Mehrfachzugriffsprotokolle

Mehrfachzugriffsprotokolle koordinieren, wie viele Knoten einen einzigen Broadcast-Kommunikationskanal gemeinsam nutzen, damit ihre Übertragungen effizient und fair zugestellt werden, ohne sich durch Kollisionen dauerhaft gegenseitig zu zerstören.

Definition

Ein Mehrfachzugriffsprotokoll ist ein Medienzugriffssteuerungsmechanismus, der bestimmt, wie Knoten, die einen einzigen Broadcast-Kanal gemeinsam nutzen, entscheiden, wann sie senden sollen, um den Kanal effizient zu nutzen und gleichzeitig Kollisionen zwischen gleichzeitigen Übertragungen aufzulösen oder zu vermeiden.

Scope

Dieses Thema behandelt die drei Familien von Medienzugriffssteuerungsprotokollen: Kanalpartitionierungsprotokolle (Zeit-, Frequenz- und Code-Multiplexing), die den Kanal statisch aufteilen; Zufallszugriffsprotokolle (ALOHA, Slotted ALOHA, CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA), die es den Knoten ermöglichen, um den Zugriff zu konkurrieren und sich von Kollisionen zu erholen; und „Taking-Turns“-Protokolle (Polling und Token Passing), die den Zugriff der Reihe nach gewähren. Es analysiert deren Effizienz, Fairness und Verhalten unter Last. Es schließt die übergeordnete Vermittlung und Weiterleitung aus, die oberhalb des Verbindungszugriffs arbeiten.

Core questions

• Welches Problem lösen Mehrfachzugriffsprotokolle auf einem gemeinsam genutzten Broadcast-Kanal?
• Wie unterscheiden sich Kanalpartitionierungs-, Zufallszugriffs- und „Taking-Turns“-Ansätze?
• Wie erkennen oder vermeiden ALOHA- und CSMA-Varianten Kollisionen und erholen sich davon?
• Was bestimmt die maximale Effizienz eines Zufallszugriffsprotokolls?
• Wie gleichen diese Protokolle Effizienz mit Fairness und Einfachheit aus?

Key concepts

• Broadcast-Kanal
• Kollisionen
• Kanalpartitionierung (TDMA, FDMA, CDMA)
• ALOHA und Slotted ALOHA
• Trägerprüfung-Mehrfachzugriff (CSMA)
• CSMA/CD und CSMA/CA
• binär-exponentieller Backoff
• Polling und Token Passing
• Kanaleffizienz

Key theories

Zufallszugriff und Kollisionswiederherstellung

Zufallszugriffsprotokolle ermöglichen es Knoten, ohne Koordination zu senden und sich von den daraus resultierenden Kollisionen zu erholen; ALOHA und Slotted ALOHA begrenzen die Effizienz, während die Trägerprüfung (CSMA) und die Kollisionserkennung oder -vermeidung die verschwendete Zeit auf ausgelasteten Kanälen reduzieren.

Kanalpartitionierung

Zeit-, Frequenz- und Code-Multiplex-Mehrfachzugriff teilen einen gemeinsam genutzten Kanal in nicht überlappende Abschnitte auf, die den Knoten zugewiesen werden, was einen kollisionsfreien, vorhersehbaren Zugriff ermöglicht, der unter hoher, gleichmäßiger Last effizient ist, aber verschwenderisch, wenn nur wenige Knoten aktiv sind.

„Taking-Turns“-Protokolle

Polling- und Token-Passing-Schemata koordinieren den Zugriff, indem sie den Kanal jeweils einem Knoten gewähren, wodurch Kollisionen vermieden und Verzögerungen begrenzt werden, allerdings auf Kosten des Polling-Overheads oder der Anfälligkeit für einen verlorenen Token oder einen ausgefallenen Koordinator.

Clinical relevance

Mehrfachzugriffsprotokolle regeln, wie gemeinsam genutzte Medien in der Praxis funktionieren: CSMA/CD prägte das klassische Ethernet, CSMA/CA ist die Grundlage jedes Wi-Fi-Netzwerks, und Kanalpartitionierungsschemata wie TDMA und CDMA sind zentral für Mobilfunksysteme. Ihre Effizienz- und Fairness-Eigenschaften bestimmen den Durchsatz und die Latenz auf jedem Medium, auf dem Geräte um einen gemeinsam genutzten Kanal konkurrieren.

History

Das ALOHA-System, das um 1970 von Norman Abramson an der University of Hawaii entwickelt wurde, führte den Zufallszugriff über einen gemeinsam genutzten Funkkanal ein und inspirierte die Analyse von Slotted ALOHA. Metcalfe und Boggs adaptierten die Trägererkennung und Kollisionserkennung 1976 für Ethernet. Token-Passing- und Polling-Schemata wurden parallel entwickelt, und moderne drahtlose Systeme kombinieren Partitionierung und konkurrenzbasierte Zugriffe.

Key figures

• Norman Abramson
• Robert Metcalfe
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• abramson1970
• metcalfe1976
• kurose2021

Frequently asked questions

Warum benötigen gemeinsam genutzte Kanäle überhaupt ein Mehrfachzugriffsprotokoll?

Auf einem Broadcast-Kanal stören sich die Signale, wenn zwei Knoten gleichzeitig senden, und beide Frames gehen typischerweise verloren (eine Kollision). Ein Mehrfachzugriffsprotokoll entscheidet, wer wann senden darf, damit der Kanal produktiv genutzt wird, anstatt durch wiederholte Kollisionen verschwendet oder ungenutzt zu bleiben.

Was ist der Unterschied zwischen CSMA/CD und CSMA/CA?

Beide prüfen den Kanal vor dem Senden. CSMA/CD, das in kabelgebundenem Ethernet verwendet wird, erkennt auch Kollisionen während des Sendens und bricht sofort ab. CSMA/CA, das in Wi-Fi verwendet wird, versucht stattdessen, Kollisionen im Voraus durch Backoff und Bestätigungen zu vermeiden, da ein drahtloser Knoten eine Kollision während des Sendens im Allgemeinen nicht zuverlässig erkennen kann.