بروتوكول CSMA / CA في شبكات الحاسوب

يزيد “CSMA / CA” من حركة مرور الشبكة لأنه يتطلب إرسال إشارة إلى الشبكة حتى قبل إرسال أي بيانات حقيقية، وهذا للاستماع إلى أي سيناريوهات تصادم في الشبكة وإبلاغ الأجهزة الأخرى بعدم الإرسال.

ما هو بروتوكول الوصول المتعدد لاستشعار الموجة الحاملة مع تجنب الاصطدام CSMA / CA

بروتوكول الوصول المتعدد لاستشعار الموجة الحاملة مع تجنب الاصطدام “CSMA / CA”: هو بروتوكول تنازع في الشبكة يُستخدم لنقل الناقل في الشبكات التي تستخدم معيار “802.11”، على عكس بروتوكول الوصول المتعدد / كشف التصادم “CSMA / CD”، والذي يتعامل مع عمليات الإرسال فقط بعد حدوث الاصطدام يعمل “CSMA / CA” على تجنب الاصطدامات قبل حدوثها.

• “CSMA / CA” هي اختصار لـ “Carrier-sense multiple access with collision avoidance”.

• “CSMA / CD” هي اختصار لـ “Carrier-sense multiple access with collision detection”.

أساسيات بروتوكول CSMA / CA

في “CSMA / CA” وفي اللحظة التي تستلم فيها العقدة حزمة محددة للإرسال فإنّ أول شيء تفعله هو الاستماع إلى قناة البث لإطار زمني محدد مسبقاً، لتحديد ما إذا كانت عقدة أخرى تبث على القناة داخل النطاق اللاسلكي، حيث إذا تم اكتشاف قناة البث على أنّها “خاملة” فيمكن للعقدة عندئذ أن تبدأ في إرسال حزمة البيانات.

إذا تم الكشف عن قناة البث على أنّها “مشغولة” فإنّ العقدة تحتفظ بالإرسال وتنتظر إطاراً زمنياً عشوائياً ثم تحقق مرة أخرى لمعرفة ما إذا كانت القناة مجانية، كما يشار إلى هذا الإطار الزمني كعامل التراجع ويتم عد عامل التراجع تنازلياً باستخدام عداد التراجع.

إذا كانت القناة مجانية عندما يصل عداد التراجع إلى الصفر ترسل العقدة حزمة البيانات، حيث إذا كانت القناة غير واضحة حتى عندما يصل عداد التراجع إلى الصفر، تتم جدولة عامل التراجع مرة أخرى ويتكرر السيناريو بأكمله، كما يتكرر هذا حتى تصبح القناة متاحة.

وبمجرد أن تصبح القناة متاحة يتم إرسال حزمة البيانات، وبمجرد استلام البيانات بواسطة العقدة المستقبلة فإنّها ترسل حزمة إقرار “ACK” مرة أخرى بعد فترة قصيرة، وإذا لم يتم استلام “ACK” فمن المفترض أن الحزمة ضائعة ومن ثم يتم إعداد إعادة الإرسال، كما تجعل الإشارات الإضافية “CSMA / CA” تقنية وصول أبطأ عند مقارنتها بتقنية “CSMA / CD” المستخدمة في شبكات “Ethernet“.

• “ACK” هي اختصار لـ “acknowledgment”.

خوارزمية CSMA / CA

• عندما يكون الإطار جاهزاً تتحقق محطة الإرسال مما إذا كانت القناة خاملة أو مشغولة.

• إذا كانت القناة مشغولة تنتظر المحطة حتى تصبح القناة خاملة.

• إذا كانت القناة خاملة تنتظر المحطة مقداراً من الفجوة بين الأرتال “IFG” ثم ترسل الإطار.

• بعد إرسال الإطار يتم ضبط عداد الوقت.

• ثم تنتظر المحطة إشعاراً بالاستلام من جهاز الاستقبال.

• إذا تلقى الإقرار قبل انتهاء صلاحية المؤقت، فإنّه يشير إلى نجاح الإرسال.

• وإلّا فإنّه ينتظر فترة تراجع ويعيد تشغيل الخوارزمية.

ملاحظة:“IFG” هي اختصار لـ “frames in gap”.

مزايا CSMA / CA

• بسبب الإقرارات لا يتم فقدان البيانات دون داع.

• يتجنب انتقال المتهور.

• إنّه مناسب جداً للإرسال اللاسلكي.

عيوب CSMA / CA

• تتطلب الخوارزمية فترات انتظار طويلة.

• لديها استهلاك طاقة عالي.

آلية عمل بروتوكول CSMA / CA

• في تقنيات الشبكات التي تستخدم “CSMA / CA” كطريقة وصول خاصة بها تعلن المحطات عن نيتها في الإرسال قبل نقل بياناتها فعلياً إلى وسائط الشبكة.

• كل محطة تستمع باستمرار إلى الأسلاك الخاصة بهذه الإعلانات، وإذا سمعت إحداها فإنّها تتجنب نقل بياناتها الخاصة.

• بمعنى آخر في شبكة “CSMA / CA” تحاول المحطات تجنب الاصطدام بالإشارات المتولدة من المحطات الأخرى.

• إنّ الإشارات الإضافية التي تم إنشاؤها بواسطة “CSMA / CA” تجعلها طريقة وصول أبطأ من طريقة الوصول المتعدد بحساس الناقل، ومع اكتشاف التصادم “CSMA / CD” المستخدمة في شبكات “Ethernet”.

