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| = TMP =
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| == Kollisionen und Kollisionserkennung ==
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| {{Hauptartikel|Kollisionsdomäne}}
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| Bei Netzübertragungsverfahren wie Ethernet findet eine paketorientierte Datenübertragung in [[Datagramm]]en ([[Datenframe]]s) auf einem gemeinsam genutzten Medium (Funk, Kabel), oder abstrakter, innerhalb einer gemeinsamen [[Kollisionsdomäne]] statt.
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| * Es wird weder ein endloser Datenstrom erzeugt noch werden Zugriffe auf das Medium irgendwo zentral deterministisch gesteuert.
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| * Daher ist es möglich, dass mehrere Stationen dasselbe Medium (z.
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| * B. [[Koaxialkabel]]) zeitgleich verwenden wollen.
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| * Hierdurch können Kollisionen entstehen, welche die übertragenen Signale unbrauchbar machen.
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| * Um dies zu handhaben, wird das CSMA/CD-Verfahren eingesetzt.
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| * Aufgabe des CSMA/CD-Verfahrens ist es, auftretende Kollisionen zu erkennen, zu reagieren und zu verhindern, dass sie sich wiederholen.
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| Von einer Kollision spricht man, wenn sich zwei (oder mehr) Signale gleichzeitig auf einer gemeinsamen Leitung befinden.
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| * Dabei überlagern sich die beiden elektrischen Signale zu einem gemeinsamen Spannungspegel.
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| * Die Folge ist, dass der Empfänger das elektrische Signal nicht mehr in die einzelnen logischen Signale (Bit) unterscheiden kann.
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| Das Verfahren ist, verglichen mit [[Tokenweitergabe|Token-Passing]]-Verfahren (z.
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| * B. [[Token Ring]]) oder Master-kontrollierten Netzen (z. B. [[Integrated Services Digital Network|ISDN]]), relativ einfach, was auch entscheidend zu seiner Verbreitung beigetragen hat.
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| * In moderneren Ethernetsystemen (z. B. [[Fast Ethernet]]) werden überwiegend Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet, bei denen Sende- und Empfangsmedium getrennt sind und somit keine Kollisionen mehr entstehen können.
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| * Hierzu werden gepufferte aktive Verteiler ([[Switch (Computertechnik)|Switches]]) eingesetzt.
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| === Physische Kollisionserkennung ===
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| Signale sind beispielsweise als Spannungspegel messbar, wobei eine Überlagerung von Signalen eine Addition der Spannungspegel bedeutet.
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| * Eine Kollision von Signalen kann dabei zur Überschreitung eines Schwellwertes der Gleichspannungsanteile führen, oder andere für „gültige Signale“ definierte Signal-Eigenschaften verletzen.
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| * Diese Abweichung kann von allen (auch den momentan unbeteiligten) Kommunikationspartnern erkannt und als Kollision identifiziert werden.
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| === Zusammenhang: Netzwerkausdehnung und Kollisionserkennung ===
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| [[Datei:Csma-cd-roundtrip.svg|300px|mini|Zeigt das Senden von Alpha nach Omega|rechts]]Eine Kollision muss insbesondere vom Sender erkannt werden, damit er eine [[Sendewiederholung]] durchführen kann.
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| * Abhängig von der Übertragungsrate, der Signalausbreitungsgeschwindigkeit und der maximalen Distanz der Teilnehmer ergibt sich eine minimale Paketlänge (eigentlich [[Datenframe|Framelänge]]), damit garantiert werden kann, dass eine Kollision den Sender noch erreicht, bevor er sein Paket komplett gesendet hat (und als „fehlerfrei übertragen“ einstufen würde).
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| * Die Sendedauer für einen Frame minimaler Länge muss daher so dimensioniert sein, dass die maximale RoundTripDelayTime (RTDT) nicht unterschritten wird – also die Zeit, die ein Datenpaket<ref group="Anmerkung_Coll">Für die Festlegung der RoundTripDelayTime muss nicht ein ''ganzes'' Datenpaket vom einen bis zum anderen Ende des Mediums und wieder zurück gelangen - es genügt ein Beginn-Abschnitt, der ausreichend lang für eine zuverlässige Kollisionserkennung ist.</ref> benötigt, um vom einen Ende des Netzes zum weitestentfernten anderen Ende des Netzes zu gelangen – und wieder zurück.
