CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

Die Übertragungstechnik von IEEE 802.11 sieht den unkoordinierten, ungeplanten und spontanen Betrieb eines WLANs vor. In der Praxis sieht das so aus, dass jeder eine WLAN-Basisstation in Betrieb nehmen kann, ohne genaue technische Kenntnisse über deren Funktionsweise zu haben. Das bedeutet, dass die so betriebenen Funksysteme Techniken und Maßnahmen zur Koexistenz beherrschen müssen.
Durch regulative Maßnahmen wird die Fähigkeiten zur Koexistenz mehrerer Funksysteme und Funknetze und die gemeinsame Ressourcennutzung und -teilung erzwungen. Dabei ergeben sich verschiedene Schwierigkeiten, weshalb das mal gut und auch mal weniger gut funktioniert.
Aus technischer Sicht ist ein WLAN mit dem früheren Koax-Ethernet vergleichbar, wodurch sich ähnliche Techniken zur Teilung und Zugriffssteuerung auf das Übertragungsmedium ergeben.

Mit IEEE 802.11ax bricht die Standardisierung mit dem Kanalzugriffsverfahren CSMA/CA. Es wird auch weiterhin eingesetzt. Allerdings wird in Kombination mit OFDMA ein zentral koordinierter Zuteilungsmechanismus der Senderechte bevorzugt.

Warum CSMA/CA?

Bei WLAN gilt, dass sich alle Teilnehmer das Übertragungsmedium teilen müssen. Das heißt, dass in einem bestimmten Funkbereich (WLAN-Kanal) nur eine Übertragung störungsfrei stattfinden kann und somit immer nur ein Teilnehmer senden darf. Wer wann senden darf, muss über ein Mehrfachzugriffsverfahren geregelt werden, um den Mehrbenutzerbetrieb zu ermöglichen. Das kann man über einen zentralen Controller machen, bei dem die Teilnehmer die Berechtigung zum Senden einholen müssen oder regelt es ohne zentrale Instanz. Zum Beispiel über Listen-Before-Talk (LBT). Das heißt, senden darf ein Teilnehmer erst dann, wenn das Übertragungsmedium frei ist.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ist ein solches Mehrfachzugriffsverfahren. Es sieht vor, dass jeder Teilnehmer vor dem Senden prüfen muss, ob das Übertragungsmedium frei ist. Erst wenn kein anderer Teilnehmer etwas sendet, dann ist die Übertragung erlaubt. Das schließt natürlich nicht aus, dass zwei Teilnehmer das Medium als frei erkennen und gleichzeitig senden. Dann tritt eine Kollision auf. Dabei überlagern sich die Signale. Die Daten sind in diesem Fall für den Empfänger unbrauchbar.
Beim kabelgebundenen 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.

Hidden-Client-Problem

In einem Funknetzwerk gibt es mehrere Probleme. Erstens lassen sich Kollisionen von Störungen nicht unterscheiden. Das zweite Problem hat mit der Reichweite von Funksignalen zu tun. So kann das eigene Signal die Signale der anderen Teilnehmer überdecken. Weil die anderen Signale nicht in Reichweite sind, kann ein Sender nicht feststellen, ob das Signal fehlerfrei beim Empfänger ankam oder ob eine Signalkollision aufgetreten ist.
In einem WLAN kann es auch vorkommen, dass sich nicht alle WLAN-Teilnehmer kennen. Dieses Problem nennt sich Hidden-Client, Hidden-Node oder Hidden-Terminal. Besonders problematisch ist der Fall, wenn sich mehrere Teilnehmer außerhalb der Reichweite anderer Teilnehmer befinden. Dabei kann es zum fälschlichen Erkennen eines freien Kanals kommen.

Warum CSMA/CA?

Ein Beispiel soll diese Probleme deutlich machen. So ziemlich in der Mitte eines Funknetzwerks befindet sich der Wireless Access Point (WAP), die Basisstation, über die die Wireless Clients Zugang zum Netzwerk bzw. Internet bekommen können. Die Teilnehmer A und B befinden jeweils in Reichweite zum WAP, allerdings nicht zueinander. Das heißt, A sieht B nicht und B sieht A nicht. Wenn A und B gleichzeitig senden und eine Kollisionserkennung durchführen, dann wäre für die beiden die Übertragung fehlerfrei gewesen. Allerdings überschneiden sich die Funksignale beim WAP. Und damit ist es zu einer Kollision gekommen, von der A und B nichts mitbekommen haben, weil ihre eigenen Funksignale nur eine begrenzte Reichweite haben.

Und deshalb wird im Vergleich zu den drahtgebundenen Ethernet-Varianten (mit CSMA/CD) auf eine Kollisionserkennung (Collision Detection, CD) verzichtet. Stattdessen wird ein Verfahren eingesetzt, das man als Kollisionsvermeidung (Collision Avoidance, CA) bezeichnet. Wobei das eine irreführende Bezeichnung ist.

Funktionsweise von CSMA/CA

Bevor ein WLAN-Client sendet stellt er sicher, dass der Empfänger zum Empfang bereit und das Übertragungsmedium frei ist. Dieses Vorgehen wird als Listen-Before-Talk (LBT) bezeichnet. Zu Deutsch: Hören vor dem Sprechen.
Ein WLAN-Client hört also zuerst in das Übertragungsmedium hinein, ob gerade ein anderer Teilnehmer sendet. Ist die Funkschnittstelle belegt, wartet der Teilnehmer eine zufällige Zeit ab und hört erneut in das Übertragungsmedium hinein. Erst wenn es frei ist, kann der Teilnehmer mit der Übertragung beginnen, andernfalls wird der Teilnehmer erneut eine zufällige Zeit warten und erneut prüfen.
Die zufällig Zeit, die verstreichen muss, bevor ein Gerät erneut den Funkkanal prüft liegt bei 42 bis 178 µs.

Übertragungsmedium - die Funkschnittstelle

Weil eine Kollision nicht zweifelsfrei festgestellt werden kann arbeitet CSMA/CA mit Bestätigungspaketen (ACK), mit dem der Empfänger eines Pakets den Empfang beim Absender bestätigen muss. 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) gesendet. Erst danach gehen andere Datenpakete auf die Reise.

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 der MAC-Schicht zu Datenverlusten, verzögern sich die Datenpakete auf den oberen Schichten. Das 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 mehrfachen Bestätigungsmeldungen auf anderen Schichten. Diese Schwierigkeiten sind häufig dafür verantwortlich, dass die Performance von drahtlosen Netzen deutlich unter der von drahtgebundenen Netzwerken liegt.

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