Badania lokalizacji Wi-Fi, analiza, rozwiązywanie problemów działa na komputerze MacBook (macOS 11+) lub dowolnym laptopie (Windows 7/8/10/11) ze standardowym adapterem sieci bezprzewodowej 802.11be/ax/ac/n/g/a/b. Więcej o wsparciu 802.11be przeczytasz tutaj.
Rola CSMA/CA w komunikacji WiFi
W świecie standardów WiFi efektywna transmisja danych jest kluczowa dla utrzymania niezawodnych połączeń bezprzewodowych. Jednym z głównych protokołów, które to umożliwiają, jest Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Przyjrzyjmy się, jak to działa.
Przejdź do...
Czym jest CSMA/CA?
Wyobraź sobie, że wchodzisz do zatłoczonej kawiarni podczas porannego szczytu. Próbujesz złożyć zamówienie, ale trzech innych klientów w tym samym czasie wykrzykuje swoje. Biedny barista za ladą nie jest w stanie wyłowić z tego chaosu ani jednego kompletnego zamówienia. Dokładnie to samo stałoby się w sieciach bezprzewodowych bez systemu zarządzającego komunikacją urządzeń.
Rozwiązanie? Protokół o nazwie CSMA/CA, co oznacza:
- Carrier Sense (CS): Urządzenia muszą „nasłuchiwać”, aby sprawdzić, czy kanał bezprzewodowy jest w danym momencie używany przez inne urządzenie.
- Multiple Access (MA): Oznacza to, że wiele urządzeń współdzieli ten sam kanał bezprzewodowy, podobnie jak wiele samochodów jeździ po tej samej drodze.
- Collision Avoidance (CA): Protokół aktywnie zapobiega kolizjom danych zanim do nich dojdzie, niczym sygnalizacja świetlna, która zapewnia, że samochody nie zderzają się ze sobą na skrzyżowaniach.
W swojej istocie CSMA/CA działa, wymagając od każdego urządzenia sprawdzenia, czy kanał bezprzewodowy jest wolny przed rozpoczęciem transmisji danych, wykorzystując do tego skoordynowany system żądań i zezwoleń, który zapobiega jednoczesnej transmisji przez wiele urządzeń. Gdy urządzenie chce wysłać dane, najpierw nasłuchuje kanału, czeka na swoją kolej, a następnie otrzymuje wyraźne pozwolenie od punktu dostępowego zanim przystąpi do nadawania.
To staranne koordynowanie zapobiega zakłóceniom w sieci bezprzewodowej i ich poważnym negatywnym konsekwencjom, takim jak uszkodzone pakiety danych, które muszą być całkowicie retransmitowane, drastycznie zmniejszona przepustowość sieci, zwiększone opóźnienia wrażliwe dla aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak rozmowy wideo i gry, nadmierne zużycie baterii w urządzeniach mobilnych przez powtarzające się próby transmisji oraz obniżona wydajność wszystkich połączonych urządzeń wraz ze wzrostem liczby kolizji.
Wariacje CSMA
Rodzina CSMA obejmuje kilka wariantów dostosowanych do różnych środowisk sieciowych, ale dwa najważniejsze to CSMA/CA oraz CSMA/CD:
| Aspekt | CSMA/CD | CSMA/CA |
| Typ sieci | Przewodowa (Ethernet) | Bezprzewodowa (WiFi) |
| Strategia kolizji | Wykrywa po wystąpieniu | Zapobiega przed wystąpieniem |
| Mechanizm | Monitoruje napięcie podczas transmisji | Używa procedury RTS/CTS |
| Narzucone obciążenie | Minimalne (tylko podczas kolizji) | Wyższe (wiadomości koordynujące) |
| Wydajność | Lepsza w środowiskach z małą liczbą kolizji | Lepsza w środowiskach z dużą liczbą kolizji |
| Problem ukrytego węzła | Nie dotyczy | Rozwiązywany przez koordynację |
CSMA/CD (Wykrywanie kolizji) to starszy członek rodziny, opracowany dla tradycyjnych przewodowych sieci Ethernet. W CSMA/CD urządzenia transmitują dane natychmiast po wykryciu wolnego kanału, a następnie monitorują występowanie kolizji podczas transmisji. Jeśli kolizja zostanie wykryta (przez wykrycie nietypowych poziomów napięcia na przewodzie), oba urządzenia przerywają transmisję, czekają losowy czas (backoff) i próbują ponownie.
