Csma - protokolle (carrier sense multiple access)

In LANs können die Stationen erkennen, was die anderen Teilnehmer im Netz tun, und ihr eigenes Verhalten dementsprechend anpassen. Solche Netze können verständlicherweise besser ausgelastet werden.
Protokolle, bei denen Stationen einen Träger (Carrier) abhören und entsprechend handeln, heissen Trägererkennungsprotokolle (Carrier Sense Protocols).

Es gibt verschiedene Arten von Trägererkennungsprotokollen:
1 - Persistent CSMA
Wenn eine Station Daten zu übertragen hat, hört sie erst den Kanal ab, ob bereits jemand übermittelt. Ist der Kanal besetzt, wartet sie bis er frei wird. Wenn die Station einen freien Kanal entdeckt , wird ein Rahmen übertragen. Falls eine Kollision erfolgt, wartet die Station einen zufällige Zeitspanne und beginnt von vorn. Dieses Protokoll heisst 1 - Persistent, weil die Station mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 sendet, wenn der Kanal frei ist.
Wie können jetzt aber trotzdem noch Kollisionen entstehen? Wenn es sich um ein grossflächiges Netzwerk handelt, haben die Signale eine Ausbreitungszeit. Beginnt eine Station mit der Übertragung und eine andere Station überprüft ob bereits jemand sendet, sieht diese das Signal noch nicht und beginnt ebenfalls mit ihrer Übertragung.
Selbst wenn die Ausbreitungszeit null ist, können noch Kollisionen entstehen! Wenn zwei Stationen senden wollen, während eine Dritte bereits überträgt, warten beide auf das Ende dieser Übertragung, und fangen danach gleichzeitig an zu senden.

Trotzdem ist dieses Verfahren viel besser als die beiden ALOHA - Verfahren, da sie nicht mutwillig fremde Übertragungen unterbrechen.


Nonpersistent CSMA
Auch hier überprüft die Station den Kanal vorgängig. Falls niemand sendet, beginnt die Station mit ihrer Übertragung. Ist der Kanal allerdings besetzt, wartet die Station eine zufällige Zeitspanne ab, und überprüft den Kanal ein weiteres Mal. Dieser Algorithmus führt zwar zu einer besseren Kanalauslastung (weniger Kollisionen), aber auch zu längeren Wartezeiten für die einzelne Station als bei 1 - Persistent CSMA.

P- Persistent CSMA
Wenn eine Station senden will, überprüft sie den Kanal. Ist dieser frei, sendet die Station beim nächsten erreichten Zeitschlitz mit Wahrscheinlichkeit p. Mit der Wahrscheinlichkeit q = 1 - p wartet sie bis zum nächsten Zeitschlitz. Ist dieser Schlitz auch frei, wird entwerder gesendet (wieder mit der Wahrscheinlichkeit p) oder gewartet, wiederum mit der Wahrscheinlichkeit q. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis entweder der Rahmen übertragen worden ist oder ein anderer Teilnehmer zu senden begonnen hat. In dem Fall wird reagiert, als ob eine Kollision stattgefunden hat (das heisst, es wird eine zufällige Zeit gewartet und dann die ganze Prozedur von vorne begonnen). Wenn die Station den Kanal von vornherein belegt vorfindet, wartet sie auf den nächsten Schlitz und beginnt wieder mit dem Wahrscheinlichkeitsverfahren.

Abbildung 2: Vergleich der Kanalauslastung mit der Verkehrslast bei verschiedenen zufallsgesteuerten Protokollen

CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detect)
Eine weitere Verbesserung ist der Abbruch einer Übertragung sobald eine Kollision erkannt wird. Wenn also zwei Stationen den Kanal als frei erkennen und gleichzeitig zu senden beginnen, werden beide fast sofort eine Kollision erkennen. Anstatt die Übertragung der Rahmen zu beenden, die ja ohnehin zerstört sind, wird die Übertragung sofort abgebrochen. Dies spart Zeit und Bandbreite.

Wichtig ist dabei die Tatsache, dass die Erkennung von Kollisionen ein analoger Prozess ist. Die Hardware der Station muss während der Übertragung das Kabel abhören. Unterscheidet sich dabei das Gesendete vom Gelesenen, ist klar das eine Kollision stattgefunden hat. Die Unterscheidung erfolgt, indem die Leistung oder die Impulsbreite des empfangenen Signals mit der des übertragenen Signals verglichen wird.

Dieses Protokoll wird meist bei LAN verwendet. Sie wird bei IEEE 802.3, besser bekannt als Ethernet verwendet.

Bei beiden Protokollen (ALOHA, CSMA) handelt es sich um sogenannte Wettkampfverfahren, das heisst es existiert ein echter Wettbewerb um die Sendeberechtigung.
Schlussendlich muss gesagt werden, dass keines dieser Protokolle eine absolut fehlerfreie Übertragung garantiert. Auch wenn keine Kollisionen vorkommen, können Rahmen beim Empfänger verloren gehen.