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| * Dadurch wird sichergestellt, dass eine Kollision, die erst kurz vor dem zweiten Sender auftritt (ungünstigster Fall<ref group="Anmerkung_Coll">Ungünstigster Fall: Sender_1 und Sender_2 befinden sich an den äußersten Enden eines maximal langen Mediums, Sender_2 beginnt zu senden, als ihn das Signal von Sender_1 fast erreicht hat.</ref>), sich noch bis zum ersten Sender ausbreiten kann, bevor dieser das Senden beendet hat.
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| * Somit erkennt der Sender die Kollision, weiß dass sein Frame nicht richtig beim Empfänger ankommen konnte und sendet den Frame erneut.
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| Damit die Kollisionserkennung zuverlässig funktioniert, wurde eine maximal zulässige Netzwerkausdehnung und eine dazu passende minimale Framelänge (64 Byte) für Ethernet festgelegt.
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| * Sollen „zu kurze“ Frames übertragen werden, müssen diese dazu nötigenfalls auf eine zulässige minimale Paketlänge verlängert werden.
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| * Wären die Pakete zu klein, was die gleiche Wirkung wie ein zu großes Netz (zu hohe RTDT) hätte, könnte es zu vom Sender unerkannten Kollisionen kommen, und der gesamte Netzverkehr könnte beeinträchtigt werden.
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| * Solche Störungen sind tückisch, da Übertragungen bei niederer Netzlast oder auch bei bestimmten Paketgrößen normal funktionieren können.
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| * In die RTDT gehen auch Repeater und Hubs ein, die messbare Verzögerungszeiten bewirken, jedoch keine „Mediums-Ausdehnung“ haben.
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| * Daher ist es praktikabler, von Zeiten als von Mediumslängen zu sprechen.
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| <references group="Anmerkung_Coll" />
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| === Beispiel ===
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| In einem Netz mit maximaler Ausdehnung (~maximale RoundTripDelayTime) sind die Stationen ''Alpha'' und ''Omega'' die beiden am weitesten auseinanderliegenden Stationen.
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| * Das Medium ist frei und ''Alpha'' beginnt mit der Übertragung.
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| * Bis ''Omega'' bemerkt, dass ''Alpha'' sendet, dauert es genau eine halbe RoundTripDelayTime – die Zeit, welche die Signale von ''Alpha'' brauchen, um bis zur Station ''Omega'' zu gelangen.
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| * Hat nun ''Omega'' auch etwas zu übertragen und beginnt unmittelbar vor dem Eintreffen der Signale von ''Alpha'' mit dem Senden – als aus Sicht von ''Omega'' die Leitung ja noch frei war – kommt es zunächst knapp vor ''Omega'' zur Kollision. ''Omega'' bemerkt die Störung seiner Aussendung, sendet „JAM“ und bricht das Senden ab.
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| * Bis jetzt auch ''Alpha'' die Kollision bemerkt, dauert es noch eine weitere halbe RTDT – die Zeit, welche die (ersten) Signale von ''Omega'' brauchen, um bis zur Station ''Alpha'' zu gelangen.
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| * Damit ''Alpha'' die Kollision bemerkt (und später eine Sendewiederholung initiieren kann), muss ''Alpha'' also noch solange weiter senden, bis ausreichend Signale von ''Omega'' eingetroffen sind.
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| * Außerdem müssen alle Stationen, die das (Teil-)Paket von ''Alpha'' empfangen haben, (rechtzeitig) über die Kollision informiert werden (-> JAM).
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| * Die minimale Sendedauer (~ minimale Paketgröße) muss also stets größer sein als die RTDT (~ doppelte maximale Signallaufzeit des Netzes).
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| === Beispielrechnung für die maximale Länge ===
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| Um die maximale Ausdehnung zwischen zwei Stationen zu berechnen, bei der eine Kollisionserkennung noch gewährleistet ist, gilt:
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| :<math>2 \cdot s_\mathrm{max} = v \cdot t_\text{Frame}</math>, Signalgeschwindigkeit <math>v</math> und Sendedauer <math>t_\text{Frame}</math>
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| Die Signalgeschwindigkeit <math>v</math> ergibt sich aus der [[Lichtgeschwindigkeit]] <math>c</math>, multipliziert mit dem [[Verkürzungsfaktor]] VKF.
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| * Bei Koaxialkabel beträgt dieser ca. 0,7.
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| Die Sendedauer <math>t</math> berechnet sich aus der Übertragungsdauer für ein [[Bit]], multipliziert mit der Anzahl der Bit.
