استطلاعات مواقع Wi-Fi، التحليل، استكشاف الأخطاء وإصلاحها يعمل على MacBook (macOS 11+) أو أي لابتوب (Windows 7/8/10/11) مع محول شبكة لاسلكية قياسي 802.11be/ax/ac/n/g/a/b. اقرأ المزيد عن دعم 802.11be هنا.
دور CSMA/CA في الاتصال عبر الواي فاي
في عالم معايير الواي فاي، يُعد النقل الفعال للبيانات أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على اتصالات لاسلكية موثوقة. أحد البروتوكولات الرئيسية التي تجعل ذلك ممكنًا هو الوصول المتعدد بالاستشعار الحاملي مع تجنب التصادم (CSMA/CA). دعونا نستكشف كيف يعمل هذا البروتوكول.
انتقل إلى...
ما هو CSMA/CA؟
تخيل أنك دخلت إلى مقهى مزدحم خلال ساعة الذروة الصباحية. تحاول تقديم طلبك، لكن ثلاثة زبائن آخرين يصرخون بطلباتهم في نفس الوقت. الباريستا المسكين خلف المنضدة غير قادر على فهم طلب واحد كامل من وسط هذه الفوضى. هذا بالضبط ما كان سيحدث في الشبكات اللاسلكية بدون نظام يدير كيفية تواصل الأجهزة مع بعضها البعض.
ما هو الحل؟ بروتوكول يسمى CSMA/CA، والذي يرمز إلى:
- استشعار الحامل (CS): يجب على الأجهزة أن "تستمع" لاستشعار ما إذا كان القناة اللاسلكية قيد الاستخدام حالياً من قبل جهاز آخر.
- الوصول المتعدد (MA): هذا يعني أن العديد من الأجهزة تشترك في نفس القناة اللاسلكية، تماماً كما تشارك عدة سيارات نفس الطريق.
- تجنب التصادم (CA): البروتوكول يمنع التصادمات في البيانات بشكل نشط قبل حدوثها، مثل نظام إشارات المرور الذي يضمن عدم اصطدام السيارات ببعضها البعض عند التقاطعات.
في جوهره، يعمل CSMA/CA من خلال إلزام كل جهاز بفحص ما إذا كانت القناة اللاسلكية خالية قبل إرسال البيانات باستخدام نظام منسق من الطلبات والإذونات لمنع أجهزة متعددة من الإرسال في نفس الوقت. عندما يرغب جهاز في إرسال بيانات، يجب عليه أولاً الاستماع إلى القناة، ثم ينتظر دوره، وبعد ذلك يتلقى إذنًا صريحًا من نقطة الوصول قبل المتابعة.
هذا التنسيق الدقيق يمنع التداخل اللاسلكي وعواقبه السلبية الخطيرة، مثل تلف حزم البيانات والتي يجب إعادة إرسالها بالكامل، وانخفاض كبير في إنتاجية الشبكة، وزيادة التأخير في التطبيقات الحساسة للوقت مثل مكالمات الفيديو والألعاب، واستهلاك البطارية بشكل مفرط في الأجهزة المحمولة بسبب محاولات الإرسال المتكررة، وتدهور الأداء لجميع الأجهزة المتصلة مع زيادة معدلات التصادم.
أنواع CSMA
تشمل عائلة CSMA عدة تنويعات تناسب بيئات الشبكة المختلفة، لكن الأهم هما CSMA/CA وCSMA/CD:
| الجانب | CSMA/CD | CSMA/CA |
| نوع الشبكة | سلكية (إيثرنت) | لاسلكية (واي فاي) |
| استراتيجية التصادم | يكتشف بعد الحدوث | يمنع قبل الحدوث |
| الآلية | يراقب الجهد أثناء الإرسال | يستخدم مصافحة RTS/CTS |
| التحميل الزائد | ضئيل (فقط عند التصادم) | أعلى (رسائل التنسيق) |
| الكفاءة | أفضل في بيئات التصادم المنخفض | أفضل في بيئات التصادم العالي |
| مشكلة العقدة المخفية | غير مطبقة | يعالجها عن طريق التنسيق |
CSMA/CD (كشف التصادم) هو الشقيق الأكبر، وتم تطويره لشبكات الإيثرنت السلكية التقليدية. في CSMA/CD، تقوم الأجهزة بإرسال البيانات فورًا عند استشعار أن القناة خالية، ثم تراقب حدوث التصادمات أثناء الإرسال. إذا تم الكشف عن تصادم (عن طريق استشعار مستويات جهد غير معتادة على السلك)، يتوقف كلا الجهازين عن الإرسال، وينتظران فترة عشوائية، ثم يحاولان الإرسال مجددًا.
