CSMA/CA
Inhaltsverzeichnis
Was ist CSMA/CA?
Definition
CSMA/CA ist eine moderne Übertragungstechnik, die den Mechanismen in klassischen Ethernet-Netzwerken viel ab verlangt. Es macht für die Kommunikation der Teilnehmer einen großen Unterschied, ob sie eine drahtlose Verbindung oder eine kabelgebundene verwenden. Damit es zu keinen Kollisionen der Datenpakete kommt, weil alle Geräte gleichzeitig senden, muss die Kommunikation gewissen Regeln folgen. Um dies zu gewährleisten, folgen alle Teilnehmer den Regeln von Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA).
In einem Local Area Netzwerk (LAN) nutzen alle Endgeräte dasselbe Medium zur Übertragung Ihrer Daten. Das ist ein sogenannter Bus bzw. ein Kabel. In drahtlosen Netzwerken existieren diese Kabel zwar nicht, dennoch senden und empfangen alle Teilnehmer über ein einziges Übertragungsmedium, ein bestimmter Funkbereich. Das heißt, auch im WLAN-Bereich muss ein Protokoll die Kommunikation regeln, damit eine problemlose Übertragung der Daten gewährleistet wird.
Die wichtigste Regel im CSMA/CA ist: Es darf immer nur ein Teilnehmer gleichzeitig Daten senden. Wenn mehrere gleichzeitig senden, kommt es zur Überlagerung der Daten bzw. zu einer Kollision. Dadurch treffen die Datenpakete aufeinander und verfremden ihre Inhalt
CSMA/CA verringert die Häufigkeit solcher Kollisionen und stellt gleichzeitig einen Plan bereit, wie im Falle einer Kollision vorgegangen wird. Vor allem in drahtlosen Netzen ist das Protokoll von Bedeutung, da hier die Sendung von Daten nicht so geordnet verlaufen kann, wie in kabelgebundenen Netzen.
Definition CSMA/CA
Das Problem der Hidden-Stations
Das Hidden-Station Problem besteht in drahtlosen Netzwerken und wird durch die begrenzte Reichweite verursacht. Es kann passieren, dass sich zwei oder mehrere Teilnehmer in einem Netzwerk nicht wahrnehmen. Es ist also möglich, dass zwei Teilnehmer an eine Station senden, die zwischen Ihnen liegt. Die gesendeten Daten der beiden Teilnehmer überlagern sich dann am Empfängerknoten und gehen verloren. Da beide Sender die Kollision nicht erkennen, unternehmen sie keinen weiteren Sendungsversuch. CSMA/CA allein kann dieses Problem nicht beheben. Es wurde aber eine optionale Erweiterung entwickelt: RTS/CTS (“Request to Send” und “Clear to Send”).
Wie funktioniert CSMA/CA?
Grundprinzip hinter CSMA/CA ist “Listen before Talk”. Es wird also zunächst überprüft ob der Kanal frei (idle) ist, bevor ein Gerät übertragen darf. Das ist allerdings nur der erste Schritt. Es gibt noch weitere Funktionen, die dazu beitragen, dass Kollisionen vermieden werden.
Der Network Allocation Vector (NAV)
Bevor ein Teilnehmer mit der Übertragung beginnt, sendet er eine Information an alle anderen Geräte und teilt mit, wie lange der Übertragungskanal belegt sein wird. Diese Information wird von jedem Gerät in einem individuellen Netzbelegungsvektor hinterlegt. Dieser gibt die Zeit an, wann ein Übertragungsversuch wieder möglich ist. Der NAV zählt dabei fortlaufen runter und wird durch die Informationen von anderen Geräten wieder hochgesetzt.
Ein NAV kann den Timer maximal 33 ms nach oben setzen. Das ist die höchste Dauer, für die ein Sender den Kanal beanspruchen darf. Die Geräte im Netz sind inaktiv, solang der Netzbelegungsvektor nicht abgelaufen ist. Erst wenn der Timer 0 erreicht, werden die Teilnehmer aktiv und prüfen das Netz erneut. Der NAV wird durch den RTS, CTS und ACK beeinflusst. Der ACK ist ein Signal für alle Teilnehmer, den NAV auf 0 zu setzen, da der Kanal wieder frei ist.
Der Ablauf des CSMA/CA im Überblick
Wenn die Geräte in einem drahtlosen Netzwerk den Regeln von CSMA/CA folgen, müssen sie bestimmte Schritte einhalten. Erst überwachen die Station den Übertragungskanal. Im WLAN prüft der Carrier Sense den Funkkanal, um festzustellen, ob andere Teilnehmer gerade senden. Ist dies der Fall, wird ein zufällig generierter Backoff eingeleitet.
Die Stationen wartet eine bestimmte Zeitspanne ab, bevor sie erneut den Kanal prüft. Alle anderen Stationen, die nicht senden oder empfangen, machen das Gleiche. Die zufällig bestimmte Zeitspanne sorgt dafür, dass nicht alle Gerät wieder zur gleichen Zeit beginnen das Netz zu prüfen und Daten zu senden. Das passiert jedoch nur, wenn der Station ohnehin schon durch den Netzbelegungsvektor (NAV) bekannt ist, dass das Netz gelegt ist.
Ist das Netz frei leitet die Station DCF (Distributed Coordination Function) ein: Der Kanal wird für die dauer des DIFS weiterhin geprüft. Sollte dieser für die Zeitspanne frei sein, startet ein zufälliger Backoff und erst dann beginnt der RTS/CTS-Austausch (falls dieser optionale Mechanismus genutzt wird). Ist der Request to Send (RTS) ohne Kollision beim Empfänger angekommen, erhält der Sender durch den Clear-to-Send-Frame (CTS) die Befugnis, den Übertragungskanal zu nutzen.
Zur gleichen Zeit werden alle Teilnehmer informiert, dass das Netz gerade belegt ist. Dadurch setzen die Geräte ihren Netzbelegungsvektor hoch und warten bis zu einer erneuten Prüfung, bis der Kanal wieder frei ist. Jetzt beginnt die Station mit der Übertragung ihrer Daten. Ist diese abgeschlossen, wartet der Empfänger für die Zeitspanne eines SIFS und sendet dann einen ACK-Frame. Damit bestätigt er dem Sender den Empfang und setzt den Netzbelegunsvektor auf 0 zurück. Das Netzt ist nun wieder frei für eine neue Übertragung.
Pro und Contra von CSMA/CA
CSMA/CA löst zwar einige Probleme in drahtlosen Netzen, dennoch bringt das Verfahren auch Nachteile. Gewisse Problemsituationen können nicht gelöst werden und es entstehen zusätzlich neue Schwierigkeiten.
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