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| * Die Anzahl der Bit beträgt bei einem Ethernetframe 512 (=64 Byte).
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| * Dies umfasst nur den eigentlichen Datenrahmen, zu dem noch die 8 Byte der Präambel und des so genannten Start of Frame Delimiter hinzugefügt werden muss, in Summe also 576bit (72 Byte).<ref>{{Internetquelle |autor= |url=https://standards.ieee.org/standard/802_3-2018.html |titel=IEEE 802.3-2018 - IEEE Standard for Ethernet |werk= |hrsg= |datum= |seiten=Abbildung 3-1 |abruf=2021-01-21 |sprache=}}</ref>
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| Die Übertragungsdauer eines Bit hängt von der Bitübertragungsgeschwindigkeit <math>v_\mathrm{bit}</math> ab.
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| * Bei 10 MBit/s dauert ein Bit 100 ns.
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| * Somit dauert der minimale Ethernet-Rahmen 57,6 µs.
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| :<math>2 \cdot s_\mathrm{max} = v \cdot t_\text{Frame} = c \cdot VKF \cdot 576 \cdot \frac 1 {v_\mathrm{Bit}} = 3 \cdot 10^8\, \mathrm{\frac m s} \cdot 0{,}7 \cdot 576{,}0 \cdot 100\,\mathrm{ns} = 12096\,\mathrm{m}</math>
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| Die maximale Länge bei [[10BASE5]] beträgt 2500 m, bei [[10BASE2]] nur 185 m.
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| * Die Kollisionserkennung ist gewährleistet.
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| === Kollisionserkennung ===
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| Damit die Kollision festgestellt und eine Sendewiederholung initiiert werden kann, müssen die [[Datenframe]]s abhängig von der Leitungslänge eine bestimmte Mindestlänge haben – das Störsignal des zweiten Senders muss den ersten erreichen, bevor dieser sein Datenpaket beendet hat (und als „kollisionsfrei gesendet“ betrachtet).
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| * Diese Mindestlänge ergibt sich aus der [[Signalgeschwindigkeit]] und der Übertragungsrate.
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| * Bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s und einer maximalen Entfernung von 2,5 km zwischen zwei Stationen ist eine Mindestlänge von 64 Byte (14 Byte Header, 46 Byte Nutzdaten, 4 Byte CRC) vorgeschrieben.
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| * Kleinere Datenframes müssen entsprechend aufgefüllt werden.
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| * Für eine Übertragungsrate mit 10 Mbit/s (Standard-Ethernet) sind eine maximale Segmentlänge von 100 m sowie vier Repeater erlaubt.
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| * Damit können zwei Stationen bis zu einer Distanz von 500 m direkt verbunden werden.
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| * Bei höheren Übertragungsraten und maximaler Segmentlänge reduziert sich die Anzahl der Repeater aufgrund der physikalischen Abhängigkeiten.
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| * So sind bei Fast-Ethernet (100 Mbit/s) nur zwei Repeater und bei Gigabit-Ethernet (1000 Mbit/s) ein Repeater erlaubt.
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| * Bei 1-Gbit/s-Ethernet (1000 Mbit/s) im (allerdings eher hypothetischen) Halbduplex-Betrieb werden kleine Frames im Ethernet-Paket auf 520 Byte verlängert, um noch eine sichere Kollisionserkennung bei sinnvoller physischer Netzwerkgröße zu erlauben.<ref>IEEE 802.3 Clause 3.2.10 Extension Field, IEEE 802.3 Clause 4.2.3.4 Carrier extension (half duplex mode only)</ref>
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| Auch wenn die Norm IEEE 802.3 den Namen „CSMA/CD“ im Titel hat, spielt die Kollisionsauflösung heute nur mehr in geringem Maße eine Rolle.
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| * Die meisten Netzwerke werden heute im [[Duplex (Nachrichtentechnik)|Vollduplexmodus]] betrieben, bei dem Teilnehmer (Router, Switches, Endgeräte etc.) mittels Punkt-zu-Punkt-Verbindung die Sende- und Empfangsrichtung unabhängig voneinander nutzen können und somit keine Kollisionen mehr entstehen.
