CSMA/CD
topic - Kurzbeschreibung
Beschreibung
Der englische Begriff Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) (zu Deutsch: „Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionserkennung“) bezeichnet ein asynchrones Medienzugriffsverfahren (Protokoll), das den Zugriff verschiedener Stationen (beispielsweise Computer samt ihren Netzwerkanschlüssen) auf ein gemeinsames Übertragungsmedium regelt.
- Auf dem gemeinsamen Übertragungsmedium muss gleichzeitiges Senden und „Lauschen“ möglich sein, wie z. B.
- im Stromnetz (siehe dLAN) oder bei Ethernet über Koaxialkabel.
- CSMA/CD ist eine Erweiterung von CSMA.
- Verwendung findet CSMA/CD beispielsweise im Bereich der Computernetze beim PowerLAN; für Ethernet ist er als IEEE 802.3 standardisiert worden.
- Bei Wireless LANs wird ein deutlich anderer Mechanismus namens Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) benutzt.
- Der im Automobilbereich verwendete CAN-Bus verwendet einen Mechanismus namens Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR).
- Ein Algorithmus mit dem Namen „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection“ (CSMA/CD) regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium.
- In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Diskussionsrunde ohne Moderator, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen.
- Bevor sie zu sprechen beginnen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast zu reden aufgehört hat.
- Wenn zwei Gäste zur gleichen Zeit zu sprechen beginnen, stoppen beide und warten für eine kurze, zufällige Zeitspanne, bevor sie einen neuen Anlauf versuchen.
- Die Stelle, die Daten senden möchte, lauscht also auf dem Medium (Carrier Sense), ob es bereits belegt ist und sendet erst, wenn die Leitung frei ist.
- Da zwei Stellen gleichzeitig zu senden anfangen können, kann es trotzdem zu Kollisionen kommen, die dann festgestellt werden (Collision Detection), woraufhin beide Stellen noch kurz ein „Störung-Erkannt“-Signalmuster erzeugen, dann mit dem Senden aufhören und eine zufällige Zeit warten, bis sie einen erneuten Sendeversuch starten.
- Hierzu muss ein Sender während des Sendens zugleich auf dem Medium lauschen, ob ein anderer Sender mit ihm kollidiert.
- Daher sind Medien ungeeignet für CSMA/CD, wenn eine hohe Sendeleistung notwendig ist und einem sehr schwachen Empfangssignal gegenübersteht, das dann „untergeht“.
- CSMA/CD
Es ist wichtig, zu verstehen, dass mit dem Namen Ethernet gar keine einheitliche Netzwerkhardware bezeichnet wird.
- Vielmehr handelt es sich um einen Sammelnamen für diverse Netzwerkstandards, die ein bestimmtes Netzzugangsverfahren verwenden.
- Insofern sind alle Ethernet-Varianten auf der OSI-Schicht 2 identisch, unterscheiden sich aber auf der untersten Schicht.
Als der Vorläufer von Ethernet Ende der 60er-Jahre des vorigen Jahrhunderts an der Universität von Hawaii konzipiert wurde (anfangs unter dem geografisch passenden Namen ALOHANet), handelte es sich zunächst um Datenfunk.
- Diesem Umstand ist übrigens auch der endgültige Name zu verdanken: ether, zu Deutsch Äther, ist das gedachte Medium, durch das sich Funkwellen fortpflanzen.
- Erst in den 70er-Jahren wurde dasselbe Netzzugangsverfahren auch für die Datenübertragung per Kabel eingesetzt, und zwar zunächst über Koaxialkabel.
Das gemeinsame Netzzugangsverfahren aller Ethernet-Formen trägt den Namen CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.
- Schematisch gesehen funktioniert dieses Verfahren wie folgt
- Ein Gerät, das Daten senden möchte, lauscht den Netzabschnitt ab, um festzustellen, ob dieser gerade frei ist, das heißt, ob gerade kein anderes Gerät sendet (Carrier Sense).