CSMA/CA (تجنب التصادم)، وهو محور اهتمامنا الرئيسي، يتخذ نهجًا وقائيًا صُمم خصيصًا للشبكات اللاسلكية. بدلاً من اكتشاف التصادمات بعد حدوثها، يستخدم CSMA/CA آلية طلب الإرسال/تأكيد الإرسال (RTS/CTS) لحجز القناة قبل الإرسال لمنع وقوع التصادمات من الأساس.
بالإضافة إلى هذين النوعين الرئيسيين، تتضمن عائلة CSMA عدة إستراتيجيات للإصرار تحدد مدى عدوانية محاولة الأجهزة للإرسال. يمكن دمج هذه الإستراتيجيات مع كشف التصادم (CD) أو تجنب التصادم (CA):
- CSMA ذو الإصرار الواحد (1-Persistent CSMA): يمكنك اعتبار هذا النوع من CSMA كنسخة شديدة الإصرار حيث تراقب الأجهزة القناة المزدحمة باستمرار وتبدأ الإرسال فور ما تصبح خالية، وهذا قد يؤدي إلى معدلات تصادم عالية إذا كانت عدة أجهزة بانتظار الإرسال.
- CSMA غير المصر (Non-Persistent CSMA): نهج أقل عدوانية يتمثل في انتظار الأجهزة فترة عشوائية قبل إعادة التحقق من القناة، مما يقلل من التصادمات ولكنه ربما يهدر وقتًا ثمينًا عندما تكون القناة بالفعل خالية. وهذا بالضبط ما يفعله CSMA غير المصر.
- CSMA ذو الإصرار الاحتمالي (P-Persistent CSMA): يستخدم هذا الإصدار من CSMA الاحتمالية لتقرير وقت الإرسال، حيث ترسل الأجهزة بفرصة معينة 'p' عند العثور على قناة خالية. وبهذا، يمثل هذا النهج حلاً وسطًا بين الأساليب العدوانية والمحافظة.
كل من هذه التعديلات تطورت لمعالجة تحديات الشبكات المحددة، لكن CSMA/CA هو نجم العرض عندما يتعلق الأمر بالبيئات اللاسلكية، وهو ما نركز عليه في NetSpot. بصفتنا مطوري برنامج سهل الاستخدام لتقييم الشبكات اللاسلكية، والفحص، والمسح، نلاحظ عن كثب كيف أن آلية تجنب التصادم في CSMA/CA ضرورية للحفاظ على أداء WiFi السلس الذي يساعدك NetSpot على تحليله وتحسينه.
كيف يعمل CSMA/CA؟
لقد تناولنا بالفعل ما يفعله بروتوكول CSMA/CA بشكل عام، ولكن قد ترغب أيضًا في معرفة المزيد حول كيفية عمله فعليًا. في جوهره، يفرض CSMA/CA على كل جهاز إكمال تسلسل محدد من الخطوات قبل نقل البيانات:
- الاستماع قبل التحدث: يقوم الجهاز بإجراء استشعار الناقل، للتحقق مما إذا كانت هناك عملية نقل أخرى جارية بالفعل على القناة اللاسلكية.
- انتظار الصمت: إذا كانت القناة مشغولة، ينتظر الجهاز عن طريق استخدام خوارزمية تأخير ازدواجي ثنائي (binary exponential backoff)، حيث تتضاعف فترات الانتظار بعد كل محاولة فاشلة.
- مراعاة فترة IFS: حتى عندما تبدو القناة خالية، ينتظر الجهاز لمدة "المسافة بين الإطارات" (Inter-Frame Space IFS) لضمان اكتمال النقل السابق بالكامل.
- إضافة فترة عشوائية: ينتظر الجهاز فترة إضافية عشوائية لمنع العديد من الأجهزة من الإرسال في الوقت نفسه عند خلو القناة.
- إرسال البيانات: أخيرًا، يرسل الجهاز إطار البيانات الخاص به وينتظر تأكيد الاستلام من الطرف المستقبل.
تعمل هذه العملية الأساسية بشكل جيد لنقل البيانات الصغيرة في الشبكات ذات الحمل الخفيف. ومع ذلك، تتطلب الشبكات اللاسلكية ذات الإرساليات الكبيرة أو البيئات المزدحمة حلولًا أكثر تطورًا:
- RTS/CTS (طلب إرسال/تأكيد إرسال): بالنسبة للشبكات المزدحمة أو عمليات النقل الكبيرة، يمكن للأجهزة استخدام بروتوكول المصافحة اليدوية الاختياري قبل الإرسال. يرسل الجهاز أولاً إطار RTS قصير لطلب الإذن بالإرسال. يستجيب نقطة الوصول بإطار CTS يمنح الإذن وينبه في الوقت نفسه جميع الأجهزة الأخرى ضمن النطاق بأن تبقى صامتة.