CSMA/CA (Unikanie kolizji), na którym się skupiamy, stosuje podejście zapobiegawcze i został specjalnie zaprojektowany dla sieci bezprzewodowych. Zamiast wykrywać kolizje po ich wystąpieniu, CSMA/CA wykorzystuje mechanizm żądania wysłania/potwierdzenia możliwości wysłania (RTS/CTS), aby zarezerwować kanał przed transmisją i w ten sposób aktywnie zapobiegać występowaniu kolizji już na wstępie.
Oprócz tych dwóch głównych wariantów, rodzina CSMA obejmuje kilka strategii określających, jak agresywnie urządzenia próbują nadawać. Strategie te mogą być łączone zarówno z wykrywaniem kolizji (CD), jak i unikaniem kolizji (CA):
- CSMA 1-uparty: Możesz o tym pomyśleć jak o agresywnej odmianie, gdzie urządzenia nieustannie monitorują zajęty kanał i transmitują natychmiast po jego zwolnieniu, co może prowadzić do wysokiego współczynnika kolizji, jeśli wiele urządzeń czeka.
- CSMA nieuparty: Mniej agresywne podejście polega na tym, że urządzenia odczekują losowy czas przed ponownym sprawdzeniem kanału, co zmniejsza liczbę kolizji, ale może marnować cenny czas, gdy kanał jest faktycznie wolny. Właśnie na tym polega nieuparty CSMA.
- CSMA p-uparty: W tej wersji CSMA o transmisji decyduje prawdopodobieństwo — urządzenia nadają z określonym prawdopodobieństwem „p”, gdy znajdą wolny kanał. Dzięki temu rozwiązanie to stanowi kompromis pomiędzy agresywnym a zachowawczym podejściem.
Każda z tych odmian rozwinęła się, aby rozwiązywać konkretne wyzwania sieciowe, ale CSMA/CA jest najważniejszy w środowiskach bezprzewodowych, na których skupiamy się w NetSpot. Jako twórcy łatwego w obsłudze oprogramowania do oceny, skanowania i analizy sieci bezprzewodowych, widzimy na własne oczy, jak mechanizm unikania kolizji w CSMA/CA jest kluczowy dla utrzymania płynnego działania sieci WiFi, które NetSpot pomaga analizować i optymalizować.
Jak działa CSMA/CA?
Omówiliśmy już, czym zajmuje się CSMA/CA na wysokim poziomie, ale możesz być również zainteresowany, jak to faktycznie działa. W swojej istocie CSMA/CA wymusza, by każde urządzenie wykonało określoną sekwencję kroków przed rozpoczęciem transmisji danych:
- Nasłuchuj zanim zaczniesz mówić: Urządzenie przeprowadza wykrywanie nośnej, sprawdzając, czy na kanale bezprzewodowym nie trwa już inna transmisja.
- Czekaj na ciszę: Jeśli kanał jest zajęty, urządzenie wycofuje się, używając algorytmu wykładniczego opóźnienia, w którym czas oczekiwania podwaja się po każdej nieudanej próbie.
- Obserwuj okres IFS: Nawet gdy kanał wydaje się wolny, urządzenie czeka przez okres Inter-Frame Space (IFS), aby upewnić się, że poprzednia transmisja została w pełni zakończona.
- Dodaj losowe opóźnienie: Urządzenie czeka dodatkowy, losowo wybrany czas, aby zapobiec jednoczesnej transmisji przez kilka urządzeń, gdy kanał się zwolni.
- Przekaż dane: Na koniec urządzenie przesyła swoją ramkę danych i oczekuje na potwierdzenie odbioru od odbiorcy.
Ten podstawowy proces sprawdza się dobrze przy małych transferach danych w niewielkich sieciach. Jednak sieci bezprzewodowe z większymi transmisjami lub gęstym obciążeniem wymagają bardziej zaawansowanych rozwiązań:
- RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send): W zatłoczonych sieciach lub przy dużych transferach urządzenia mogą opcjonalnie korzystać z protokołu uzgadniania przed rozpoczęciem transmisji. Nadawca najpierw wysyła krótką ramkę RTS z prośbą o zgodę na transmisję. Punkt dostępowy odpowiada ramką CTS, przyznając pozwolenie i jednocześnie ostrzegając wszystkie inne urządzenia w zasięgu, aby pozostały cicho.
