Метод множественного доступа с избежанием коллизий (CSMA/CA) в компьютерных сетях.

Введение

Метод множественного доступа к компьютерной сети. Метод доступа с прослушиванием несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA) в компьютерных сетях — это метод множественного доступа к сети, в котором используется прослушивание несущей, но узлы стремятся избежать коллизий, начиная передачу только после того, как канал определен как "свободный". При передаче узлы передают свои пакеты данных целиком. Это особенно важно для беспроводных сетей, где альтернативный метод с обнаружением коллизий CSMA/CD невозможен, поскольку беспроводные передатчики отключают свои приемники во время передачи пакетов. CSMA/CA является ненадежным из-за проблемы скрытого узла. CSMA/CA — это протокол, работающий на канальном уровне.

Подробности

Предотвращение коллизий используется для повышения эффективности метода CSMA, стремясь более равномерно распределить канал между всеми передающими узлами в пределах области коллизий. Carrier Sense (Обнаружение носителя): перед передачей узел сначала прослушивает общую среду (например, отслеживает беспроводные сигналы в беспроводной сети), чтобы определить, передает ли другой узел. Важно отметить, что проблема скрытого узла означает, что передача другого узла может остаться незамеченной на этом этапе. Предотвращение коллизий: если был обнаружен другой узел, мы ждем определенный период времени (обычно случайный), пока этот узел прекратит передачу, прежде чем снова проверить, свободен ли канал связи. Запрос на передачу/Разрешение на передачу (RTS/CTS) может быть опционально использован для координации доступа к общему носителю. Это частично решает проблему скрытых узлов, поскольку, например, в беспроводной сети точка доступа выдает разрешение на передачу только одному узлу за раз. Однако беспроводные реализации 802.11 обычно не используют RTS/CTS для всех передач; они могут полностью отключить эту функцию или, по крайней мере, не использовать ее для небольших пакетов (накладные расходы RTS, CTS и передачи слишком велики для небольших объемов данных). Передача: если среда была признана свободной или узел получил CTS, явно разрешающее передачу, он отправляет кадр целиком. В отличие от CSMA/CD, беспроводному узлу очень сложно одновременно прослушивать и передавать (его передача заглушит любую попытку прослушивания). Продолжая пример с беспроводной сетью, узел ожидает получения подтверждающего пакета от точки доступа, чтобы убедиться, что пакет был получен и контрольная сумма рассчитана правильно. Если такое подтверждение не приходит вовремя, предполагается, что пакет столкнулся с другой передачей, что приводит к переходу узла в режим бинарной экспоненциальной задержки перед повторной попыткой передачи. Хотя CSMA/CA используется в различных проводных системах связи, она особенно полезна в беспроводных локальных сетях из-за распространенной проблемы, когда несколько станций могут видеть точку доступа, но не видят друг друга. Это связано с различиями в мощности передачи, чувствительности приема, а также расстоянии и расположении относительно точки доступа. В результате станция может не "слышать" передачу другой станции. Это так называемая проблема "скрытого узла" или "скрытой станции". Устройства, использующие стандарты на основе 802.11, могут воспользоваться преимуществами предотвращения коллизий (RTS/CTS-обмен, а также функция координации точки), хотя они не включены по умолчанию. По умолчанию они используют механизм обнаружения носителя, называемый экспоненциальной задержкой (или распределенной функцией координации), который предполагает, что станция пытается "прослушать" передачу другой станции перед отправкой. CA или PCF полагается на точку доступа (или "приемник" для ad hoc сетей), предоставляющую станции исключительное право на передачу в течение определенного периода времени после запроса (Request to Send / Clear to Send). CSMA/CA требует определения, свободен ли канал, даже при использовании несовместимых стандартов и перекрывающихся частот передачи. Согласно стандартам, для передатчиков 802.11/Wi-Fi на одном канале передатчики должны передавать по очереди, если они могут обнаружить друг друга даже на 3 дБ выше уровня шума (уровень теплового шума составляет около -101 дБм для каналов 20 МГц). С другой стороны, передатчики будут игнорировать передатчики с несовместимыми стандартами или на перекрывающихся каналах, если сила полученного от них сигнала ниже порогового значения Pth, которое для систем, не являющихся Wi-Fi 6, составляет от -76 до -80 дБм.