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| * Trotzdem blieb das Frame-Format, insbesondere der Frame-Header und die für die Kollisionserkennung vorgeschriebene minimale Frame-Länge, bis hinauf zu 400-Gbit/s-Ethernet, unverändert.<ref>{{cite web|url=http://www.ieee802.org/3/bs/Objectives_14_0320.pdf |title=Objectives |publisher=IEEE 802.3bs Task Force |date=2014-03-20 |accessdate=2015-08-27}}</ref>
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| == Das Backoff-Verfahren bei Ethernet ==
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| [[Datei:CSMA-CD Verfahren.svg|mini|rechts|250px|Diagramm des Ablaufverfahrens]]
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| Muss die Übertragung wegen eines Konflikts abgebrochen werden, so käme es unmittelbar zu einem erneuten Konflikt, wenn die beteiligten Sendestationen sofort nach dem Abbruch erneut senden würden.
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| * Sie müssen daher eine im Allgemeinen unterschiedlich lange Pause einlegen, sodass nur eine der Stationen als erste ihr Senden wiederholt.
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| Bei Ethernet wählen die Konfliktparteien hierzu eine zufällige ganze Zahl ''z'' aus dem Intervall <math>[0; (2^i)-1]</math> (das sog.
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| * Contention Window), wobei <span style="font-family:monospace;">i</span> für die Anzahl der bereits in Folge aufgetretenen Konflikte steht.
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| * Der Bereich der möglichen Warte-Zeitabschnitte steigt also exponentiell, daher wird dieses Verfahren [[Binary Exponential Backoff]] genannt.
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| * Die Sendestation wartet nun den Zeitraum von <span style="font-family:monospace;">z * Slot_time</span> (s. o.) ab und sendet danach erneut, falls das Medium frei ist.
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| * Die Station mit dem kleinsten <span style="font-family:monospace;">z</span> erfährt keinen Konflikt mehr, sofern die anderen Kollisionsbeteiligten nicht denselben z-Wert gezogen haben.
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| Da die Streuung der möglichen Wartezeiten exponentiell mit der Anzahl der aufgetretenen Folgekollisionen wächst, ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass viele Konflikte hintereinander auftreten, da die Konfliktparteien hierzu regelmäßig dieselbe Zufallszahl ziehen müssten.
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| * Daher wird nach 16 Konflikten in Folge der Sendeversuch abgebrochen und ein Systemfehler angenommen.
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| Der Nachteil der Methode ist, dass rechnerisch keinerlei Garantie herrscht, dass ein Paket zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits angekommen ist.
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| * Der Übertragungserfolg hat lediglich eine gewisse ''Wahrscheinlichkeit''.
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| * Das Verfahren ist also nicht ''echtzeitfähig'', wie es etwa bei [[Token Ring]] der Fall ist.
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| Aufgrund der auftretenden Kollisionen ist es nicht möglich, die theoretische Übertragungskapazität eines Mediums voll auszuschöpfen.
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| * In der Praxis kann man davon ausgehen, dass sich im günstigsten Fall etwa 70 % der Nominalleistung erzielen lassen, unter ungünstigeren Bedingungen sind es unter 30 %.
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| * Je mehr Rechner sich im Netzwerk beteiligen und je höher die Auslastung steigt, desto mehr Kollisionen treten auf, und der reell erzielte Datendurchsatz sinkt deutlich ab.
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| == CSMA/CD und der Duplex-Modus ==
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| CSMA/CD ist der [[OSI-Modell#Schicht 2 – Sicherungsschicht|Sicherungsschicht]] des OSI-Modells zuzuordnen.
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| * Es wird von der Ethernetschnittstelle (z.B. Netzwerkkarte) durchgeführt, soweit diese im [[Duplex (Nachrichtentechnik)|Halbduplex]]-Modus betrieben wird – das Netzwerk hat hier signaltechnisch eine [[Bus-Topologie]].
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| Ethernet-Netze können auch in (signal-technischer) [[Stern-Topologie]] verschaltet sein, wobei die einzelnen Anschlüsse zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden.
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| * Hier kann die Schnittstelle in den [[Duplex (Nachrichtentechnik)|Vollduplex]]-Modus umkonfiguriert werden (mitunter automatisch), was CSMA/CD abschaltet, da hier keine Kollisionen mehr auftreten können.
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| * Somit kann die Schnittstelle gleichzeitig senden und empfangen.
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| Auch gibt es gänzlich kollisionsfreie Übertragungsprinzipien wie das [[Token Passing]], es kommt z. B. bei [[ARCNET]] oder [[Token Ring]] zum Einsatz.
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