Der englische BegriffCarrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) (zu Deutsch: „Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionserkennung“) bezeichnet einasynchronesMedienzugriffsverfahren (Protokoll), das den Zugriff verschiedener Stationen (beispielsweise Computer samt ihren Netzwerkanschlüssen) auf eingemeinsames Übertragungsmedium regelt. Auf dem gemeinsamen Übertragungsmedium muss gleichzeitiges Senden und „Lauschen“ möglich sein, wie z. B. im Stromnetz (siehedLAN) oder beiEthernet über Koaxialkabel. CSMA/CD ist eine Erweiterung vonCSMA. Verwendung findet CSMA/CD beispielsweise im Bereich derComputernetze beimPowerLAN; für Ethernet ist er alsIEEE 802.3 standardisiert worden. BeiWireless LANs wird ein anderer Mechanismus namensCarrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) benutzt. Der im Automobilbereich verwendeteCAN-Bus verwendet einen Mechanismus namensCarrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR).
Wenn ein Gerät Daten senden möchte, hält es sich an folgenden Ablauf:
Bei Netzübertragungsverfahren wie Ethernet findet eine paketorientierte Datenübertragung inDatagrammen (Datenframes) auf einem gemeinsam genutzten Medium (Funk, Kabel), oder abstrakter, innerhalb einer gemeinsamenKollisionsdomäne statt. Es wird weder ein endloser Datenstrom erzeugt noch werden Zugriffe auf das Medium irgendwo zentral deterministisch gesteuert. Daher ist es möglich, dass mehrere Stationen dasselbe Medium (z. B.Koaxialkabel) zeitgleich verwenden wollen. Hierdurch können Kollisionen entstehen, welche die übertragenen Signale unbrauchbar machen. Um dies zu handhaben, wird das CSMA/CD-Verfahren eingesetzt. Aufgabe des CSMA/CD-Verfahrens ist es, auftretende Kollisionen zu erkennen, zu reagieren und zu verhindern, dass sie sich wiederholen.
Von einer Kollision spricht man, wenn sich zwei (oder mehr) Signale gleichzeitig auf einer gemeinsamen Leitung befinden. Dabei überlagern sich die beiden elektrischen Signale zu einem gemeinsamen Spannungspegel. Die Folge ist, dass der Empfänger das elektrische Signal nicht mehr in die einzelnen logischen Signale (Bits) unterscheiden kann.
Das Verfahren ist, verglichen mitToken-Passing-Verfahren (z. B.Token Ring) oder Master-kontrollierten Netzen (z. B.ISDN), relativ einfach, was auch entscheidend zu seiner Verbreitung beigetragen hat. In moderneren Ethernetsystemen (z. B.Fast Ethernet) werden überwiegend Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet, bei denen Sende- und Empfangsmedium getrennt sind und somit keine Kollisionen mehr entstehen können. Hierzu werden gepufferte aktive Verteiler (Switches) eingesetzt.
Signale sind beispielsweise als Spannungspegel messbar, wobei eine Überlagerung von Signalen eine Addition der Spannungspegel bedeutet. Eine Kollision von Signalen kann dabei zur Überschreitung eines Schwellwertes der Gleichspannungsanteile führen, oder andere für „gültige Signale“ definierte Signaleigenschaften verletzen. Diese Abweichung kann von allen (auch den momentan unbeteiligten) Kommunikationspartnern erkannt und als Kollision identifiziert werden.
