CSMA/CA

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Beschreibung

CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
Das WLAN-Übertragungsmedium ist mit dem früheren Koax-Ethernet vergleichbar. Alle Stationen teilen sich das Übertragungsmedium und es kann nur eine Station senden. Wer wann senden darf, wird über das Zugriffsverfahren CSMA/CA geregelt. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ist ein Mehrfachzugriffsverfahren. Es sieht vor, dass jede Station vor dem Senden prüfen muss, ob das Medium frei ist. Erst dann ist die Übertragung erlaubt. Das schließt natürlich nicht aus, dass zwei Stationen das Medium als frei erkennen und gleichzeitig senden. Dann tritt eine Kollision auf. Dabei überlagern sich die Signale. Die Daten sind unbrauchbar. Beim Kabel-Ethernet können die Stationen mit CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) die Kollision schon während der Übertragung erkennen, den Vorgang abbrechen und nach einer zufälligen Wartezeit einen erneuten Versuch starten. Beim Funk reicht das nicht aus. Mit 802.11 wurde deshalb ein Bestätigungspaket (ACK) eingeführt. Das ACK-Paket wird genauso behandelt, wie ein normales Datenpaket. Es besteht aus dem 802.11-Header und dauert 24 µs. Das ACK-Paket wird nach einer kurzen Wartezeit (SIFS) zurückgeschickt. Erst danach gehen andere Datenpakete auf die Reise. Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.

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Was lernen Sie in diesem Kurs?

WLAN
Access
Carrier

Themenkreis

CSMA/CA DCF

Die Distributed Coordination Function (DCF) verteilt die Zugriffsregeln auf die Stationen. Im DCF benutzt das MAC-Protokoll CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).

Durch das Übertragungsverfahren ergeben sich bei Funknetzen besondere Schwierigkeiten. Eine drahtlose Sendestation kann bspw. keine Signalkollision feststellen. Das eigene Signal überdeckt die Signale der anderen Stationen. Kollisionen lassen sich in einem Funknetzwerken von Störungen nicht unterscheiden. Deshalb wird im Vergleich zu den drahtgebundenen Ethernet-Varianten (mit CSMA/CD) auf eine Kollisionserkennung (Collision Detection, CD) verzichtet. Stattdessen wird eine Kollisionsvermeidung (Collision Avoidance, CA) eingesetzt.

Bevor eine WLAN-Station sendet stellt sie sicher, dass der Empfänger zum Empfang bereit und das Übertragungsmedium frei ist. Dieses Vorgehen wird als Listening before Talking (LBT) bezeichnet. Zu Deutsch: Hören vor dem Sprechen.
Bevor also eine Wireless-Station sendet hört sie in das Medium hinein, in diesem Fall die Funkschnittstelle, ob gerade eine andere Station sendet. Ist die Funkschnittstelle belegt, wartet die Station eine zufällige Zeit ab und hört erneut in das Medium hinein. Ist das Medium frei, kann die Station mit der Übertragung beginnen, andernfalls wird die Station erneut eine zufällige Zeit warten.

CSMA/CA und RTS/CTS


Durch Um das Risiko der mehrmaligen Funkschnittstellen-Belegung und Sende-Kollisionen zu vermeiden, muss jede Station die Funkschnittstelle explizit reservieren, bevor sie belegt werden darf. Dazu wird das RTS/CTS-Verfahren angewendet.
Für die Kollisionsvermeidung gibt es in der MAC-Schicht einen Virtual-Collision-Detection-(VCD-)Modus, der die Rahmen Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS) enthält. Bevor irgendwelche Daten gesendet werden erfolgt folgender Ablauf:

  1. Die WLAN-Station verlangt einen freien Kanal.
  2. Die WLAN-Station identifiziert einen freien Kanal.
  3. Die WLAN-Station sendet ein RTS auf diesen Kanal.
  4. Der Access Point (AP) sendet ein CTS.
  5. Die WLAN-Station sendet die Daten.
  6. Der Access Point (AP) sendet ein Acknowledgement (ACK) zur Empfangsbestätigung.

Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-Signal an Empfänger B. Erkennt der Empfänger B den Kanal als frei, sendet er ein CTS-Signal. Dieses Signal hören alle Stationen, die mit der Funkzelle des Empfängers B Kontakt haben. Damit ist dieser Kanal für eine bestimmt Übertragungszeit von Sender A zu Empfänger B reserviert.
Das Acknowledgement (ACK), die Empfangsbestätigung nach der Datenübertragung, ist ein weiterer Teil des CSMA/CA. Beim Eintreffen des Paketes sendet der Empfänger dem Sender eine Empfangsbestätigung. Bleibt diese beim Sender aus, schickt er das Paket noch einmal. Ohne ACK ist der Sender bevorrechtigt das Funkmedium nochmals zu nutzen. Kurzzeitige Störungen (Interferenzen) auf dem Funkmedium werden so umgangen, ohne das der Anwender etwas davon mitbekommt. Länger andauernde Störungen durch andere Funk-Anwendungen im selben Frequenzbereich lassen erst die Übertragungsrate sinken. Wenn die Störungen sich auch so nicht umgehen lassen, bricht das Funknetzwerk zusammen.

CSMA/CA PCF

In einem WLAN kann es vorkommen, dass sich nicht alle WLAN-Stationen kennen. Dieses Problem nennt sich Hidden-Node oder Hidden-Terminal. Besonders problematisch ist der Fall, wenn sich mehrere Stationen außerhalb der Reichweite anderer Stationen befinden. Dabei kann es zum fälschlichen Erkennen eines freien Kanals kommen.
Die PCF (Point Coordination Function) in IEEE 802.11 ist eine weitere Zugriffsregelung des MAC-Layers. Die PCF unterstützt Quality of Service (QoS), das bestimmte Charakteristiken bei der Übertragung für bestimmte Kommunikationsanforderungen garantiert.

Für PCF ist ein Access Point erforderlich, der mittels einer Kanalreservierung die Senderechte an die mobilen Stationen vergeben kann. Dieser Vorgang wird als Polling bezeichnet. Dabei fragt der Access Point die Stationen innerhalb seiner Zelle nacheinander ab, ob sie Daten versenden wollen. PCF ist deshalb optimal für die Abwicklung von zeitkritischem Datenverkehr geeignet. DCF und PCF lassen sich auch parallel zueinander einsetzen. PCF hat allerdings eine höhere Priorität.

Nachteile durch CSMA/CA

Die Sicherungsfunktionen, die durch CSMA/CA auf dem MAC-Schicht vorhanden sind, können in den oberen Protokoll-Schichten zu Problemen führen. Kommt es bereits auf dem MAC-Schicht zu Datenverlusten, verzögern sich die Datenpakete. Dies führt zu verlängerten Übertragungszeiten, die z. B. TCP/IP mit bestimmten Mechanismen zur Bestätigung von Datenpaketen durch den Empfänger erhöht. Dies führt zu erhöhtem Datenaufkommen durch die vermehrten Bestätigungsmeldungen. Diese Schwierigkeiten sind häufig dafür verantwortlich, dass die Performance von drahtlosen Netzen deutlich unter der von drahtgebundenen Netzwerken liegt.

Weitere verwandte Themen:
  • IEEE 802.11 / WLAN-Grundlagen
  • WLAN-Übertragungstechnik
  • WLAN-Frequenzen
  • WLAN-Topologie
  • CSMA/CD und Kollisionen

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