- متجه تخصيص الشبكة (NAV): تضيف آلية استشعار الناقل الافتراضي هذه طبقة إضافية من تجنب التصادم تتجاوز اكتشاف الإشارة الفعلية. يتضمن كل إطار مرسل معلومات عن المدة، لإخبار الأجهزة الأخرى بالضبط عن مدة شغل القناة. تقوم الأجهزة التي تستقبل هذه الإطارات بضبط مؤقت NAV الخاص بها وتعتبر القناة "مشغولة افتراضيًا" لتلك المدة.
- التوقيت الذكي: يستخدم CSMA/CA الحديث فترات IFS مختلفة لإعطاء الأولوية لحركة المرور والحفاظ على النظام في الشبكات المزدحمة. تحصل إطارات التأكيد الحرجة على أقصر وقت انتظار (SIFS) لتأكيد النقلات الناجحة بسرعة. تستخدم البيانات العادية وقت الانتظار القياسي (DIFS)، بينما تستغرق استرجاع الأخطاء أطول فترة انتظار (EIFS).
معًا، تجعل هذه الآليات من الممكن لبروتوكول CSMA/CA التعامل مع كل شيء بدءًا من شبكات المنازل الهادئة وصولاً إلى شبكات WiFi المزدحمة في المطارات التي تخدم آلاف الأجهزة.
بالطبع، لا يمكن لـ CSMA/CA وحده ضمان أداء WiFi المثالي؛ فعوامل مثل قوة الإشارة، والتداخل، وتكوين الشبكة تلعب أيضًا دورًا مهمًا. وهنا تصبح الأدوات مثل NetSpot ذات قيمة كبيرة لمسؤولي الشبكات والمستخدمين المنزليين على حد سواء، لأنها تساعدك على تصور وتحسين الجوانب الفيزيائية لشبكتك اللاسلكية، من تحديد المناطق الميتة إلى العثور على أقل القنوات ازدحامًا.
الختام
يُعد بروتوكول CSMA/CA بروتوكولاً أساسياً يمنع تصادم البيانات في شبكات الواي فاي من خلال إلزام الأجهزة بفحص القنوات والتأكد من خلوها قبل الإرسال. يجمع هذا البروتوكول بين عدة تقنيات تعمل معاً للتعامل مع ظروف الشبكة المختلفة، بدءاً من الإعدادات المنزلية البسيطة وصولاً إلى البيئات عالية الكثافة التي تحتوي على مئات الأجهزة المتنافسة.
إذًا، نوصي
NetSpot
الأسئلة الشائعة
ماذا يفعل بروتوكول CSMA/CA؟
يمنع CSMA/CA حدوث تصادم البيانات في شبكات الواي فاي من خلال جعل الأجهزة تتحقق مما إذا كانت القناة اللاسلكية خالية قبل الإرسال.
ما هو الفرق بين CSMA/CD وCSMA/CA؟
هناك اختلافان رئيسيان بين CSMA/CD و CSMA/CA. أولاً يكتشف CSMA/CD التصادمات بعد حدوثها من خلال مراقبة التغيرات في الجهد الكهربائي على السلك، بينما يمنع CSMA/CA التصادمات قبل حدوثها باستخدام آليات تنسيق مثل RTS/CTS. ثانياً يُستخدم CSMA/CD حصريًا في شبكات الإيثرنت السلكية حيث يمكن لجميع الأجهزة سماع بعضها البعض، في حين أن CSMA/CA مصمم للشبكات اللاسلكية.
هل ما زلنا نستخدم CSMA/CA؟
نعم، ما زال CSMA/CA يُستخدم بشكل نشط في كل شبكات الواي فاي اليوم، بدءاً من أحدث معيار Wi-Fi 7 (الذي أضاف تحسينات مثل الوصول المتعدد بتقسيم الترددات المتعامد من أجل كفاءة أفضل) وصولاً إلى إصدارات 802.11 الأقدم.
لماذا يستخدم بروتوكول MAC في 802.11 طريقة CSMA/CA بدلاً من CSMA/CD؟
يستخدم 802.11 بروتوكول CSMA/CA لأن الأجهزة اللاسلكية لا يمكنها الإرسال والاستقبال في نفس الوقت على نفس التردد، وبالتالي فهي غير قادرة على اكتشاف التصادمات أثناء الإرسال. بالإضافة إلى ذلك، تواجه الشبكات اللاسلكية تحديات فريدة مثل العقد المخفية (الأجهزة التي لا يمكنها سماع بعضها البعض ولكنها تتداخل عند نقطة الوصول) مما يجعل اكتشاف التصادمات غير عملي ويجعل تجنب التصادمات ضرورياً.
احصل على NetSpot مجانا
استطلاعات مواقع Wi-Fi، التحليل، استكشاف الأخطاء وإصلاحها يعمل على MacBook (macOS 11+) أو أي لابتوب (Windows 7/8/10/11) مع محول شبكة لاسلكية قياسي 802.11be/ax/ac/n/g/a/b. اقرأ المزيد عن دعم 802.11be هنا.