Acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones

El acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones ( CSMA/CD ) es un método de control de acceso al medio (MAC) utilizado principalmente en las primeras tecnologías Ethernet para redes de área local . Utiliza la detección de portadora para retrasar las transmisiones hasta que ninguna otra estación esté transmitiendo. Esto se utiliza en combinación con la detección de colisiones, en la que una estación transmisora ​​detecta colisiones al detectar transmisiones de otras estaciones mientras transmite una trama . Cuando se detecta esta condición de colisión, la estación deja de transmitir esa trama, transmite una señal de interferencia y luego espera un intervalo de tiempo aleatorio antes de intentar reenviar la trama. ^{[ 1 ]}

CSMA/CD es una modificación del acceso múltiple con detección de portadora (CSMA). Se utiliza para mejorar el rendimiento de CSMA al finalizar la transmisión tan pronto como se detecta una colisión, lo que reduce el tiempo necesario antes de que se pueda intentar un nuevo intento.

Con la creciente popularidad de los conmutadores Ethernet en la década de 1990, la operación punto a punto dúplex completo se convirtió en estándar en FastEthernet y GigabitEthernet . En estas redes no se producen colisiones. Además, en 2011, el estándar IEEE 802.3 dejó de utilizar repetidores Ethernet en favor de los conmutadores Ethernet, lo que hizo que la operación CSMA/CD y semidúplex fuera menos común y menos importante. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El siguiente procedimiento se utiliza para iniciar una transmisión. El procedimiento finaliza cuando la trama se transmite correctamente o se detecta una colisión durante la transmisión. ^{[ 4 ] : 33}

1. ¿Está listo el bastidor para la transmisión? Si no, espere a que llegue uno.
2. ¿Está el medio inactivo? Si no, espere hasta que esté listo. ^{[ nota 1 ]}
3. Inicie la transmisión y supervise si hay colisiones durante la misma.
4. ¿Se produjo una colisión? En caso afirmativo, vaya al procedimiento de detección de colisión.
5. Reiniciar los contadores de retransmisión y completar la transmisión de la trama.

El siguiente procedimiento se utiliza para resolver una colisión detectada. El procedimiento finaliza cuando se inicia la retransmisión o cuando esta se interrumpe debido a múltiples colisiones.

1. Continuar la transmisión (con una señal de interferencia en lugar de la cabecera/datos/ CRC de la trama ) hasta que se alcance el tiempo mínimo del paquete para garantizar que todos los receptores detecten la colisión.
2. Incrementar el contador de retransmisiones.
3. ¿Se alcanzó el número máximo de intentos de transmisión? En caso afirmativo, aborte la transmisión.
4. Calculate and wait the random backoff period based on number of collisions.
5. Re-enter main procedure at stage 1.

Methods for collision detection are media dependent. On a shared, electrical bus such as 10BASE5 or 10BASE2, collisions can be detected by comparing transmitted data with received data or by recognizing a higher than normal signal amplitude on the bus.^[5][6] On all other media, a carrier sensed on the receive channel while transmitting triggers a collision event.^[7] Repeaters or hubs detect collisions on their own and propagate jam signals.^[8][9]

The collision recovery procedure can be likened to what happens at a dinner party, where all the guests talk to each other through a common medium (the air). Before speaking, each guest politely waits for the current speaker to finish. If two guests start speaking at the same time, both stop and wait for short, random periods of time (in Ethernet, this time is measured in microseconds). The hope is that by each choosing a random period of time, both guests will not choose the same time to try to speak again, thus avoiding another collision.

The jam signal or jamming signal is a signal that carries a 32-bit binary pattern sent by a data station to inform the other transmitting stations of the collision and that they must not transmit.^[10][11]

The maximum jam-time is calculated as follows: The maximum allowed diameter of an Ethernet installation is limited to 232 bits. This makes a round-trip time of 464 bits. As the slot time in Ethernet is 512 bits, the difference between slot time and round-trip-time is 48 bits (6 bytes), which is the maximum jam-time.

This in turn means: A station noting a collision has occurred is sending a 4- to 6-byte-long pattern composed of 16 1-0 bit combinations.^{[note 2]}

The purpose of this is to ensure that any other node that may currently be receiving a frame will receive the jam signal in place of the correct 32-bit MAC CRC; this causes the other receivers to discard the frame due to a CRC error.

Una colisión tardía es un tipo de colisión que ocurre más adelante en el paquete de lo permitido por el estándar de protocolo en cuestión. En Ethernet de medio compartido de 10 megabits por segundo, si se produce un error de colisión después de que la estación transmisora ​​haya transmitido los primeros 512 bits de datos, ^{[ 12 ]} se dice que se ha producido una colisión tardía. Es importante destacar que las colisiones tardías no son reenviadas por la NIC , a diferencia de las colisiones que ocurren antes de los primeros 64 octetos; corresponde a las capas superiores de la pila de protocolos determinar que hubo pérdida de datos.

Dado que un enlace de red CSMA/CD configurado correctamente no debería presentar colisiones tardías, las posibles causas habituales son la incompatibilidad entre dúplex completo y semidúplex, el exceso de longitud del cable Ethernet o un hardware defectuoso, como un cableado incorrecto, un número de concentradores en la red que no cumple con los requisitos o una tarjeta de red defectuosa.

