Funcionamiento CSMA/CD y CSMA/CA
En un entorno de medios
compartidos, todos los dispositivos tienen acceso garantizado al medio, pero no
tienen ninguna prioridad en dicho medio. Si más de un dispositivo realiza una
transmisión simultáneamente, las señales físicas colisionan y la red debe
recuperarse para que pueda continuar la comunicación.
Las colisiones representan el precio que debe
pagar la Ethernet para obtener la sobrecarga baja que se relaciona con cada
transmisión. Ethernet utiliza el Acceso múltiple por detección de portadora y
detección de colisiones (CSMA/CD) para detectar y manejar colisiones y para
administrar la reanudación de las comunicaciones.
Debido a que todas las
computadoras que utilizan Ethernet envían sus mensajes en el mismo medio, se
utiliza un Esquema de coordinación distribuida (CSMA) para detectar la
actividad eléctrica en el cable. Entonces, un dispositivo puede determinar
cuándo puede transmitir. Cuando un dispositivo detecta que ninguna otra
computadora está enviando una trama o una señal portadora, el dispositivo
transmitirá si tiene algo para enviar.
CSMA/CD, siglas que
corresponden a Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (en
español, “Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Detección de Colisiones “),
es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones.
Anteriormente a esta técnica se usaron las de Aloha puro y Aloha ranurado, pero
ambas presentaban muy bajas prestaciones. Por eso apareció primeramente la
técnica CSMA, que fue posteriormente mejorada con la aparición de CSMA/CD.
En el método de acceso
CSMA/CD, los dispositivos de red que tienen datos para transmitir funcionan en
el modo “escuchar antes de transmitir”. Esto significa que cuando un nodo desea
enviar datos, primero debe determinar si los medios de red están ocupados o no.
CSMA/CD: El proceso
Detección de portadora
En el método de acceso CSMA/CD, todos los
dispositivos de red que tienen mensajes para enviar deben escuchar antes de
transmitir. Si un dispositivo detecta una señal de otro dispositivo, esperará
durante un periodo especificado antes de intentar transmitir. Cuando no se
detecte tráfico, un dispositivo transmitirá su mensaje. Mientras se lleva a
cabo la transmisión, el dispositivo continúa escuchando para detectar tráfico o
colisiones en la LAN. Una vez que se envía el mensaje, el dispositivo regresa a
su modo de escucha predeterminado. Acceso múltiple Si la distancia existente
entre los dispositivos es tal que la latencia de las señales de un dispositivo
denota que un segundo dispositivo no detecta las señales, el segundo
dispositivo puede comenzar también a transmitir. Los medios tienen entonces dos
dispositivos que transmiten sus señales al mismo tiempo. Sus mensajes se
propagarán por todos los medios hasta que se encuentren. En ese punto, las
señales se mezclan y el mensaje se destruye. Aunque los mensajes se dañan, la
mezcla de las señales restantes continúa propagándose en todo el medio.
Detección de colisiones;:
Cuando un dispositivo está en el modo de escucha, puede
detectar cuando se produce una colisión en el medio compartido. La detección de
una colisión es posible porque todos los dispositivos pueden detectar un
aumento de la amplitud de la señal por encima del nivel normal. Una vez que se
produce una colisión, los demás dispositivos que están en el modo de escucha,
así como todos los dispositivos de transmisión, detectan el aumento de amplitud
de la señal. Una vez detectada la colisión, todos los dispositivos transmisores
continuarán transmitiendo para garantizar que todos los dispositivos de la red
detecten la colisión.
Señal
de congestión y postergación aleatoria:
Cuando los dispositivos de transmisión
detectan la colisión, envían una señal de congestión. Esta señal de congestión
se utiliza para notificar a los demás dispositivos sobre una colisión, de
manera que éstos invoquen un algoritmo de postergación. Este algoritmo de
postergación hace que todos los dispositivos dejen de transmitir durante un
periodo aleatorio, lo que permite que las señales de colisión disminuyan. Una
vez que finaliza el retraso asignado a un dispositivo, dicho dispositivo
regresa al modo “escuchar antes de transmitir”. El periodo de postergación
aleatoria garantiza que los dispositivos involucrados en la colisión no intenten
enviar su tráfico nuevamente al mismo tiempo, lo que provocaría que se repita
todo el proceso. Sin embargo, esto también significa que un tercer dispositivo
puede transmitir antes de que cualquiera de los dos dispositivos involucrados
en la colisión original tenga la oportunidad de volver a transmitir.
Hubs
y dominios de colisiones:
Dado que las colisiones se producirán ocasionalmente
en cualquier topología de medios compartidos (incluso cuando se emplea
CSMA/CD), debemos prestar atención a las condiciones que pueden originar un
aumento de las colisiones. Debido al
rápido crecimiento de la Internet:
-Se
conectan más dispositivos a la red.
-Los
dispositivos acceden a los medios de la red con una mayor frecuencia.
-Aumentan
las distancias entre los dispositivos.
Recuerde
que los hubs se crearon como dispositivos de red intermediarios que permiten a
una mayor cantidad de nodos conectarse a los medios compartidos. Los hubs, que
también se conocen como repetidores multipuerto, retransmiten las señales de
datos recibidas a todos los dispositivos conectados, excepto a aquel desde el
cual se reciben las señales. Los hubs no desempeñan funciones de red tales como
dirigir los datos según las direcciones.
