Wi-Fi-sivustojen kartoitus, analysointi, vianmääritys toimii MacBookilla (macOS 11+) tai millä tahansa kannettavalla tietokoneella (Windows 7/8/10/11), jossa on standardi 802.11be/ax/ac/n/g/a/b langaton verkkosovitin. Lue lisää 802.11be-tuesta täältä.
CSMA/CA:n rooli WiFi-viestinnässä
WiFi-standardien maailmassa tehokas tiedonsiirto on ratkaisevan tärkeää luotettavien langattomien yhteyksien ylläpitämiseksi. Yksi keskeisistä protokollista, joka tekee tämän mahdolliseksi, on Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Tutustutaanpa, miten se toimii.
Siirry kohtaan...
Mitä on CSMA/CA?
Kuvittele, että astut ruuhkaiseen kahvilaan aamukiireen aikaan. Yrität tehdä tilaustasi, mutta kolme muuta asiakasta huutaa omia tilauksiaan samanaikaisesti. Tiskin takana oleva raukka barista ei pysty ymmärtämään yhtäkään kokonaista tilausta kaaoksen keskellä. Juuri näin kävisi langattomissa verkoissa ilman järjestelmää, joka hallitsee, kuinka laitteet viestivät keskenään.
Ratkaisu? Protokolla nimeltä CSMA/CA, joka tarkoittaa:
- Kantaman aistiminen (CS): Laitteiden on "kuunneltava" ja tunnistettava, onko langaton kanava parhaillaan toisen laitteen käytössä.
- Moninkertainen käyttö (MA): Tämä tarkoittaa, että useat laitteet jakavat saman langattoman kanavan, kuten useat autot jakavat saman tien.
- Törmäysten välttäminen (CA): Protokolla ehkäisee aktiivisesti datatörmäykset ennen kuin ne ehtivät tapahtua, kuten liikennevalojärjestelmä, joka varmistaa, ettei autoja törmää risteyksessä toisiinsa.
CSMA/CA-protokollan ydin on, että jokaisen laitteen on tarkistettava, onko langaton kanava vapaa, ennen kuin se siirtää dataa. Tämä toteutetaan koordinoidulla pyyntöjen ja lupien järjestelmällä, joka estää useiden laitteiden samanaikaisen lähettämisen. Kun laite haluaa lähettää dataa, sen täytyy ensin kuunnella kanavaa, odottaa vuoroaan ja saada nimenomainen lupa tukiasemalta ennen kuin se jatkaa lähettämistä.
Tämä huolellinen koordinointi ehkäisee langattomia häiriöitä ja niiden vakavia haittavaikutuksia, kuten vioittuneita datapaketteja, jotka on lähetettävä kokonaan uudelleen, verkon läpimenon huomattavaa heikentymistä, viiveen kasvua video- ja pelisovellusten kaltaisissa aikakriittisissä käyttökohteissa, liiallista akun kulumista mobiililaitteissa toistuvista lähetysyrityksistä sekä kaikkien yhdistettyjen laitteiden suorituskyvyn heikentymistä törmäysten yleistyessä.
CSMA-muunnelmat
CSMA-perhe sisältää useita eri variaatioita, jotka sopivat erilaisiin verkkoympäristöihin, mutta kaksi tärkeintä ovat CSMA/CA ja CSMA/CD:
| Näkökulma | CSMA/CD | CSMA/CA |
| Verkkotyyppi | Johdollinen (Ethernet) | Langaton (WiFi) |
| Törmäys-strategia | Tunnistaa tapahtuman jälkeen | Ehkäisee ennen tapahtumaa |
| Mekanismi | Tarkkailee jännitettä lähetyksen aikana | Käyttää RTS/CTS-kättelyä |
| Ylikuorma | Vähäinen (vain törmäyksessä) | Suurempi (koordinointi-viestit) |
| Tehokkuus | Parempi ympäristöihin, joissa on vähän törmäyksiä | Parempi paljon törmäyksiä sisältävissä ympäristöissä |
| Piilossa olevan solmun ongelma | Ei sovellu | Ratkaistaan koordinaation avulla |
CSMA/CD (Collision Detection) on vanhempi sisar, joka kehitettiin perinteisiin langallisiin Ethernet-verkkoihin. CSMA/CD:ssä laitteet lähettävät dataa heti, kun ne havaitsevat kanavan olevan vapaa, ja seuraavat sitten törmäyksiä lähetyksen aikana. Jos törmäys havaitaan (tunnistamalla poikkeavat jännitetasot johdossa), molemmat laitteet lopettavat lähetyksen, odottavat satunnaisen viiveen ja yrittävät uudelleen.