- Network Allocation Vector (NAV): Ten mechanizm wirtualnego wykrywania nośnej dodaje dodatkową warstwę ochrony przed kolizjami poza fizycznym wykrywaniem sygnału. Każda przesyłana ramka zawiera informacje o czasie trwania, dzięki czemu inne urządzenia wiedzą dokładnie, jak długo kanał będzie zajęty. Urządzenia, które odbiorą te ramki, ustawiają swój licznik NAV i uznają kanał za "wirtualnie zajęty" przez ten czas.
- Inteligentne ustalanie czasu: Nowoczesny CSMA/CA stosuje różne okresy Inter-Frame Space (IFS), aby priorytetyzować ruch i utrzymać porządek w zatłoczonych sieciach. Kluczowe ramki potwierdzeń otrzymują najkrótszy czas oczekiwania (SIFS) dla szybkiej weryfikacji udanych transmisji. Zwykłe dane wykorzystują standardowe odstępy (DIFS), a odzyskiwanie po błędach — najdłuższe (EIFS).
Razem te mechanizmy umożliwiają CSMA/CA obsługę wszystkiego — od spokojnych, domowych sieci po zatłoczone sieci WiFi na lotniskach obsługujących tysiące urządzeń.
Oczywiście CSMA/CA samo w sobie nie jest w stanie zapewnić idealnej wydajności WiFi — znaczenie mają także takie czynniki jak siła sygnału, zakłócenia i konfiguracja sieci. Właśnie dlatego narzędzia takie jak NetSpot są nieocenione zarówno dla administratorów sieci, jak i użytkowników domowych, ponieważ pomagają wizualizować i optymalizować fizyczną stronę sieci bezprzewodowej: od identyfikacji martwych stref po wyszukiwanie najmniej zatłoczonych kanałów.
Podsumowanie
CSMA/CA to podstawowy protokół, który zapobiega kolizjom danych w sieciach WiFi, wymagając od urządzeń sprawdzenia, czy kanał jest wolny przed rozpoczęciem transmisji. Protokół łączy różne techniki współpracujące ze sobą w celu obsługi różnych warunków sieciowych, od prostych domowych instalacji po środowiska o dużej gęstości z setkami konkurujących urządzeń.
Zatem, polecamy
NetSpot
FAQ
Co robi CSMA/CA?
CSMA/CA zapobiega kolizjom danych w sieciach WiFi, sprawiając, że urządzenia sprawdzają, czy kanał bezprzewodowy jest wolny przed rozpoczęciem transmisji.
Jaka jest różnica między CSMA/CD a CSMA/CA?
Istnieją dwie główne różnice między CSMA/CD a CSMA/CA. Po pierwsze, CSMA/CD wykrywa kolizje po ich wystąpieniu poprzez monitorowanie zmian napięcia na przewodzie, podczas gdy CSMA/CA zapobiega kolizjom zanim do nich dojdzie, używając mechanizmów koordynujących, takich jak RTS/CTS. Po drugie, CSMA/CD jest stosowane wyłącznie w przewodowych sieciach Ethernet, gdzie wszystkie urządzenia mogą się wzajemnie "słyszeć", natomiast CSMA/CA jest przeznaczone do sieci bezprzewodowych.
Czy nadal używamy CSMA/CA?
Tak, CSMA/CA jest nadal aktywnie używane w każdej sieci WiFi, począwszy od najnowszego standardu Wi-Fi 7 (który wprowadził ulepszenia, takie jak wielodostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości dla lepszej wydajności) aż po starsze implementacje 802.11.
Dlaczego MAC 802.11 używa CSMA/CA zamiast CSMA/CD?
802.11 używa CSMA/CA, ponieważ urządzenia bezprzewodowe nie mogą jednocześnie nadawać i odbierać na tej samej częstotliwości, dlatego nie są w stanie wykrywać kolizji podczas transmisji. Dodatkowo, sieci bezprzewodowe napotykają unikalne wyzwania, takie jak ukryte węzły (urządzenia, które nie słyszą się nawzajem, ale zakłócają transmisję w punkcie dostępowym), co sprawia, że wykrywanie kolizji jest niepraktyczne, a unikanie kolizji konieczne.
Pobierz NetSpot za darmo
Badania lokalizacji Wi-Fi, analiza, rozwiązywanie problemów działa na komputerze MacBook (macOS 11+) lub dowolnym laptopie (Windows 7/8/10/11) ze standardowym adapterem sieci bezprzewodowej 802.11be/ax/ac/n/g/a/b. Więcej o wsparciu 802.11be przeczytasz tutaj.