Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

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 Signal-Eigenschaften verletzen. Diese Abweichung kann von allen (auch den momentan unbeteiligten) Kommunikationspartnern erkannt und als Kollision identifiziert werden.

Zeigt das Senden von Alpha nach Omega

Eine Kollision muss insbesondere vom Sender erkannt werden, damit er eine Sendewiederholung durchführen kann. Abhängig von der Übertragungsrate, der Signalausbreitungsgeschwindigkeit und der maximalen Distanz der Teilnehmer ergibt sich eine minimale Paketlänge (eigentlich Framelänge), 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 RoundTripDelayTime (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 niederer Netzlast 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.

1. Für die Festlegung der RoundTripDelayTime muss nicht ein ganzes Datenpaket vom einen bis zum anderen Ende des Mediums und wieder zurück gelangen - es genügt ein Beginn-Abschnitt, der ausreichend lang für eine zuverlässige Kollisionserkennung ist.
2. Ungünstigster Fall: Sender_1 und Sender_2 befinden sich an den äußersten Enden eines maximal langen Mediums, Sender_2 beginnt zu senden, als ihn das Signal von Sender_1 fast erreicht hat.

In einem Netz mit maximaler Ausdehnung (~maximale RoundTripDelayTime) sind die Stationen Alpha und Omega die beiden am weitesten auseinanderliegenden Stationen. Das Medium ist frei und Alpha beginnt mit der Übertragung. Bis Omega bemerkt, dass Alpha sendet, dauert es genau eine halbe RoundTripDelayTime – die Zeit, welche die Signale von Alpha brauchen, um bis zur Station Omega zu gelangen. Hat nun Omega auch etwas zu übertragen und beginnt unmittelbar vor dem Eintreffen der Signale von Alpha mit dem Senden – als aus Sicht von Omega die Leitung ja noch frei war – kommt es zunächst knapp vor Omega zur Kollision. Omega bemerkt die Störung seiner Aussendung, sendet „JAM“ und bricht das Senden ab. Bis jetzt auch Alpha die Kollision bemerkt, dauert es noch eine weitere halbe RTDT – die Zeit, welche die (ersten) Signale von Omega brauchen, um bis zur Station Alpha zu gelangen. Damit Alpha die Kollision bemerkt (und später eine Sendewiederholung initiieren kann), muss Alpha also noch solange weiter senden, bis ausreichend Signale von Omega eingetroffen sind. Außerdem müssen alle Stationen, die das (Teil-)Paket von Alpha 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:

${\displaystyle 2\cdot s_{\mathrm {max} }=v\cdot t_{\text{Frame}}}$, Signalgeschwindigkeit ${\displaystyle v}$ und Sendedauer ${\displaystyle t_{\text{Frame}}}$

Die Signalgeschwindigkeit ${\displaystyle v}$ ergibt sich aus der Lichtgeschwindigkeit ${\displaystyle c}$, multipliziert mit dem Verkürzungsfaktor VKF. Bei Koaxialkabel beträgt dieser ca. 0,7.

Die Sendedauer ${\displaystyle t}$ berechnet sich aus der Übertragungsdauer für ein Bit, 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 576bit (72 Byte).[1]

Die Übertragungsdauer eines Bits hängt von der Bitübertragungsgeschwindigkeit ${\displaystyle v_{\mathrm {bit} }}$ ab. Bei 10 MBit/s dauert ein Bit 100 ns. Somit dauert der minimale Ethernet-Rahmen 57,6 µs.

${\displaystyle 2\cdot s_{\mathrm {max} }=v\cdot t_{\text{Frame}}=c\cdot VKF\cdot 576\cdot {\frac {1}{v_{\mathrm {Bit} }}}=3\cdot 10^{8}\,\mathrm {\frac {m}{s}} \cdot 0{,}7\cdot 576{,}0\cdot 100\,\mathrm {ns} =12096\,\mathrm {m} }$

Die maximale Länge bei 10BASE5 beträgt 2500 m, bei 10BASE2 nur 185 m. Die Kollisionserkennung ist gewährleistet.