CSMA/CA (Collision Avoidance), joka on pääaiheemme, käyttää ennaltaehkäisevää lähestymistapaa, joka on suunniteltu erityisesti langattomille verkoille. Sen sijaan, että se havaitsisi törmäykset niiden jälkeen, CSMA/CA käyttää request-to-send/clear-to-send (RTS/CTS) -mekanismia varatakseen kanavan ennen lähetystä estääkseen aktiivisesti törmäysten syntymisen jo alunperin.
Näiden kahden päävariantin lisäksi CSMA-perheeseen kuuluu useita persistenssistrategioita, jotka määrittelevät, kuinka aggressiivisesti laitteet pyrkivät lähettämään. Näitä strategioita voidaan yhdistää sekä törmäyksen tunnistukseen (CD) että törmäyksen välttämiseen (CA):
- 1-persistent CSMA: Tämä 1-persistent CSMA voidaan nähdä aggressiivisena muunnelmana, jossa laitteet tarkkailevat jatkuvasti varattua kanavaa ja lähettävät välittömästi, kun se vapautuu. Tämä voi johtaa suuriin törmäysmääriin, jos useat laitteet odottavat lähetysvuoroaan.
- Non-persistent CSMA: Vähemmän aggressiivinen lähestymistapa on, että laitteet odottavat satunnaisen ajan ennen kanavan uudelleentarkistusta, mikä vähentää törmäyksiä mutta voi hukata arvokasta aikaa silloin, kun kanava on oikeasti vapaa. Tämän tekee non-persistent CSMA.
- P-persistent CSMA: Tässä CSMA-versiossa lähetyspäätös tehdään todennäköisyyden avulla: laitteet lähettävät tietyllä todennäköisyydellä ‘p’ löydettyään vapaan kanavan. Näin se tarjoaa kompromissin aggressiivisen ja varovaisen lähestymistavan välillä.
Jokainen näistä muunnelmista on kehittynyt ratkaisemaan tiettyjä verkkoympäristöjen haasteita, mutta CSMA/CA on keskiössä erityisesti langattomissa ympäristöissä, joihin me NetSpotilla keskitymme. Helppokäyttöisen langattomien verkkojen arviointi-, skannaus- ja kartoitusohjelmiston kehittäjinä huomaamme käytännössä, kuinka CSMA/CA:n törmäyksen välttämisen mekanismi on elintärkeä sujuvan WiFi-suorituskyvyn ylläpitämisessä, jonka optimointiin NetSpot auttaa sinua.
Miten CSMA/CA toimii?
Olemme jo käsitelleet, mitä CSMA/CA tekee yleisellä tasolla, mutta saatat olla myös kiinnostunut siitä, miten se todellisuudessa toimii. Pohjimmiltaan CSMA/CA pakottaa jokaisen laitteen suorittamaan tietyn sarjan vaiheita ennen datan lähettämistä:
- Kuuntele ennen kuin puhut: Laite suorittaa kantaman aistinnan, eli tarkistaa, onko langattomassa kanavassa jo meneillään jokin lähetys.
- Odotetaan hiljaisuutta: Jos kanava on varattu, laite vetäytyy käyttämällä binaarista eksponentiaalista taantuma-algoritmia, jossa odotusajat kaksinkertaistuvat jokaisen epäonnistuneen yrityksen jälkeen.
- Tarkkaillaan IFS-jaksoa: Vaikka kanava näyttäisi vapaalta, laite odottaa kehysten välistä aikaa (Inter-Frame Space, IFS) varmistaakseen, että edellinen lähetys on varmasti päättynyt.
- Lisää satunnainen taantuma: Laite odottaa lisäksi satunnaisen ajan estääkseen useaa laitetta lähettämästä yhtäaikaisesti silloin, kun kanava vapautuu.
- Lähetä data: Lopulta laite lähettää data-kehyksensä ja jää odottamaan kuittausta vastaanottajalta.
Tämä perusprosessi toimii hyvin pienille tiedonsiirroille kevyesti kuormitetuissa verkoissa. Sen sijaan langattomat verkot, joissa on suurempia siirtoja tai paljon laitteita, vaativat edistyneempiä ratkaisuja:
- RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send): Vilkkaissa verkoissa tai suurilla tiedonsiirroilla laitteet voivat käyttää valinnaista kättelyprotokollaa ennen lähettämistä. Lähettäjä lähettää ensin lyhyen RTS-kehyksen pyytääkseen lupaa siirtoon. Tukiasema vastaa CTS-kehyksellä, joka myöntää oikeuden ja samalla varoittaa muita alueen laitteita pysymään hiljaa.
