Definition

Was ist CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt. (Bild: © aga7ta - Fotolia)

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection ist ein Verfahren, das den Zugriff auf ein mehrfach verwendetes Medium regelt und Kollisionen beim Senden von Daten verhindert. Für das Ethernet ist CSMA/CD im Standard IEEE 802.3 definiert. Andere Medien mit Mehrfachzugriff wie das Wireless LAN verwenden andere Verfahren wie CSMA/CA.

Die Abkürzung CSMA/CD steht für Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection. Der deutsche Begriff lautet "Mehrfachzugriff mit Prüfung des Trägers und Erkennung von Kollisionen" Die einzelnen Buchstaben bedeuten:

  • CS: Carrier Sense – Zustandserkennung des Trägers
  • MA: Multiple Access – Mehrfachzugriff
  • CD: Collision Detection – Erkennung von Kollisionen

Es handelt sich um ein Verfahren, das den Zugriff und die Kollisionserkennung beziehungsweise die Kollisionsvermeidung auf mehrfach genutzten Übertragungsmedien regelt. Für das Ethernet ist CSMA/CD im IEEE-Standard 802.3 definiert. Auch PowerLAN verwendet das Verfahren. CSMA/CD stellt eine Erweiterung von CSMA dar. Es existieren weitere CSMA-Varianten wie CSMA/CA oder CSMA/CR. CSMA/CA findet beispielsweise in drahtlos arbeitenden Netzen wie dem WLAN Verwendung.

Funktionsweise von Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

Sind an ein Übertragungsmedium wie einem Ethernet mehrere Stationen angeschlossen, muss sichergestellt sein, dass alle Stationen die Signale auf dem Medium lesen können, aber nicht gleichzeitig senden. Das CSMA/CD Verfahren arbeitet nach dem Grundsatz "erst abhören – dann senden". Hierfür lauschen alle Stationen ständig auf dem Übertragungsmedium und erkennen, wenn es besetzt oder frei ist. Nur wenn das Medium frei ist, darf eine Station sein Signal senden.

Senden zwei Stationen gleichzeitig, tritt eine so genannte Kollision auf und das Senden ist abzubrechen. Erst nach einer bestimmten Wartezeit kann versucht werden, erneut zu senden. Wenn der komplette Sendevorgang ohne eine Kollision beendet ist, gilt die Übertragung als erfolgreich. Folgender Ablauf ist beim CSMA/CD-Verfahren für das Senden von Signalen einzuhalten:

  • abhören des Mediums und feststellen, ob es frei oder besetzt ist
  • ist das Medium eine bestimmte Zeit frei, kann das Senden beginnen
  • während des Sendens ist das Medium weiter zu überwachen
  • treten Kollisionen auf, muss das Senden eingestellt und ein definiertes Signal auf die Leitung gegeben werden. Es signalisiert allen Teilnehmern, dass eine Kollision aufgetreten ist
  • der Sendevorgang muss solange wiederholt werden, bis eine vollständige Übertragung ohne Kollision stattgefunden hat
  • wird eine maximale Anzahl von Sendeversuchen erreicht, ist der Übertragungsvorgang komplett abzubrechen und den höheren Netzwerkebenen eine Fehlermeldung zu schicken

Was sind Kollisionen und welcher Zusammenhang besteht zur maximalen Distanz zwischen Teilnehmern?

Auf einem gemeinsam genutzten Medium wie dem Ethernet senden die einzelnen Teilnehmer Datenframes, ohne dass dies von einer zentralen Stelle aus gesteuert wird. Es kann passieren, dass mehrere Teilnehmer das Medium gleichzeitig verwenden. In diesem Fall tritt eine Kollision auf und das Datensignal auf dem Medium wird unbrauchbar, da sich zwei unterschiedliche Signale überlagern.

Durch permanentes Prüfen, ob das gesendete Signal dem Signal auf dem Medium entspricht, lässt sich eine Kollision feststellen. Auf einem Shared Medium (gemeinsam genutzten Medium) gehören Kollisionen zum normalen Betrieb. Es muss aber sichergestellt sein, dass sie erkannt und bestmöglich vermieden werden. Ab einer gewissen Anzahl an Kollisionen ist das Übertragungsmedium nicht mehr sinnvoll nutzbar. Hohe Kollisionsraten können durch zu viele Teilnehmer oder zu große Entfernungen zwischen den Stationen entstehen.