Una colisión local es aquella que se produce en la tarjeta de red (NIC) , a diferencia de las colisiones que ocurren en el cable. Una NIC no puede detectar colisiones locales sin intentar enviar información.

En el cable UTP , se detecta una colisión local en el segmento local únicamente cuando una estación detecta una señal en el par RX al mismo tiempo que transmite en el par TX. Dado que las dos señales se encuentran en pares diferentes, no se produce ningún cambio en las características de la señal. Las colisiones solo se reconocen en UTP cuando la estación opera en modo semidúplex . La única diferencia funcional entre el modo semidúplex y el modo dúplex completo, en este sentido, radica en si se permite o no el uso simultáneo de los pares de transmisión y recepción.

En redes informáticas CSMA/CD sobre medios semidúplex (10BASE5 o 10BASE2), una colisión remota se produce cuando se transmite una trama más corta que la longitud mínima. Esta trama puede provocar una colisión en el extremo remoto, que el transmisor no detecta, por lo que la trama no se reenvía en la capa física. Debido a la interferencia en el medio, los datos se corrompen y la secuencia de verificación de trama falla, lo que requiere una recuperación en una capa superior, si es posible.

El efecto de captura de canal es un fenómeno en el que un usuario de un medio compartido "captura" el medio durante un tiempo significativo. Durante este período (generalmente 16 tramas) , a otros usuarios se les niega el uso del medio. Este efecto se observó por primera vez en redes que utilizaban CSMA/CD en Ethernet. Debido a este efecto, la conexión con mayor intensidad de datos domina el canal inalámbrico de acceso múltiple. ^{[ 13 ]} Esto sucede en los enlaces Ethernet debido a la forma en que los nodos "retroceden" del enlace e intentan volver a acceder a él. En el protocolo Ethernet, cuando ocurre una colisión de comunicación (cuando dos usuarios del medio intentan enviar al mismo tiempo), cada usuario espera un período de tiempo aleatorio antes de volver a acceder al enlace. Sin embargo, un usuario esperará ("retrocederá") durante una cantidad de tiempo aleatoria proporcional al número de veces que ha intentado acceder al enlace sucesivamente. El efecto de captura de canal ocurre cuando un usuario continúa "ganando" el enlace.

Por ejemplo, el usuario A y el usuario B intentan acceder a un enlace silencioso al mismo tiempo. Al detectar una colisión, el usuario A espera un tiempo aleatorio entre 0 y 1 unidad de tiempo, al igual que el usuario B. Digamos que el usuario A elige un tiempo de espera menor. El usuario A comienza a usar el enlace y B le permite terminar de enviar su trama . Si el usuario A aún tiene más datos por enviar, entonces el usuario A y el usuario B causarán otra colisión de datos. A elegirá nuevamente un tiempo de espera aleatorio entre 0 y 1, pero el usuario B elegirá un tiempo de espera entre 0 y 3, ya que esta es la segunda vez consecutiva que B colisiona. Lo más probable es que A vuelva a "ganar" esta vez. Si esto continúa, lo más probable es que A gane todas las batallas de colisión, y después de 16 colisiones (el número de intentos antes de que un usuario retroceda durante un período prolongado de tiempo), el usuario A habrá "capturado" el canal.

La capacidad de un nodo para capturar todo el medio disminuye a medida que aumenta el número de nodos. Esto se debe a que, al aumentar el número de nodos, existe una mayor probabilidad de que alguno de los otros nodos tenga un tiempo de espera menor que el del nodo que realiza la captura.

El efecto de captura de canal crea una situación en la que una estación puede transmitir mientras las demás se retiran continuamente, lo que genera una situación de desigualdad a corto plazo. Sin embargo, a largo plazo la situación es justa, ya que cada estación tiene la oportunidad de "capturar" el medio una vez que una estación termina de transmitir. La eficiencia del canal aumenta cuando un nodo lo captura.

Un efecto secundario negativo del efecto de captura sería el tiempo de inactividad generado por la retirada de estaciones. Una vez que una estación termina de transmitir en el medio, se producen largos periodos de inactividad porque todas las demás estaciones han estado retirando continuamente sus paquetes. En algunos casos, la retirada puede prolongarse tanto que algunas estaciones incluso descartan paquetes al alcanzar el límite máximo de intentos.

CSMA/CD se utilizaba en variantes de Ethernet de medio compartido ahora obsoletas ( 10BASE5 , 10BASE2 ) y en las primeras versiones de Ethernet de par trenzado , que utilizaban concentradores repetidores . Las redes Ethernet modernas, construidas con conmutadores y conexiones dúplex completo , ya no necesitan usar CSMA/CD, porque cada segmento Ethernet, o dominio de colisión , ahora está aislado. CSMA/CD todavía se admite para retrocompatibilidad y para conexiones semidúplex. El estándar IEEE 802.3 , que define todas las variantes de Ethernet, por razones históricas aún llevaba el título "Método de acceso y especificaciones de la capa física del método de acceso múltiple con detección de colisión (CSMA/CD)" hasta 802.3-2008, que utiliza el nuevo nombre "Estándar IEEE para Ethernet".

• Acceso múltiple con detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA)
• Paso de testigo , un método de acceso al canal más determinista.