- Network Allocation Vector (NAV): Tämä virtuaalinen kantaman aistinta lisää ylimääräisen tason törmäyksien välttämistä fyysisen signaalin tunnistuksen lisäksi. Jokainen välitetty kehys sisältää keston, joka kertoo muille laitteille, kuinka kauan kanava tulee olemaan varattu. Kehyksen vastaanottaneet laitteet asettavat NAV-ajastimen ja pitävät kanavaa "virtuaalisesti varattuna" tämän ajan.
- Älykäs ajoitus: Nykyaikainen CSMA/CA käyttää erilaisia kehysten välisiä aikoja (IFS) priorisoidakseen liikennettä ja ylläpitääkseen järjestystä ruuhkaisissa verkoissa. Kriittiset kuittauskehykset saavat lyhimmän odotusajan (SIFS) nopeaan onnistuneen siirron vahvistukseen. Tavallinen data käyttää standardia väliä (DIFS), kun taas virheiden korjaukseen käytetään pisintä väliä (EIFS).
Nämä mekanismit yhdessä mahdollistavat CSMA/CA:n toiminnan kaikissa ympäristöissä — hiljaisista kotiverkoista vilkkaisiin lentoaseman WiFi-verkkoihin, joissa on tuhansia laitteita.
Tietenkin pelkkä CSMA/CA ei voi taata täydellistä WiFi:n suorituskykyä. Tekijät kuten signaalin vahvuus, häiriöt ja verkon asetukset vaikuttavat myös suuresti. Siksi työkalut kuten NetSpot ovat arvokkaita sekä verkon ylläpitäjille että kotikäyttäjille — niiden avulla voit visualisoida ja optimoida langattoman verkon fyysisiä rakenteita, kuten tunnistaa katvealueet tai löytää vähiten ruuhkaiset kanavat.
Johtopäätös
CSMA/CA on perustavanlaatuinen protokolla, joka estää datatörmäykset WiFi-verkoissa vaatimalla laitteita tarkistamaan, onko kanava vapaa ennen lähettämistä. Protokolla yhdistää useita tekniikoita, jotka toimivat yhdessä käsitelläkseen erilaisia verkko-olosuhteita yksinkertaisista kotiverkoista suuriin kohteisiin, joissa satoja laitteita kilpailee samasta verkosta.
SIIS SUOSITTELEMME
NetSpot
UKK
Mitä CSMA/CA tekee?
CSMA/CA estää tietojen törmäykset WiFi-verkoissa varmistamalla, että laitteet tarkistavat langattoman kanavan olevan vapaa ennen lähettämistä.
Mikä ero on CSMA/CD:n ja CSMA/CA:n välillä?
CSMA/CD:n ja CSMA/CA:n välillä on kaksi pääasiallista eroa. Ensinnäkin, CSMA/CD havaitsee törmäykset niiden tapahduttua seuraamalla johdon jännitemuutoksia, kun taas CSMA/CA estää törmäykset ennen niiden tapahtumista käyttämällä koordinointimekanismeja, kuten RTS/CTS. Toiseksi, CSMA/CD:tä käytetään yksinomaan kytketyissä Ethernet-verkoissa, joissa kaikki laitteet voivat kuulla toisensa, kun taas CSMA/CA on suunniteltu langattomiin verkkoihin.
Käytämmekö yhä CSMA/CA:ta?
Kyllä, CSMA/CA on edelleen aktiivisessa käytössä jokaisessa WiFi-verkossa nykypäivänä, alkaen uusimmasta Wi-Fi 7 -standardista (joka on tuonut mukanaan parannuksia, kuten ortogonaalinen taajuusjakoinen moniopastus paremman tehokkuuden saavuttamiseksi) aina vanhempiin 802.11-toteutuksiin asti.
Miksi 802.11 MAC käyttää CSMA/CA:ta CSMA/CD:n sijaan?
802.11 käyttää CSMA/CA:ta, koska langattomat laitteet eivät voi lähettää ja vastaanottaa samanaikaisesti samalla taajuudella, joten ne eivät pysty havaitsemaan törmäyksiä lähetyksen aikana. Lisäksi langattomissa verkoissa on ainutlaatuisia haasteita, kuten piilossa olevat solmut (laitteet, jotka eivät kuule toisiaan mutta häiritsevät toisiaan tukiasemalla), mikä tekee törmäysten havaitsemisesta käytännössä mahdotonta ja törmäysten välttämisestä välttämätöntä.
Hanki NetSpot ilmaiseksi
Wi-Fi-sivustojen kartoitus, analysointi, vianmääritys toimii MacBookilla (macOS 11+) tai millä tahansa kannettavalla tietokoneella (Windows 7/8/10/11), jossa on standardi 802.11be/ax/ac/n/g/a/b langaton verkkosovitin. Lue lisää 802.11be-tuesta täältä.