- Wurde in Schritt 1 festgestellt, dass der Netzabschnitt frei ist, beginnt die Station mit dem Senden der Daten.
- Möglicherweise hat auch eine andere Station festgestellt, dass das Netz frei ist, und beginnt gleichzeitig ebenfalls mit dem Senden (Multiple Access).
- Falls auf die beschriebene Art und Weise zwei Stationen gleichzeitig mit dem Senden begonnen haben, findet eine sogenannte Datenkollision statt, die von den beteiligten Stationen entdeckt wird (Collision Detection).
- Eine Station, die eine Kollision bemerkt, stellt das Senden von Nutzdaten ein und versendet stattdessen eine Warnmeldung (Jam Signal).
- Eine Station, die wegen einer Datenkollision das Senden abgebrochen hat, beginnt nach einer zufällig gewählten Zeitspanne von wenigen Millisekunden erneut mit dem Senden.
- Genau diese Zufälligkeit der Zeitspanne, die nach einem komplizierten Verfahren berechnet wird, ist enorm wichtig, damit die beiden Stationen beim nächsten Versuch nicht wieder genau gleichzeitig mit dem Senden beginnen.
Das große Problem von Ethernet besteht darin, dass das CSMA/CD-Verfahren umso ineffektiver wird, je frequentierter der jeweilige Netzabschnitt ist: Ab einem gewissen Grenzwert überschreitet die Anzahl der Datenkollisionen die Menge der Nutzdaten.
- Heutzutage umgeht man dieses Problem in der Regel durch die Verwendung sogenannter Switches, die für zwei miteinander kommunizierende Stationen jeweils eine exklusive Punkt-zu-Punkt-Verbindung einrichten.
- Wo diese Möglichkeit aufgrund veralteter, inkompatibler Hardware nicht zur Verfügung steht, muss ein Netz mit viel Datenverkehr stattdessen segmentiert, das heißt in kleinere Abschnitte unterteilt werden.
Funktion und Ablauf
Wenn ein Gerät Daten senden möchte, hält es sich an folgenden Ablauf:
- 1. Horchen: Zuerst muss das Medium überwacht werden, ob es belegt ist.
- → Frei: Wenn das Medium eine bestimmte Zeit lang (IFS) frei ist, weiter mit Schritt 2.
- → Belegt: Weiter mit Schritt 1.
- 2. Senden: Informationsübertragung, zugleich wird das Medium fortwährend weiter abgehört.
- → Erfolg (keine Kollision bis Übertragungsende): Übertragung ist erfolgreich abgeschlossen und es wird eine Erfolgsmeldung an höhere Netzwerkschichten gemeldet; weiter mit Schritt 5.
- → Kollision: Wird eine Kollision entdeckt, beende die Datenübertragung und sende ein kurzes, definiertes Störsignal (jam) auf die Leitung, um sicherzustellen, dass alle anderen Transceiver die Kollision ebenfalls erkennen, dann weiter mit Schritt 3.
- 3. Leitung ist belegt: Überprüfung der Anzahl der Übertragungsversuche:
- → Maximum nicht erreicht: Eine zufällige Zeit (Backoff, s.
- u.) abwarten, dann wieder bei Schritt 1 beginnen.
- → Maximum erreicht: Weiter mit Schritt 4.
- 4. Fehler: Maximale Anzahl von Übertragungsversuchen wurde überschritten.
- Ein Fehler wird an die höheren Netzwerkschichten gemeldet, weiter mit Schritt 5.
- 5. Ende: Übertragungsmodus verlassen
Siehe auch
Unterseiten
Sicherheit
Dokumentation
RFC
Man-Pages
Info-Pages
Links
Einzelnachweise
Projekt
Weblinks
- IEEE 802.3 IEEE 802.3 CSMA/CD (ETHERNET)
Testfragen
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