3-8364-8708-5 , s. 179.