CSMA/CD
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ist ein Medienzugriffsverfahren, das den Datenverkehr in kabelgebundenen Netzwerken regelt. Das Verfahren wurde als Teil des Ethernet-Standards (IEEE 802.3) entwickelt und war jahrzehntelang die Grundlage für die Kommunikation in lokalen Netzwerken (LANs). Heute ist CSMA/CD in modernen Netzwerken mit Switches und Vollduplex-Verbindungen weitgehend obsolet, bleibt aber ein fundamentales Konzept für das Verständnis der Netzwerktechnik.
Was bedeutet CSMA/CD?
Der Name CSMA/CD setzt sich aus drei Komponenten zusammen, die das Verfahren präzise beschreiben. Jede Komponente erfüllt eine spezifische Funktion im Kommunikationsprozess.
Carrier Sense (Trägerprüfung)
Bevor ein Gerät Daten sendet, prüft es zunächst, ob das Übertragungsmedium frei ist. Diese Trägerprüfung erfolgt durch das Abhören des Netzwerkkabels auf elektrische Signale. Wenn das Medium belegt ist, wartet das Gerät, bis die Leitung wieder frei wird.
Multiple Access (Mehrfachzugriff)
Mehrere Geräte teilen sich dasselbe Übertragungsmedium und haben gleichberechtigten Zugriff darauf. Es gibt keine zentrale Instanz, die den Zugriff regelt. Stattdessen konkurrieren alle Teilnehmer um die Nutzung des gemeinsamen Kabels.
Collision Detection (Kollisionserkennung)
Während der Übertragung überwacht das sendende Gerät kontinuierlich das Medium. Wenn zwei Geräte gleichzeitig senden, kollidieren die Signale und verursachen eine messbare Spannungsverschiebung auf dem Kabel. Das Gerät erkennt diese Kollision und bricht die Übertragung sofort ab.
Funktionsweise von CSMA/CD
Das CSMA/CD-Verfahren läuft in mehreren klar definierten Schritten ab. Das Verständnis dieses Ablaufs ist wichtig für angehende Fachinformatiker, da es die Grundlagen der Netzwerkkommunikation verdeutlicht.
Der Sendevorgang Schritt für Schritt
Ein Gerät, das Daten senden möchte, führt zunächst eine Carrier-Sense-Prüfung durch. Es lauscht auf dem Netzwerk, ob gerade ein anderes Gerät sendet. Ist das Medium frei, beginnt das Gerät mit der Übertragung seiner Daten.
- Abhören: Das Gerät prüft, ob das Medium frei ist
- Senden: Bei freiem Medium beginnt die Datenübertragung
- Überwachen: Während des Sendens wird das Medium auf Kollisionen geprüft
- Erfolg oder Kollision: Entweder wird die Übertragung abgeschlossen oder eine Kollision erkannt
Kollisionserkennung und Jam-Signal
Wenn zwei Geräte gleichzeitig senden, prallen ihre elektrischen Signale aufeinander. Diese Kollision verursacht eine abnormale Spannung auf dem Kabel, die alle sendenden Geräte erkennen können. Sobald ein Gerät eine Kollision feststellt, stoppt es sofort die Übertragung und sendet ein sogenanntes Jam-Signal. Dieses kurze Störsignal informiert alle anderen Geräte im Netzwerk über die aufgetretene Kollision.
Binary Exponential Backoff
Nach einer Kollision warten die betroffenen Geräte eine zufällige Zeitspanne, bevor sie erneut versuchen zu senden. Dieser Algorithmus heißt Binary Exponential Backoff. Die Wartezeit wird als Vielfaches einer festen Zeiteinheit (Slot Time) berechnet. Mit jeder weiteren Kollision verdoppelt sich der maximale Wartebereich, wodurch die Wahrscheinlichkeit erneuter Kollisionen sinkt.
Beispiel für Backoff-Zeiten:
| Kollision Nr. | Maximale Wartezeit (Slots) |
|---|---|
| 1 | 0-1 |
| 2 | 0-3 |
| 3 | 0-7 |
| 4 | 0-15 |
| 10 (Maximum) | 0-1023 |
Nach 16 erfolglosen Versuchen bricht das Gerät die Übertragung ab und meldet einen Fehler an die höheren Protokollschichten.
Technische Anforderungen
Damit CSMA/CD zuverlässig funktioniert, müssen bestimmte technische Bedingungen erfüllt sein. Diese Anforderungen haben direkten Einfluss auf die Netzwerkarchitektur.