أساسيات بروتوكول CSMA / CA

من الطرق الشائعة للوصول إلى القنوات لأجهزة الشبكة المحلية اللاسلكية “LAN” هي بروتوكول (CSMA / CA)، كما تعمل هذه الطريقة من خلال تقسيم الوقت منذ آخر نشاط على القناة المشتركة إلى فتحات متساوية الطول، حيث تنشئ كل عقدة إرسال في الشبكة رقماً عشوائياً ثم تحسب فتحات النشاط حتى يتم الوصول إلى الرقم.

وفي هذه المرحلة يمكن للعقدة الاستيلاء على القناة ويجب على العقد الأخرى تعليق حسابها حتى تصبح القناة مجانية مرة أخرى، وإذا قامت العقدتان عن طريق الصدفة بإنشاء نفس الرقم العشوائي وبالتالي تصطدمت ببعضهما البعض على القناة، فسيحددون أن نقل الحزمة غير ناجح من خلال عملية الإقرار وتوليد رقم عشوائي جديد لبدء عد الفتحات من الصفر في المرة القادمة القناة مجانية.

وعادة يتم زيادة نطاق الرقم العشوائي بعد الاصطدام، والهدف من “CSMA / CA” في معظم بروتوكولات النظام هو توفير عدالة الوصول إلى القناة لجميع العقد في الشبكة، وهذا يناسب تطبيقات شبكات بيانات الكمبيوتر بشكل جيد للغاية، ومن الأمثلة التي لا يعمل فيها “CSMA / CA” بشكل جيد شبكات الهاتف اللاسلكية، وفي هذه الحالة يجب إرسال واستقبال تدفقات ثنائية الاتجاه ذات نطاق ترددي منخفض نسبياً على فترات منتظمة مع زمن انتقال أو تأخير منخفض جداً.

يتميز “CSMA / CA” بزمن انتقال غير متوقع ومن الناحية النظرية غير محدود، والاختيار الشائع لشبكات الهاتف هو الوصول المتعدد بتقسيم الوقت “TDMA“، وفيه تنقسم القناة إلى فترات زمنية محددة مسبقاً ومخصصة خصيصاً لعقد إرسال معينة على أساس متكرر، كما يتطلب التخصيص عادةً عقدة لتعمل كوحدة تحكم مركزية، و”TDMA” هو خيار مرهق وغير فعال لشبكات البيانات ولا تحتاج معظم عقد شبكات الكمبيوتر إلى استخدام القناة في أي وقت.

تم اقتراح بعض شبكات دمج “CSMA / CA” و”TDMA”، كما لا تعتبر أي من الطرق المقترحة فعالة للأنواع الجديدة من وسائط البث، حيث تتضمن بيانات الوسائط المتدفقة بيانات مشغل الصوت الرقمي إلى واحد أو أكثر من السماعات الرقمية أو سماعات الرأس.

ومثال آخر هو دفق الفيديو المتدفق مثل الهاتف المصور، ومن المرغوب فيه أن يكون لديك طريقة وصول إلى القناة ذات معدل فشل الحزمة المنخفض “PFR” وزمن انتقال منخفض للتعامل مع بيئة شبكة “LAN” لاسلكية عند استخدام كل من نقل بيانات الكمبيوتر ونقل البيانات المتدفقة.

• “TDMA” هي اختصار لـ “Time Division Multiple Access”.

• “PFR” هي اختصار لـ “packet failure rate”.

• “LAN” هي اختصار لـ “local area network”.

تطور بروتوكول CSMA / CA

ترسل وحدة التحكم إشارة إلى فتحات نافذة التنازع غير المخصصة إلى وحدات الإرسال الأخرى، وفي أحد النماذج يتم استخدام إشارة إلى أول فتحة نافذة تنازع غير مخصصة، كما تنتج وحدات الإرسال الأخرى أرقاماً عشوائية لفتحات نافذة التنازع أكبر من أو تساوي أول فتحة نافذة تنازع غير مخصصة، وتقوم بعمل تنازع وسيط من النوع “CSMA / CA” للفتحات المتبقية.

يتعلق تجسيد عمل البروتوكول بوحدة مستقبل لتلقي عمليات إرسال البيانات المتدفقة، كما يمكن أن تكون وحدة الاستقبال على سبيل المثال سماعات رأس، وعادةً ما تكون وحدة الاستقبال غير قادرة على إرسال إقرار في إشارات التحكم في الوصول المتوسط ​​”MAC“، وفي هذا النموذج يتم استخدام وحدة بديلة.

تستقبل الوحدة البديلة الإشارات المخصصة لوحدة المستقبل الصامت، وتنتج وحدة الاستقبال إشعاراً بديلاً للإرسال إلى وحدة الإرسال، كما لا يُعد الإقرار البديل جيداُ مثل إقرار من وحدة الاستقبال ولكنّه يعطي بعض المؤشرات على ما إذا كانت شروط القناة واضحة بما يكفي لإرسال البيانات إلى الوحدة ونظراً لأنّ الوحدة الصامتة لا تحتاج إلى تقديم إقرارات، فقد تكون أرخص بكثير من وحدة الاستقبال التي تصدر إقرارات والطاقة المطلوبة لإرسال إشارة أكبر بكثير من الطاقة المطلوبة لاستقبال الإشارة.

• “MAC” هي اختصار لـ “media access control”.