Carrier Sense Acceso múltiple con detección de colisiones

Acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD) es un método de control de acceso medio (MAC) que se utiliza sobre todo en las primeras tecnologías Ethernet para redes de área local.. Utiliza detección de portadora para diferir transmisiones hasta que ninguna otra estación esté transmitiendo. Esto se usa en combinación con la detección de colisiones en la que una estación transmisora detecta colisiones detectando transmisiones de otras estaciones mientras transmite una trama. Cuando se detecta esta condición de colisión, la estación deja de transmitir esa trama, transmite una señal de atasco y luego espera un intervalo de tiempo aleatorio antes de intentar reenviar la trama.

CSMA/CD es una modificación del acceso múltiple con detección de portador (CSMA) puro. CSMA/CD se utiliza para mejorar el rendimiento de CSMA al finalizar la transmisión tan pronto como se detecta una colisión, lo que reduce el tiempo necesario antes de que se pueda intentar un reintento.

Con la creciente popularidad de los conmutadores Ethernet en la década de 1990, IEEE 802.3 dejó de utilizar los repetidores Ethernet en 2011, lo que hizo que la operación CSMA/CD y semidúplex fuera menos común y menos importante.

Procedimiento

algoritmo simplificado de CSMA/CD incluyendo la lógica de retransmisión utilizada para resolver una colisión detectada.

El siguiente procedimiento se utiliza para iniciar una transmisión. El procedimiento finaliza cuando la trama se transmite con éxito o se detecta una colisión durante la transmisión.

1. ¿Está listo un marco para la transmisión? Si no, espera un marco.
2. ¿Es mediana ociosa? Si no, espera hasta que esté listo.
3. Comience a transmitir y monitorear para colisión durante la transmisión.
4. ¿Ha ocurrido una colisión? Si es así, vaya al procedimiento detectado de colisión.
5. Reiniciar los contadores de retransmisión y la transmisión completa del marco.

El siguiente procedimiento se utiliza para resolver una colisión detectada. El procedimiento se completa cuando se inicia la retransmisión o se cancela la retransmisión debido a numerosas colisiones.

1. Continuar la transmisión (con una señal de mermelada en lugar de encabezamiento/data/CRC) hasta que se llegue al mínimo tiempo de paquete para garantizar que todos los receptores detecten la colisión.
2. Contrato de retransmisión de Incremento.
3. ¿Se alcanzó el número máximo de intentos de transmisión? Si es así, aborta la transmisión.
4. Calcular y esperar el período de backoff aleatorio basado en el número de colisiones.
5. Volver al procedimiento principal en la etapa 1.

Los métodos para la detección de colisiones dependen del medio. En un bus eléctrico compartido como 10BASE5 o 10BASE2, las colisiones se pueden detectar comparando los datos transmitidos con los datos recibidos o reconociendo una amplitud de señal superior a la normal en el bus. En todos los demás medios, una portadora detectada en el canal de recepción durante la transmisión desencadena un evento de colisión. Los repetidores o concentradores detectan colisiones por sí mismos y propagan señales de atasco.

El procedimiento de recuperación de colisión se puede comparar con lo que sucede en una cena, donde todos los invitados hablan entre sí a través de un medio común (el aire). Antes de hablar, cada invitado espera cortésmente a que termine el orador actual. Si dos invitados comienzan a hablar al mismo tiempo, ambos se detienen y esperan períodos de tiempo cortos y aleatorios (en Ethernet, este tiempo se mide en microsegundos). La esperanza es que al elegir cada uno un período de tiempo aleatorio, ambos invitados no elegirán el mismo momento para tratar de hablar nuevamente, evitando así otra colisión.

Señal de atasco

La señal de interferencia o señal de interferencia es una señal que lleva un patrón binario de 32 bits enviado por una estación de datos para informar a las otras estaciones transmisoras de la colisión y que no deben transmitir.

El tiempo de atasco máximo se calcula de la siguiente manera: el diámetro máximo permitido de una instalación Ethernet está limitado a 232 bits. Esto hace un tiempo de ida y vuelta de 464 bits. Dado que el tiempo de ranura en Ethernet es de 512 bits, la diferencia entre el tiempo de ranura y el tiempo de ida y vuelta es de 48 bits (6 bytes), que es el tiempo de atasco máximo.

Esto, a su vez, significa: una estación que nota que se ha producido una colisión está enviando un patrón de 4 a 6 bytes de longitud compuesto por 16 combinaciones de 1-0 bits. Nota: El tamaño de esta señal de atasco está claramente por encima del tamaño de trama mínimo permitido de 64 bytes.

El propósito de esto es garantizar que cualquier otro nodo que pueda estar recibiendo una trama en ese momento reciba la señal de atasco en lugar del CRC MAC de 32 bits correcto, esto hace que los otros receptores descarten la trama debido a un CRC error.

Colisión tardía

Una colisión tardía es un tipo de colisión que ocurre más adentro del paquete de lo que permite el estándar de protocolo en cuestión. En Ethernet de medio compartido de 10 megabits, si se produce un error de colisión después de que la estación transmisora transmita los primeros 512 bits de datos, se dice que ha ocurrido una colisión tardía. Es importante destacar que la NIC no vuelve a enviar las colisiones tardías, a diferencia de las colisiones que ocurren antes de los primeros 64 octetos; se deja que las capas superiores de la pila de protocolos determinen que hubo pérdida de datos.