Eine Kollision muss insbesondere vom Sender erkannt werden, damit er eineSendewiederholung durchführen kann. Abhängig von derDatenübertragungsrate, derSignalgeschwindigkeit und der maximalen Distanz der Teilnehmer ergibt sich eine minimale Paketlänge (eigentlichFramelänge), damit garantiert werden kann, dass eine Kollision den Sender noch erreicht, bevor er sein Paket komplett gesendet hat (und als „fehlerfrei übertragen“ einstufen würde). Die Sendedauer für einen Frame minimaler Länge muss daher so dimensioniert sein, dass die maximale Round-Trip-Delay-Time (RTDT) nicht unterschritten wird – also die Zeit, die ein Datenpaket[Anmerkung_Coll 1] benötigt, um vom einen Ende des Netzes zum weitestentfernten anderen Ende des Netzes zu gelangen – und wieder zurück. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Kollision, die erst kurz vor dem zweiten Sender auftritt (ungünstigster Fall[Anmerkung_Coll 2]), sich noch bis zum ersten Sender ausbreiten kann, bevor dieser das Senden beendet hat. Somit erkennt der Sender die Kollision, weiß, dass sein Frame nicht richtig beim Empfänger ankommen konnte und sendet den Frame erneut.
Damit die Kollisionserkennung zuverlässig funktioniert, wurde eine maximal zulässige Netzwerkausdehnung und eine dazu passende minimale Framelänge (64 Byte) für Ethernet festgelegt. Sollen „zu kurze“ Frames übertragen werden, müssen diese dazu nötigenfalls auf eine zulässige minimale Paketlänge verlängert werden. Wären die Pakete zu klein, was die gleiche Wirkung wie ein zu großes Netz (zu hohe RTDT) hätte, könnte es zu vom Sender unerkannten Kollisionen kommen, und der gesamte Netzverkehr könnte beeinträchtigt werden. Solche Störungen sind tückisch, da Übertragungen bei niedererNetzlast oder auch bei bestimmten Paketgrößen normal funktionieren können. In die RTDT gehen auch Repeater und Hubs ein, die messbare Verzögerungszeiten bewirken, jedoch keine „Mediums-Ausdehnung“ haben. Daher ist es praktikabler, von Zeiten als von Mediumslängen zu sprechen.
In einem Netz mit maximaler Ausdehnung (~ maximale Round-Trip-Delay-Time) sind die StationenAlpha undOmega die beiden am weitesten auseinanderliegenden Stationen. Das Medium ist frei undAlpha beginnt mit der Übertragung. BisOmega bemerkt, dassAlpha sendet, dauert es genau eine halbe Round-Trip-Delay-Time – die Zeit, welche die Signale vonAlpha brauchen, um bis zur StationOmega zu gelangen. Hat nunOmega auch etwas zu übertragen und beginnt unmittelbar vor dem Eintreffen der Signale vonAlpha mit dem Senden – als aus Sicht vonOmega die Leitung ja noch frei war – kommt es zunächst knapp vorOmega zur Kollision.Omega bemerkt die Störung seiner Aussendung, sendet „JAM“ und bricht das Senden ab. Bis jetzt auchAlpha die Kollision bemerkt, dauert es noch eine weitere halbe RTDT – die Zeit, welche die (ersten) Signale vonOmega brauchen, um bis zur StationAlpha zu gelangen. DamitAlpha die Kollision bemerkt (und später eine Sendewiederholung initiieren kann), mussAlpha also noch solange weiter senden, bis ausreichend Signale vonOmega eingetroffen sind. Außerdem müssen alle Stationen, die das (Teil-)Paket vonAlpha empfangen haben, (rechtzeitig) über die Kollision informiert werden (-> JAM). Die minimale Sendedauer (~ minimale Paketgröße) muss also stets größer sein als die RTDT (~ doppelte maximale Signallaufzeit des Netzes).
Um die maximale Ausdehnung zwischen zwei Stationen zu berechnen, bei der eine Kollisionserkennung noch gewährleistet ist, gilt:
Die Signalgeschwindigkeit ergibt sich aus derLichtgeschwindigkeit, multipliziert mit demVerkürzungsfaktor VKF. Bei Koaxialkabel beträgt dieser ca. 0,7.
