CSMA

CSMA/CD und Kollisionen (Ethernet)
CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ist ein Zugriffsverfahren
von Ethernet, um auf das Übertragungsmedium zugreifen zu können.
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Carrier Sense (Träger-Zustandserkennung): Jede Station kann feststellen, ob das
Übertragungsmedium frei ist.
Multiple Access (Mehrfachzugriff): Mehrere Stationen können sich das
Übertragungsmedium teilen.
Collision Detection (Kollisionserkennung): Wenn mehrere Stationen gleichzeitig
senden, können sie die Kollision erkennen.
Als Mehrfachzugriffsnetz können mehrere Ethernet-Stationen unabhängig voneinander auf
das Übertragungsmedium zugreifen (Multiple Access). Alle Stationen hören permanent das
Übertragungsmedium ab (Carrier Sense) und können zwischen einem freien und besetzten
Übertragungsmedium unterscheiden. Bei einem freien Übertragungsmedium kann gesendet
werden. Während der Datenübertragung wird überprüft, ob eine andere Station gleichzeitig
gesendet hat und eine Kollision der Daten aufgetreten ist (Collision Detection). Ist keine
Kollision aufgetreten wurde die Übertragung erfolgreich abgeschlossen. Verloren gegangene
Pakete müssen durch Protokolle, wie z. B. TCP, neu angefordert werden. Tritt dies häufiger
auf, werden mehr Datenpakete gesendet und das drückt auf die effektive
Übertragungsgeschwindigkeit des Netzwerks.
Ablauf von CSMA/CD
Das ursprüngliche Ethernet ist eine Bus-Topologie. Welche der angeschlossenen Stationen
senden darf, wird durch das CSMA/CD-Verfahren bestimmt. Will eine Station senden, prüft
sie, ob der Bus frei ist. Ist er frei, so beginnt die Station zu senden. Sie prüft allerdings
weiterhin den Bus. Entsprechen die gesendeten Daten nicht den abgehörten Daten, so hat eine
andere Station gleichzeitig gesendet. Eine Kollision wurde entdeckt und die Übertragung wird
abgebrochen. Der Sender, der das Störsignal zuerst entdeckt, sendet ein spezielles Signal,
damit alle anderen Stationen wissen, dass das Netzwerk blockiert ist. Nach einer zufälligen
Wartezeit wird wieder geprüft, ob der Bus frei ist. Ist das der Fall, wird von neuem gesendet.
Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis die Daten ohne Kollision verschickt werden konnten.
Ist die Übertragung beendet und bis dahin keine Kollision aufgetreten, so nimmt die Station
an, dass die Übertragung fehlerfrei verlaufen ist.
Kollisionen
Kollisionen gehören im Halbduplex-Betrieb zum normalen Betriebsablauf. Sie sind nicht als
Störungen anzusehen. Allerdings werden Kollisionen zur größte Schwachstelle von Ethernet
bzw. dem CSMA/CD-Verfahren, wenn die Anzahl der Kollisionen überhand nimmt. Die
Anzahl der Kollisionen nimmt zu, je mehr Stationen auf das Übertragungsmedium Zugriff
haben.
Durch lange Kabel, sehr viele Stationen und Repeater (Signalaufbereiter und -verstärker)
entstehen je nach Ort der Einspeisung unterschiedliche Signallaufzeiten. Sie führen dazu, dass
eine Station ein freies Übertragungsmedium feststellt und ihr Signal sendet, obwohl das
Signal einer anderen Station bereits unterwegs ist. Es kommt zur Kollision, also der
Überlagerung von zwei Signalen. Durch CSMA/CD ergeben sich Grenzwerte für die
maximale Signallaufzeit und die Rahmengröße. Beides darf nicht überschritten werden.
Solange die Bandbreite von Ethernet nicht mehr als zu 30 Prozent ausgereizt wird, machen
sich Kollisionen kaum bemerkbar. Mit steigender Belastung des Netzwerks nehmen aber auch
die Kollisionen zu. Hier hilft es nur, die Anzahl der Stationen zu reduzieren oder das gesamte
Netzwerk in Teilnetz aufzuteilen.