Collision avoidance is used to improve the performance of the CSMA method by attempting to divide the channel somewhat equally among all transmitting nodes within the collision domain. Carrier Sense: prior to transmitting, a node first listens to the shared medium (such as listening for wireless signals in a wireless network) to determine whether another node is transmitting or not. Note that the hidden node problem means another node may be transmitting which goes undetected at this stage. Collision Avoidance: if another node was heard, we wait for a period of time (usually random) for the node to stop transmitting before listening again for a free communications channel. Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS) may optionally be used at this point to mediate access to the shared medium. This goes some way to alleviating the problem of hidden nodes because, for instance, in a wireless network, the Access Point only issues a Clear to Send to one node at a time. However, wireless 802.11 implementations do not typically implement RTS/CTS for all transmissions; they may turn it off completely, or at least not use it for small packets (the overhead of RTS, CTS and transmission is too great for small data transfers). Transmission: if the medium was identified as being clear or the node received a CTS to explicitly indicate it can send, it sends the frame in its entirety. Unlike CSMA/CD, it is very challenging for a wireless node to listen at the same time as it transmits (its transmission will dwarf any attempt to listen). Continuing the wireless example, the node awaits receipt of an acknowledgement packet from the Access Point to indicate the packet was received and checksummed correctly. If such acknowledgement does not arrive in a timely manner, it assumes the packet collided with some other transmission, causing the node to enter a period of binary exponential backoff prior to attempting to re transmit. Although CSMA/CA has been used in a variety of wired communication systems, it is particularly beneficial in a wireless LAN due to a common problem of multiple stations being able to see the Access Point, but not each other. This is due to differences in transmit power, and receive sensitivity, as well as distance, and location with respect to the AP. This will cause a station to not be able to 'hear' another station's broadcast. This is the so called 'hidden node', or 'hidden station' problem. Devices utilizing 802.11 based standards can enjoy the benefits of collision avoidance (RTS / CTS handshake, also Point coordination function), although they do not do so by default. By default they use a Carrier sensing mechanism called exponential backoff (or Distributed coordination function), that relies upon a station attempting to 'listen' for another station's broadcast before sending. CA, or PCF relies upon the AP (or the 'receiver' for Ad hoc networks) granting a station the exclusive right to transmit for a given period of time after requesting it (Request to Send / Clear to Send). CSMA CA requires a determination of whether a channel is 'idle', even when incompatible standards and overlapping transmission frequencies are used. Per the standards, for 802.11/Wi Fi transmitters on the same channel, transmitters must take turns to transmit if they can detect each other even 3 dB above the noise floor (the thermal noise floor is around 101 dBm for 20 MHz channels). On the other hand, transmitters will ignore transmitters with incompatible standards or on overlapping channels if the received signal strength from them is below a threshold Pth which, for non Wi Fi 6 systems, is between 76 and 80 dBm.

IEEE 802.11 RTS/CTS Exchange (обмен информацией по сети)

CSMA/CA может быть дополнительно расширен обменом пакетами Request to Send (RTS), отправляемыми отправителем S, и пакетами Clear to Send (CTS), отправляемыми предполагаемым получателем R. Это оповещает все узлы в зоне досягаемости отправителя, получателя или обоих, о необходимости воздержаться от передачи данных на время основной передачи. Этот механизм известен как обмен IEEE 802.11 RTS/CTS. Реализация RTS/CTS помогает частично решить проблему скрытых узлов, часто возникающую в беспроводных сетях.

Выступление

Производительность CSMA/CA во многом зависит от используемой техники модуляции для передачи данных между узлами. Исследования показывают, что в идеальных условиях распространения (в симуляциях) широкополосная последовательность с прямой расширенной спектральной последовательностью (DSSS) обеспечивает максимальную пропускную способность для всех узлов в сети при использовании в сочетании с CSMA/CA и обменом RTS/CTS по стандарту IEEE 802.11 в условиях низкой сетевой нагрузки. Частотно-скачущая расширенная спектральная последовательность (FHSS) значительно уступает DSSS по пропускной способности, однако демонстрирует более высокую пропускную способность при значительно увеличении сетевой нагрузки. Тем не менее, в реальных условиях пропускная способность обычно сопоставима из-за факторов распространения радиоволн.