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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.

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.

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-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 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.

DCF - Distributed Coordination Function

Die Distributed Coordination Function (DCF) verteilt die Zugriffsregeln auf die Stationen. Im DCF benutzt das MAC-Protokoll CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).
Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.

Koordinierte Mehrfachzugriffsverfahren

Im Vergleich zu CSMA/CA, gibt es auch Ansätze das Zugriffsprotokoll um zentral koordinierte Verfahren zu erweitern. Beispielsweise PCF (Point Coordination Function) und HCCAA (Hybrid Coordinator Function Controlled Channel Access). Aber keines der beiden Erweiterungen hat es in Produkte geschafft.

Die PCF (Point Coordination Function) in IEEE 802.11 ist eine weitere Zugriffsregelung des MAC-Layers. Die PCF unterstützt Quality of Service (QoS), das bestimmte Charakteristiken bei der Übertragung für bestimmte Kommunikationsanforderungen garantiert.
Für PCF ist ein Access Point erforderlich, der mittels einer Kanalreservierung die Senderechte an die mobilen Stationen vergeben kann. Dieser Vorgang wird als Polling bezeichnet. Dabei fragt der Access Point die Stationen innerhalb seiner Zelle nacheinander ab, ob sie Daten versenden wollen. PCF ist deshalb optimal für die Abwicklung von zeitkritischem Datenverkehr geeignet. DCF und PCF lassen sich auch parallel zueinander einsetzen. PCF hat allerdings eine höhere Priorität.

Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS)

RTS/CTS-Verfahren

Durch Um das Risiko der mehrmaligen Funkschnittstellen-Belegung und Sende-Kollisionen zu vermeiden, muss jede Station die Funkschnittstelle explizit reservieren, bevor sie belegt werden darf. Dazu wird das RTS/CTS-Verfahren angewendet.
Für die Kollisionsvermeidung gibt es in der MAC-Schicht einen Virtual-Collision-Detection-(VCD-)Modus, der die Rahmen Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS) enthält. Bevor irgendwelche Daten gesendet werden erfolgt folgender Ablauf:

  1. Die WLAN-Station verlangt einen freien Kanal.
  2. Die WLAN-Station identifiziert einen freien Kanal.
  3. Die WLAN-Station sendet ein RTS auf diesen Kanal.
  4. Der Access Point (AP) sendet ein CTS.
  5. Die WLAN-Station sendet die Daten.
  6. Der Access Point (AP) sendet ein Acknowledgement (ACK) zur Empfangsbestätigung.

Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-Signal an Empfänger B. Erkennt der Empfänger B den Kanal als frei, sendet er ein CTS-Signal. Dieses Signal hören alle Stationen, die mit der Funkzelle des Empfängers B Kontakt haben. Damit ist dieser Kanal für eine bestimmt Übertragungszeit von Sender A zu Empfänger B reserviert.
Das Acknowledgement (ACK), die Empfangsbestätigung nach der Datenübertragung, ist ein weiterer Teil des CSMA/CA. Beim Eintreffen des Paketes sendet der Empfänger dem Sender eine Empfangsbestätigung. Bleibt diese beim Sender aus, schickt er das Paket noch einmal. Ohne ACK ist der Sender bevorrechtigt das Funkmedium nochmals zu nutzen. Kurzzeitige Störungen (Interferenzen) auf dem Funkmedium werden so umgangen, ohne das der Anwender etwas davon mitbekommt. Länger andauernde Störungen durch andere Funk-Anwendungen im selben Frequenzbereich lassen erst die Übertragungsrate sinken. Wenn die Störungen sich auch so nicht umgehen lassen, bricht das Funknetzwerk zusammen.

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