Kollisionsdomäne
Die Kollisionsdomäne (collision domain) umfasst ein Netzwerk oder auch nur ein
Teilnetzwerk aus Leitungen, Stationen und Kopplungselementen der Schicht 1 (OSIReferenzmodell). In der Kollisionsdomäne müssen die Kollisionen innerhalb einer
bestimmten Zeit jede Station erreichen. Das ist die Bedingung, damit das CSMA/CDVerfahren funktionieren kann. Ist die Kollisionsdomäne zu groß, dann besteht die Gefahr,
dass sendende Stationen Kollision nicht bemerken können. Aus diesem Grund ist die
maximale Anzahl der Station in einer Kollisionsdomäne auf 1023 Stationen begrenzt.
Außerdem gilt, dass sich maximal zwei Repeater-Paare zwischen zwei beliebigen Stationen
befinden dürfen.
Um die Bedingungen für eine einwandfrei funktionierende Kollisionsdomäne einhalten zu
können, wurde die 5-4-3-Repeater-Regel definiert: Es dürfen nicht mehr als fünf (5)
Kabelsegmente verbunden werden. Dafür werden vier (4) Repeater eingesetzt. An nur drei (3)
Segmenten dürfen Endstationen angeschlossen werden.
Hinweis: Die Repeater-Regel gilt für 10Base2 und 10Base5 (Koaxialkabel-Netzwerk). In
Twisted-Pair-Netzwerken muss man die Repeater-Regel nur beim Einsatz von Hubs beachten.
Durch den konsequenten Einsatz von Switches und Routern geht man den Problemen durch
das CSMA/CD-Verfahren aus dem Weg.
Beispiele für Kollisionsdomänen
Wie kann man Kollisionen verhindern?
Grundsätzlich: Je weniger Stationen sich in einer Kollisionsdomäne befinden, desto weniger
Kollisionen können auftreten.
Um Kollisionen zu vermeiden und einen höheren Datendurchsatz zu erreichen, wird ein Netz
auf der Schicht 2 in mehrere Teilnetze aufgeteilt. Bei der Zusammenstellung der Teilnetze ist
es sinnvoll die Stationen in einem Teilnetz zusammenzuschließen, die viel miteinander
kommunizieren.
Wenn man ein logisches Netz mit Switches oder Bridges aufteilt, entstehen mehrere
Kollisionsdomänen. Innerhalb einer Kollisionsdomäne befindet sich dann eine einzelne
Station, ein weiterer Switch oder ein Router in ein anderes Netz. Die Einrichtung von
Kollisionsdomänen reduziert den Datenverlust durch Kollisionen. Das wiederum reduziert
den Netzwerkverkehr, der durch wiederholte Übertragungen verursacht wird.
Wenn man generell nur mit Switches arbeitet, wird der Begriff Kollisionsdomäne nicht mehr
verwendet. In einem Switch bildet jeder Port und der mit einem Kabel verbundenen Station
eine eigene Kollisionsdomäne. Es handelt sich dabei um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung.
Der Switch sorgt dafür, dass nur die Datenpakete an den Port weiterleiten werden, über den
die Ziel-MAC-Adresse des Pakets erreichbar ist.
Halbduplex und Vollduplex
Halbduplex-Ethernet basiert auf dem CSMA/CD-Verfahren. Es handelt sich dabei um das
ursprüngliche Ethernet bis 10 MBit/s. Vollduplex-Ethernet ist eine Weiterentwicklung, die als
Fast Ethernet bezeichnet wird und auf CSMA/CD verzichtet. Auch alle weiteren EthernetEntwicklungen arbeiten im Vollduplex-Betrieb. Die Stationen kommunizieren über Punkt-zuPunkt-Verbindungen direkt miteinander.
Weil Fast Ethernet in der Regel im Vollduplex-Modus arbeitet und damit auf CSMA/CD
verzichtet, ist eine zusätzliche Flusskontrolle erforderlich. Dafür gibt es einen eigenen
Standard: IEEE 802.3x (Flow Control).