CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) ist eine Methode zur Medienzugriffskontrolle, die in frühen Ethernet-Technologien/LANs weit verbreitet war, als es eine gemeinsame Bustopologie gab und jeder Knoten (Computer) über Koaxialkabel verbunden war. Jetzt ist ein Days-Ethernet Vollduplex und die Topologie ist entweder Stern (verbunden über Switch oder Router) oder Punkt-zu-Punkt (direkte Verbindung). Daher wird CSMA/CD nicht verwendet, sie werden jedoch weiterhin unterstützt.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem es „n“ Stationen auf einer Verbindung gibt und alle darauf warten, Daten über diesen Kanal zu übertragen. In diesem Fall möchten alle „n“ Stationen auf die Verbindung/den Kanal zugreifen, um ihre eigenen Daten zu übertragen. Das Problem entsteht, wenn mehr als eine Station gleichzeitig die Daten überträgt. In diesem Fall kommt es zu Kollisionen in den Daten verschiedener Stationen.

CSMA/CD ist eine solche Technik, bei der sich verschiedene Stationen, die diesem Protokoll folgen, auf bestimmte Bedingungen und Kollisionserkennungsmaßnahmen für eine effektive Übertragung einigen. Dieses Protokoll entscheidet, welche Station wann sendet, damit die Daten unverfälscht das Ziel erreichen.

Wie funktioniert CSMA/CD?

Schritt 1: Prüfen Sie, ob der Absender zur Übertragung von Datenpaketen bereit ist. Schritt 2: Prüfen Sie, ob die Übertragungsstrecke frei ist.
Der Absender muss ständig prüfen, ob die Übertragungsverbindung/das Übertragungsmedium inaktiv ist. Zu diesem Zweck erfasst es kontinuierlich Übertragungen von anderen Knoten. Der Absender sendet Dummy-Daten über den Link. Wenn kein Kollisionssignal empfangen wird, bedeutet dies, dass die Verbindung derzeit inaktiv ist. Wenn festgestellt wird, dass der Träger frei ist und keine Kollisionen vorliegen, werden die Daten gesendet. Andernfalls werden keine Daten gesendet. Schritt 3: Daten übertragen und auf Kollisionen prüfen.
Der Absender übermittelt seine Daten auf dem Link. CSMA/CD verwendet kein „Bestätigungs“-System. Es prüft anhand von Kollisionssignalen erfolgreiche und fehlgeschlagene Übertragungen. Wenn während der Übertragung ein Kollisionssignal vom Knoten empfangen wird, wird die Übertragung gestoppt. Die Station sendet dann ein Stausignal auf die Verbindung und wartet zufällige Zeitintervalle, bevor sie den Frame erneut sendet. Nach einer zufälligen Zeit versucht es erneut, die Daten zu übertragen und wiederholt den oben genannten Vorgang. Schritt 4: Wenn bei der Ausbreitung keine Kollision festgestellt wurde, schließt der Absender seine Frameübertragung ab und setzt die Zähler zurück.

Woher weiß eine Station, ob ihre Daten kollidieren?

Betrachten Sie die obige Situation. Zwei Stationen, A und B.
Ausbreitungszeit: Tp = 1 Stunde (das Signal benötigt 1 Stunde, um von A nach B zu gelangen)

At time t=0, A transmits its data. t= 30 mins : Collision occurs.>

Nach der Kollision wird ein Kollisionssignal generiert und an A und B gesendet, um die Stationen über die Kollision zu informieren. Da die Kollision auf halber Strecke stattfand, benötigt das Kollisionssignal ebenfalls 30 Minuten, um A und B zu erreichen.

Therefore, t=1 hr: A & B receive collision signals.>

Dieses Kollisionssignal wird von allen Stationen auf dieser Verbindung empfangen. Dann,

Wie kann sichergestellt werden, dass es sich um die Daten unserer Station handelt, die kollidiert sind?
Hierfür gilt: Übertragungszeit (Tt)> Ausbreitungszeit (Tp) [Grobe Grenze]
Denn wir möchten, dass wir, bevor wir das letzte Bit unserer Daten von unserer Station übertragen, zumindest sicher sein sollten, dass einige der Bits bereits ihr Ziel erreicht haben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Verbindung nicht ausgelastet ist und es nicht zu Kollisionen kommt.
Aber oben ist eine lose Grenze. Wir haben uns nicht die Zeit genommen, die das Kollisionssignal benötigte, um zu uns zurückzukehren. Betrachten Sie hierfür das Worst-Case-Szenario.

Betrachten Sie das obige System noch einmal.