Mindestframelänge und Kollisionserkennung
Ein kritischer Aspekt ist die Mindestlänge eines Ethernet-Frames. Die Übertragungszeit eines Frames muss mindestens doppelt so lang sein wie die maximale Signallaufzeit im Netzwerk. Nur so kann ein Sender sicher sein, dass eine mögliche Kollision erkannt wird, bevor die Übertragung endet. Bei Ethernet beträgt die Mindestframelänge daher 64 Byte. Kürzere Datenpakete werden mit Füllbytes (Padding) aufgefüllt.
Formel:
Übertragungszeit (Tt) >= 2 × Signallaufzeit (Tp)Bei 10 Mbit/s Ethernet entspricht dies einer Slot Time von 51,2 Mikrosekunden.
Kollisionsdomäne
Alle Geräte, die sich ein gemeinsames Übertragungsmedium teilen und deren Signale kollidieren können, befinden sich in derselben Kollisionsdomäne. Bei einem Hub gehören alle angeschlossenen Geräte zur selben Kollisionsdomäne. Je mehr Geräte in einer Kollisionsdomäne sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und desto schlechter wird die Netzwerkleistung.
CSMA/CD vs. CSMA/CA
Während CSMA/CD für kabelgebundene Netzwerke entwickelt wurde, nutzen drahtlose Netzwerke (WLAN, IEEE 802.11) das verwandte Verfahren CSMA/CA (Collision Avoidance). Der wesentliche Unterschied liegt im Umgang mit Kollisionen.
| Aspekt | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| Einsatzgebiet | Kabelgebundenes Ethernet | WLAN (IEEE 802.11) |
| Kollisionsstrategie | Erkennung nach dem Senden | Vermeidung vor dem Senden |
| Mechanismus | Jam-Signal bei Kollision | RTS/CTS-Handshake |
| Grund | Kollisionen sind auf dem Kabel erkennbar | Kollisionen sind im Funkmedium nicht zuverlässig erkennbar |
Bei Funkübertragungen ist eine zuverlässige Kollisionserkennung nicht möglich, da ein Sender sein eigenes Signal während des Sendens nicht gleichzeitig empfangen kann. Daher versucht CSMA/CA, Kollisionen von vornherein zu vermeiden, indem vor dem Senden eine Reservierung des Mediums erfolgt.
Bedeutung in modernen Netzwerken
In heutigen Netzwerken spielt CSMA/CD praktisch keine Rolle mehr. Der Grund dafür liegt in der Entwicklung der Netzwerkhardware und der Umstellung auf Vollduplex-Kommunikation.
Der Wechsel zu geswitchten Netzwerken
Moderne Netzwerke verwenden Switches statt Hubs. Ein Switch erstellt für jede Verbindung einen eigenen Kommunikationskanal und leitet Daten gezielt an den Empfänger weiter. Dadurch entstehen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ohne gemeinsames Medium. In Kombination mit Vollduplex-Betrieb, bei dem Senden und Empfangen gleichzeitig möglich sind, können keine Kollisionen mehr auftreten. CSMA/CD wird in solchen Umgebungen nicht mehr benötigt.
Historische Bedeutung
Trotz seiner heutigen Bedeutungslosigkeit in der Praxis ist CSMA/CD ein wichtiges Konzept für das Verständnis der Netzwerktechnik. Das Verfahren zeigt, wie ein dezentrales Zugriffsprotokoll ohne zentrale Steuerung funktionieren kann. In der IT-Ausbildung, insbesondere für Fachinformatiker Systemintegration, gehört CSMA/CD zum Grundwissen der Netzwerktechnik. Es erklärt, warum bestimmte Netzwerkkomponenten entwickelt wurden und wie sich die Technologie weiterentwickelt hat.
CSMA/CD im OSI-Modell
CSMA/CD arbeitet auf der Sicherungsschicht (Layer 2) des OSI-Modells, genauer gesagt in der Unterschicht MAC (Media Access Control). Diese Schicht ist für die Regelung des Zugriffs auf das physische Medium verantwortlich. Die MAC-Adresse eines Geräts dient dabei zur eindeutigen Identifizierung im lokalen Netzwerk.
Quellen und weiterführende Links
- IEEE 802.3 Standard - Der offizielle Ethernet-Standard
- CSMA/CD - Wikipedia (EN) - Ausführliche Erklärung auf Englisch
- CSMA/CD - GeeksForGeeks - Technische Details mit Berechnungsbeispielen