Los hubs y los repetidores son
dispositivos intermediarios que extienden la distancia que pueden alcanzar los
cables de Ethernet. Debido a que los hubs operan en la capa física, ocupándose
únicamente de las señales en los medios, pueden producirse colisiones entre los
dispositivos que conectan y dentro de los mismos hubs. Además, el uso de hubs
para proporcionar acceso a la red a una mayor cantidad de usuarios reduce el
rendimiento para cada usuario, ya que debe compartirse la capacidad fija de los
medios entre cada vez más dispositivos.
Los dispositivos conectados que tienen acceso
a medios comunes a través de un hub o una serie de hubs conectados directamente
conforman lo que se denomina dominio de colisiones. Un dominio de colisiones
también se denomina segmento de red. Por lo tanto, los hubs y los repetidores tienen
el efecto de aumentar el tamaño del dominio de colisiones. Como se muestra en
la figura, la interconexión de los hubs forma una topología física que se
denomina estrella extendida. La estrella extendida puede crear un dominio de
colisiones notablemente expandido. Un mayor número de colisiones reduce la
eficiencia y la efectividad de la red hasta que las colisiones se convierten en
una molestia para el usuario.
Si
bien el CSMA/CD es un sistema de administración de colisiones de tramas, se
diseñó para administrar colisiones sólo para una cantidad limitada de
dispositivos y en redes con poco uso de red. Por lo tanto, se requieren otros
mecanismos cuando existen grandes cantidades de usuarios que quieren tener
acceso, y cuando se necesita un acceso a la red más activo.
CSMA/CA
En
comunicaciones, CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance) o, en español, acceso múltiple con escucha de portadora y evasión de
colisiones, es un protocolo de control de acceso a redes de bajo nivel que
permite que múltiples estaciones utilicen un mismo medio de transmisión. Cada
equipo anuncia opcionalmente su intención de transmitir antes de hacerlo para
evitar colisiones entre los paquetes de datos (comúnmente en redes
inalámbricas, ya que estas no cuentan con un modo práctico para transmitir y
recibir simultáneamente). De esta forma, el resto de equipos de la red sabrán
cuando hay colisiones y en lugar de transmitir la trama en cuanto el medio está
libre, se espera un tiempo aleatorio adicional corto y solamente si, tras ese
corto intervalo el medio sigue libre, se procede a la transmisión reduciendo la
probabilidad de colisiones en el canal. CSMA/CA es utilizada en canales en los
que por su naturaleza no se puede usar CSMA/CD. CSMA/CA se utiliza en 802.11
basada en redes inalámbricas.
Aunque
CSMA/CD y CSMA/CA aseguren que un nodo va a obtener un acceso al medio no se
asegura que el nodo destino esté en contacto con el nodo origen. Para
solucionar este problema se ha añadido un procedimiento de saludo adicional al
protocolo de la capa MAC. Este procedimiento se ha denominado protocolo de MAC
inalámbrico de fundamento distribuido (DFW MAC) con el fin de que sirva para
los diferentes métodos de la capa MAC.
Para
enviar una trama, el equipo origen primero envía una trama corta de control de
solicitud de transmisión RTS (Request To Send) mediante el método CSMA/CD o
CSMA/CA. Este mensaje de control RTS contiene las direcciones de MAC del equipo
origen y destino. Si el equipo destino recibe esta trama significa quex está
preparado para recibir una trama. Este equipo devolverá una trama de
contestación: preparado para transmitir CTS (Clear To Send) o receptor ocupado
(RxBUSY). Si la respuesta es afirmativa el equipo origen transmite la trama en
espera (DATA). Si el equipo destino recibe correctamente el mensaje contesta
con la trama de confirmación positiva ACK (ACKnowledged) y si no la recibe
correctamente contesta con la trama de confirmación negativa NAK (NAKnowledged)
y el equipo origen tratará de volver a enviarlo. Este procedimiento se repite
un número predefinido de veces hasta conseguirse una transmisión correcta de la
trama DATA.
A
continuación, se muestra un esquema general de este procedimiento.
Básicamente,
este proceso se puede dividir en tres fases en las que el emisor:
1. Escucha para ver si la red
está libre.
2. Transmite el dato.
3. Espera un reconocimiento por
parte del receptor.
Este
método asegura así que el mensaje se recibe correctamente. Sin embargo, debido
a las dos transmisiones, la del mensaje original y la del reconocimiento del
receptor, pierde un poco de eficiencia. Este sistema incrementa el volumen de
tráfico en el cable y reduce las prestaciones de la red, motivo por el que se
usa poco. En redes inalámbricas, no se puede escuchar a la vez que se trasmite:
no pueden detectarse colisiones.
Usos
1. GNET
2. Apple's
LocalTalk
3. IEEE
802.11RTS/CTS
4. IEEE
802.15 (Wireless PAN)
5. NCR
WaveLAN
6. IEEE
802.15.4 (Zigbee)
Problemas
que resuelve CSMA/CA (con respecto a CSMA/CD)
Nodos
ocultos: Una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está
ocupado por otro nodo al que no escucha.
Nodos
expuestos: Una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está
libre pues el nodo al que escucha no le interferiría.
Ejemplo
Supongamos
tres nodos "A,B,C" donde el radio de acción de A, le permite ver a B
pero no a C, y C puede ver a B, pero no a A.
A---B---C
Si
A quiere transmitir, genera una trama especial de solicitud (RTS) hacia B.
Recibida dicha trama en B, esta responde con una trama de autorización (CTS)
hacia A. La trama de autorización no solo llega a A, sino a todas las
estaciones que se encuentran en el radio de acción de B (en este caso llegaría
también a C). Así todas las estaciones permanecerán sin transmitir. Una vez
llega la trama de confirmación a A, ésta podrá transmitir sin que se produzcan
colisiones. Este esquema RTS-CTS se conoce como sondeo de portadora virtual.