At time t=0, A transmits its data. t= 59:59 mins : Collision occurs>

Diese Kollision erfolgt kurz bevor die Daten B erreichen. Nun benötigt das Kollisionssignal erneut 59:59 Minuten, um A zu erreichen. Daher erhält A die Kollisionsinformationen ungefähr nach 2 Stunden, also nach 2 * Tp.

Hence, to ensure tighter bound, to detect the collision completely, Tt>>= 2 * Stadt>

Dies ist die maximale Kollisionszeit, die ein System benötigen kann, um zu erkennen, ob es sich bei der Kollision um eigene Daten handelt.

Wie lang sollte das zu übertragende Paket mindestens sein?

Transmission Time = Tt = Length of the packet/ Bandwidth of the link [Number of bits transmitted by sender per second] Substituting above, we get, Length of the packet/ Bandwidth of the link>= 2 * Stadt>

Length of the packet>= 2 * Tp * Bandbreite des Links>

Polsterung hilft in Fällen, in denen wir nicht so lange Pakete haben. Wir können am Ende unserer Daten zusätzliche Zeichen auffüllen, um die obige Bedingung zu erfüllen.

Die Kollisionserkennung in CSMA/CD umfasst die folgenden Funktionen:

Carrier Sense: Bevor Daten übertragen werden, hört ein Gerät das Netzwerk ab, um zu prüfen, ob das Übertragungsmedium frei ist. Wenn das Medium belegt ist, wartet das Gerät, bis es frei wird, bevor es Daten überträgt. Mehrfachzugriff: In einem CSMA/CD-Netzwerk nutzen mehrere Geräte dasselbe Übertragungsmedium. Jedes Gerät hat gleichen Zugriff auf das Medium und jedes Gerät kann Daten übertragen, wenn das Medium frei ist. Kollisionserkennung: Wenn zwei oder mehr Geräte gleichzeitig Daten übertragen, kommt es zu einer Kollision. Wenn ein Gerät eine Kollision erkennt, stoppt es sofort die Übertragung und sendet ein Störsignal, um alle anderen Geräte im Netzwerk über die Kollision zu informieren. Die Geräte warten dann eine zufällige Zeit lang, bevor sie erneut versuchen zu senden, um die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Kollision zu verringern. Backoff-Algorithmus: In CSMA/CD wird ein Backoff-Algorithmus verwendet, um zu bestimmen, wann ein Gerät nach einer Kollision Daten erneut übertragen kann. Der Algorithmus verwendet eine zufällige Verzögerung, bevor ein Gerät Daten erneut überträgt, um die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Kollision zu verringern. Mindestrahmengröße: CSMA/CD erfordert eine Mindestrahmengröße, um sicherzustellen, dass alle Geräte genügend Zeit haben, eine Kollision zu erkennen, bevor die Übertragung endet. Wenn ein Frame zu kurz ist, kann es sein, dass ein Gerät eine Kollision nicht erkennt und die Übertragung nicht fortsetzt, was zu einer Datenbeschädigung im Netzwerk führt.

Vorteile von CSMA/CD:

Einfach und weit verbreitet: CSMA/CD ist ein weit verbreitetes Protokoll für Ethernet-Netzwerke und aufgrund seiner Einfachheit einfach zu implementieren und zu verwenden.
Gerechtigkeit: In einem CSMA/CD-Netzwerk haben alle Geräte gleichberechtigten Zugriff auf das Übertragungsmedium, was eine faire Datenübertragung gewährleistet.
Effizienz: CSMA/CD ermöglicht eine effiziente Nutzung des Übertragungsmediums, indem es unnötige Kollisionen verhindert und Netzwerküberlastungen reduziert.

Nachteile von CSMA/CD:

Begrenzte Skalierbarkeit: CSMA/CD weist Einschränkungen hinsichtlich der Skalierbarkeit auf und ist möglicherweise nicht für große Netzwerke mit einer hohen Anzahl von Geräten geeignet.
Anfälligkeit für Kollisionen: Obwohl CSMA/CD Kollisionen erkennen kann, kann es deren Auftreten nicht verhindern. Kollisionen können zu Datenbeschädigungen, Verzögerungen bei der erneuten Übertragung und einer verringerten Netzwerkleistung führen.
Ineffiziente Nutzung der Bandbreite: CSMA/CD verwendet einen zufälligen Backoff-Algorithmus, der zu einer ineffizienten Nutzung der Netzwerkbandbreite führen kann, wenn auf einem Gerät ständig Kollisionen auftreten.
Anfälligkeit für Sicherheitsangriffe: CSMA/CD bietet keine Sicherheitsfunktionen und das Protokoll ist anfällig für Sicherheitsangriffe wie Paket-Sniffing und Spoofing.

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