Como un enlace de red CSMA/CD configurado correctamente no debe tener colisiones tardías, las posibles causas habituales son la falta de coincidencia de dúplex completo/dúplex medio, límites de longitud de cable Ethernet excedidos o hardware defectuoso, como cableado incorrecto, incumplimiento número de concentradores en la red o una NIC defectuosa.

Colisión local

Una colisión local es una colisión que ocurre en la NIC, en lugar de en el cable. Una NIC no puede detectar colisiones locales sin intentar enviar información.

En el cable UTP, una colisión local se detecta en el segmento local solo cuando una estación detecta una señal en el par RX al mismo tiempo que envía en el par TX. Dado que las dos señales están en pares diferentes, no hay un cambio característico en la señal. Las colisiones solo se reconocen en UTP cuando la estación está operando en semidúplex. La única diferencia funcional entre la operación semidúplex y dúplex completo en este sentido es si se permite o no que los pares de transmisión y recepción se utilicen simultáneamente.

Efecto de captura de canal

El efecto de captura de canal es un fenómeno en el que un usuario de un medio compartido "captura" el medio durante un tiempo significativo. Durante este período (generalmente 16 fotogramas), a otros usuarios se les niega el uso del medio. Este efecto se observó por primera vez en redes que utilizan CSMA/CD en Ethernet. Debido a este efecto, la conexión con mayor cantidad de datos domina el canal inalámbrico de acceso múltiple. Esto sucede en los enlaces Ethernet debido a la forma en que los nodos "retroceden" del enlace e intente volver a acceder a él. En el protocolo Ethernet, cuando ocurre una colisión de comunicación (cuando dos usuarios del medio intentan enviar al mismo tiempo), cada usuario espera un período de tiempo aleatorio antes de volver a acceder al enlace. Sin embargo, un usuario esperará ("retrocederá") durante un tiempo aleatorio proporcional al número de veces que ha intentado acceder al enlace sucesivamente. El efecto de captura de canal ocurre cuando un usuario continúa "ganando" el enlace.

Por ejemplo, el usuario A y el usuario B intentan acceder a un enlace silencioso al mismo tiempo. Dado que detectan una colisión, el usuario A espera un tiempo aleatorio entre 0 y 1 unidades de tiempo y también lo hace el usuario B. Digamos que el usuario A elige un tiempo de espera más bajo. Luego, el usuario A comienza a usar el enlace y B le permite terminar de enviar su trama. Si el usuario A todavía tiene más para enviar, entonces el usuario A y el usuario B provocarán otra colisión de datos. Una vez más, A elegirá un tiempo de retroceso aleatorio entre 0 y 1, pero el usuario B elegirá un tiempo de retroceso entre 0 y 3, porque esta es la segunda colisión consecutiva de B. Lo más probable es que A "gane" éste de nuevo. Si esto continúa, lo más probable es que A gane todas las batallas de colisión, y después de 16 colisiones (la cantidad de intentos antes de que un usuario retroceda durante un período de tiempo prolongado), el usuario A habrá "capturado" el canal.

La capacidad de un nodo para capturar todo el medio disminuye a medida que aumenta el número de nodos. Esto se debe a que a medida que aumenta el número de nodos, existe una mayor probabilidad de que uno de los "otros" los nodos tendrán un tiempo de retroceso más bajo que el nodo de captura.

El efecto de captura de canal crea una situación en la que una estación puede transmitir mientras que otras retroceden continuamente, lo que lleva a una situación de injusticia a corto plazo. Sin embargo, la situación es justa a largo plazo porque cada estación tiene la oportunidad de "capturar" el medio una vez que una estación ha terminado de transmitir. La eficiencia del canal aumenta cuando un nodo ha capturado el canal.

Un efecto secundario negativo del efecto de captura sería el tiempo de inactividad creado debido a que las estaciones retroceden. Una vez que una estación termina de transmitir en el medio, se presentan grandes tiempos de inactividad porque todas las demás estaciones retrocedían continuamente. En algunos casos, el retroceso puede ocurrir durante tanto tiempo que algunas estaciones descartan paquetes porque se han alcanzado los límites máximos de intentos.

Aplicaciones

CSMA/CD se usó en variantes de Ethernet de medio compartido ahora obsoletas (10BASE5, 10BASE2) y en las primeras versiones de Ethernet de par trenzado, que usaban concentradores repetidores. Las redes Ethernet modernas, construidas con conmutadores y conexiones full-duplex, ya no necesitan usar CSMA/CD, porque cada segmento Ethernet o dominio de colisión ahora está aislado. CSMA/CD sigue siendo compatible por compatibilidad con versiones anteriores y para conexiones semidúplex. El estándar IEEE 802.3, que define todas las variantes de Ethernet, por razones históricas todavía llevaba el título "Acceso múltiple con detección de portadora con método de acceso de detección de colisión (CSMA/CD) y especificaciones de capa física" hasta 802.3-2008, que utiliza el nuevo nombre "Estándar IEEE para Ethernet".