Die Sendedauer berechnet sich aus der Übertragungsdauer für einBit, multipliziert mit der Anzahl der Bits. Die Anzahl der Bits beträgt bei einem Ethernetframe 512 (= 64 Byte). Dies umfasst nur den eigentlichen Datenrahmen, zu dem noch die 8 Byte der Präambel und des so genannten Start of Frame Delimiter hinzugefügt werden muss, in Summe also 576 bit (72 Byte).[1]
Die Übertragungsdauer eines Bits hängt von der Bitübertragungsgeschwindigkeit ab. Bei 10 Mbit/s dauert ein Bit 100 ns. Somit dauert der minimale Ethernet-Rahmen 57,6 µs.
Die maximale Länge bei10BASE5 beträgt 2500 m, bei10BASE2 nur 185 m. Die Kollisionserkennung ist gewährleistet.
Muss die Übertragung wegen eines Konflikts abgebrochen werden, so käme es unmittelbar zu einem erneuten Konflikt, wenn die beteiligten Sendestationen sofort nach dem Abbruch erneut senden würden. Sie müssen daher eine im Allgemeinen unterschiedlich lange Pause einlegen, sodass nur eine der Stationen als erste ihr Senden wiederholt.
Bei Ethernet wählen die Konfliktparteien hierzu eine zufällige ganze Zahlz aus dem Intervall (das sog. Contention Window), wobeii für die Anzahl der bereits in Folge aufgetretenen Konflikte steht. Der Bereich der möglichen Warte-Zeitabschnitte steigt also exponentiell, daher wird dieses VerfahrenBinary Exponential Backoff genannt. Die Sendestation wartet nun den Zeitraum vonz * Slot_time (s. o.) ab und sendet danach erneut, falls das Medium frei ist. Die Station mit dem kleinstenz erfährt keinen Konflikt mehr, sofern die anderen Kollisionsbeteiligten nicht denselben z-Wert gezogen haben.
Da die Streuung der möglichen Wartezeiten exponentiell mit der Anzahl der aufgetretenen Folgekollisionen wächst, ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass viele Konflikte hintereinander auftreten, da die Konfliktparteien hierzu regelmäßig dieselbe Zufallszahl ziehen müssten. Daher wird nach 16 Konflikten in Folge der Sendeversuch abgebrochen und ein Systemfehler angenommen.
Der Nachteil der Methode ist, dass rechnerisch keinerlei Garantie herrscht, dass ein Paket zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits angekommen ist. Der Übertragungserfolg hat lediglich eine gewisseWahrscheinlichkeit. Das Verfahren ist also nichtechtzeitfähig, wie es etwa beiToken Ring der Fall ist.
Aufgrund der auftretenden Kollisionen ist es nicht möglich, die theoretische Übertragungskapazität eines Mediums voll auszuschöpfen. In der Praxis kann man davon ausgehen, dass sich im günstigsten Fall etwa 70 % der Nominalleistung erzielen lassen, unter ungünstigeren Bedingungen sind es unter 30 %. Je mehr Rechner sich im Netzwerk beteiligen und je höher die Auslastung steigt, desto mehr Kollisionen treten auf, und der reell erzielte Datendurchsatz sinkt deutlich ab.
CSMA/CD ist derSicherungsschicht des OSI-Modells zuzuordnen. Es wird von der Ethernetschnittstelle (z. B. Netzwerkkarte) durchgeführt, soweit diese imHalbduplex-Modus betrieben wird – das Netzwerk hat hier signaltechnisch eineBus-Topologie.
Ethernet-Netze können auch in (signal-technischer)Stern-Topologie verschaltet sein, wobei die einzelnen Anschlüsse zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden. Hier kann die Schnittstelle in denVollduplex-Modus umkonfiguriert werden (mitunter automatisch), was CSMA/CD abschaltet, da hier keine Kollisionen mehr auftreten können. Somit kann die Schnittstelle gleichzeitig senden und empfangen.
Auch gibt es gänzlich kollisionsfreie Übertragungsprinzipien wie dasToken Passing, es kommt z. B. beiARCNET oderToken Ring zum Einsatz.