Große Entfernungen führen dazu, dass Teilnehmer das Medium als frei erkennen, obwohl eine andere Station bereits Daten sendet. Dies liegt daran, dass die gesendeten Signale aufgrund ihrer Signallaufzeit eine gewisse Zeit benötigen, bis sie bei einem anderen Teilnehmer ankommen. Je größer die Entfernung, desto länger ist diese Zeit. Das CSMA/CD setzt Grenzwerte für Signallaufzeiten, Kabellängen, minimale Framegrößen und die Bandbreitenauslastung voraus. Kollisionen verhindern die maximale Ausnutzung der theoretischen Übertragungskapazität eines Shared Mediums. Beim Ethernet liegt die praktische Leistung etwa bei 70 Prozent der theoretischen Übertragungskapazität.

Was ist eine Kollisionsdomäne?

Die Kollisionsdomäne ist ein Begriff aus der Netzwerkwelt und bezeichnet den Netzwerkteil, in dem die einzelnen Teilnehmer von auftretenden Kollisionen betroffen sind. Die Kollisionsdomäne kann sich über mehrere Netzwerkkomponenten wie Hubs, Leitungen oder Verbindungselementen der Schicht 1 des OSI-Referenzmodells erstrecken. Damit das CSMA/CD-Verfahren zuverlässig funktioniert, unterliegt die Kollisionsdomäne einigen Beschränkungen. Im Ethernet dürfen nicht mehr als 1.023 Stationen an die Domäne angeschlossen sein. Darüber hinaus dürfen maximal fünf Kabelsegmente verbunden sein, vier Repeater eingesetzt werden oder an drei Segmenten Stationen angeschlossen sein. Switches oder Router trennen Kollisionsdomänen voneinander.

Wie erkennt und vermeidet Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection das Auftreten von Kollisionen?

Eine Kollision lässt sich physisch erkennen, indem die Stationen den Spannungspegel auf dem Medium überwachen. Senden zwei Stationen gleichzeitig ihre Signale, überlagern sich diese und es kommt zur Addition von Spannungspegeln. Die definierten Grenzwerte für gültige Signale oder Gleichspannungspegel werden durch die Addition verletzt.

Im Ethernet kommt das so genannte Backoff-Verfahren zur Kollisionsvermeidung zum Einsatz. Es besagt, dass nach dem Erkennen einer Kollision sendewillige Stationen unterschiedlich lange Wartezeiten bis zum nächsten Sendeversuch einzuhalten haben. Würden sie alle nach der gleichen Pause wieder senden, würde sofort eine neue Kollision auftreten. Für die unterschiedlichen Pausenzeiten wählen die Stationen eine zufällige Zahl, die von der Anzahl bereits aufgetretener Konflikte abhängig ist. Die Station mit der kleinsten Wartezeit kann zuerst wieder senden, nachdem das Medium frei ist. Die Wartezeiten steigen exponentiell mit der Anzahl aufgetretener Kollisionen. Dadurch soll verhindert werden, dass viele Kollisionen direkt hintereinander auftreten. 16 Konflikte hintereinander haben einen Abbruch des Sendeversuchs zur Folge. Die Station meldet dann einen Fehler an die höheren Schichten der Netzwerkprotokolle.

CSMA/CD und die Halbduplex- und Vollduplex-Übertragung

In Netzwerken kann zwischen der Halbduplex- und Vollduplex-Übertragung unterschieden werden. Während bei der Vollduplex-Übertragung gleichzeitig gesendet und empfangen werden kann, lässt die Halbduplex-Übertragung nur eine Richtung zu einem Zeitpunkt zu. In modernen Ethernet-Netzwerken arbeiten Switches mit Vollduplex-Übertragung. Jeder Port ist dabei per Kabel mit einer Station verbunden und bildet eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Kollisionen können auf diesen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nicht auftreten und das CSMA/CD-Verfahren ist nicht mehr notwendig. CSMA/CD wird von der Ethernet-Schnittstelle nur durchgeführt, wenn diese im Halbduplex-Modus betrieben wird. Halbduplex-Ethernet hat eine Bus-Struktur, Vollduplex-Ethernet eine Sternstruktur.

Abgrenzung zu anderen Verfahren wie CSMA/CA

Neben CSMA/CD existieren weitere CSMA-Varianten. Im WLAN kommt beispielsweise das CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) zum Einsatz. Es sorgt für die Anpassung von CSMA an das Funkmedium und versucht Kollisionen wirksamer zu vermeiden. Der im Automobilbereich häufig verwendete CAN-Bus nutzt Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR). Das Verfahren bietet Teilnehmern mit hoher Priorität die Möglichkeit, kollisions- und verzögerungsfrei zu senden.

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