الوصول المتعدد بتقسيم الناقل CSMA

إذا تم تقسيم أي نظام اتصال عام إلى أبسط أجزائه فيمكن التمييز بين أربعة عناصر وهي المرسل والمتلقي ورسالة للتواصل ووسيلة للقيام بذلك، وإحدى المشاكل التي تنشأ من إنشاء الاتصال هي الوصول إلى الوسيط، حيث عندما يكون هناك عدة مستخدمين أو محطات تشترك في نفس وسيلة الاتصال أو القناة يلزم التحكم في الوصول لتجنب إرسال محطتين أو أكثر في نفس الوقت، ممّا قد يتسبب في حدوث تداخل بل ويجعل الاتصال مستحيلاً.

ما هو الوصول المتعدد بتقسيم الناقل CSMA؟

الوصول المتعدد بتقسيم الناقل “CSMA”: هو بروتوكول شبكة يستمع إلى إشارات الشبكة أو يستشعرها على الناقل أو الوسيط قبل إرسال أي بيانات، كما يتم تنفيذه في شبكات “Ethernet” مع أكثر من جهاز كمبيوتر أو جهاز شبكة متصل بها، وهو جزء من بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط “MAC”.

كما يُعد “CSMA” هو بروتوكول تستمع بموجبه محطة بها معلومات لنقلها أولاً إلى الوسيط للتأكد من أنّه واضح، حيث إذا كان الأمر كذلك فإنّه ينقل المعلومات وإلّا فإنّه ينتظر، كما يحدد السلوك عندما تكون القناة مشغولة استمرار “CSMA”، وسيحاول “CSMA” المستمر أو الثابت 1 الإرسال بمجرد أن تصبح القناة خالية وستتم إعادة محاولة “CSMA” غير المستمرة أو الصفرية المستمرة بعد وقت محدد عشوائياً بواسطة توزيع الاحتمال.

و”CSMA” المستمر “p” يتصرف بإصرار مع احتمال “ap” وغير مستمر مع احتمال “1-p”، حيث عندما يكون هناك حمل كبير يوفر “CSMA” غير المستمر أداءً أفضل، وهناك نوعان رئيسيان من “CSMA” هما “CSMA / CD” و”CSMA / CA”.

• “CSMA” هي اختصار لـ “Carrier Sense Multiple Access”.

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

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

• “MAC” هي اختصار لـ “Media Access Control”.

أساسيات CSMA:

يعمل “CSMA” على مبدأ أنّ جهازاً واحداً فقط يمكنه إرسال الإشارات على الشبكة وإلّا فسيحدث تصادم يؤدي إلى فقدان حزم البيانات أو الإطارات، كما يعمل “CSMA” عندما يتطلب الجهاز بدء أو نقل البيانات عبر الشبكة، وقبل النقل يجب على كل “CSMA” فحص الشبكة أو الاستماع إليها بحثاً عن أي عمليات إرسال أخرى قد تكون قيد التقدم.

إذا استشعر وجود إرسال سينتظر الجهاز حتى ينتهي، وبمجرد اكتمال الإرسال يمكن لجهاز الانتظار إرسال بياناته أو إشاراته، ومع ذلك في حالة وصول أجهزة متعددة إليها في وقت واحد وحدث تصادم يتعين على كلاهما الانتظار لفترة محددة قبل إعادة بدء عملية الإرسال.

أنواع بروتوكول CSMA:

1- بروتوكول “CSMA / CD”:

بروتوكول “CSMA / CD”: هو متغير يمكن استخدامه في المواقف التي يمكن فيها الاستماع إلى الوسيط أثناء الإرسال، وإنّه يمكّن المحطات من اكتشاف وقت حدوث التداخل وإيقاف الإرسال على الفور.

• يقوم إرسال إشارة ازدحام لإخطار المحطات الأخرى التي تشترك في وسيط التصادم بحيث تنتظر قبل الإرسال إذا كان لديها أي شيء لإرساله.

• بعد الانتظار يُستأنف الإرسال إذا كانت الوسيلة واضحة ممّا يضمن تقاسم الوسيط بشكل منصف بين المحطات ومنع أي محطة واحدة من احتكار الاتصال.

• لا يتم استخدام هذا البروتوكول على نطاق واسع اليوم بسبب استخدام أجهزة مستوى الارتباط مثل المحولات في شبكات “Ethernet” واستخدام البروتوكولات الأخرى في أنواع أخرى من الشبكات.

2- بروتوكول “CSMA / CA”:

بروتوكول “CSMA / CA”: هو البديل الرئيسي الآخر لـ “CSMA”، وفي هذا البروتوكول إذا تم تحديد الوسيلة على أنّها واضحة بعد الاستماع إليها، يتم انتظار وقت إضافي محدد عشوائياً قبل الإرسال وبالتالي تقليل عدد الاصطدامات.

ومع ذلك لا تخلو هذه البروتوكولات من مشاكلها لأنّها لا تحل مشكلات مثل العقدة المخفية، ويتعامل هذا مع سيناريو، حيث توجد محطتان “A” و”B” خارج نطاق بعضهما البعض ومحطة ثالثة “C” ضمن نطاقيهما والتي يرغب كلاهما في الإرسال إليها.

في حالة إرسال “B” إلى “C” و”A” تسعي في فعل الشيء نفسه، وإذا كان “A” يستخدم بروتوكول “CSMA” فسيقوم بفحص الوسيط ولكنّه لن يكتشف “B”، وبالتالي سيحدد الوسيط على أنّه واضح ويبدأ الإرسال ممّا يتسبب في حدوث تداخل في منطقة التقاء بين كلتا المحطات.

المتغيرات البديلة لـ CSMA:

تعمل البروتوكولات الأخرى مثل الوصول المتعدد مع تجنب الاصطدام “MACA” على حل هذه المشكلة عن طريق إرسال إطارات إضافية، وإطار طلب إرسال “RTS” أرسله المرسل وإطار مسح للإرسال “CTS” من جهاز الاستقبال وبعد ذلك يبدأ الإرسال، كما تعمل التطورات على “MACA” نفسها مثل “MACAW” على حل مشكلات البروتوكول عن طريق إضافة تحسينات، مثل إرسال إقرارات جهاز الاستقبال “ACK” عند استقبال إطارات البيانات.

كما يستخدم معيار “IEEE 802.11” الذي يحدد ما يُعرف عموماً باسم “Wi-Fi” مزيجاً من “CSMA / CA” و”MACAW”، وهناك المزيد من بروتوكولات الوصول إلى الوسائط مثل “ALOHA” ومتغيراتها والطرق القائمة على تمرير الرمز المميز أو النظام الرئيسي أو التابع المستخدم، على سبيل المثال في “Bluetooth “IEEE 802.15، ومع ذلك يُعتبر “CSMA” مهماً بشكل خاص نظراً للاستخدام المكثف لشبكات “Wi-Fi” بين المستخدمين.

• “MACA” هي اختصار لـ “Multiple-Access-with-Collision-Avoidance”.

• “MACAW” هي اختصار لـ “Multiple-Access-with-Collision-Avoidance-for-Wireless”.

• “CTS” هي اختصار لـ “Clear-To-Send”.

• “ACK” هي اختصار لـ “acknowledgment”.

• “RTS” هي اختصار لـ “Request-to-Send”.

بروتوكول CSMA مع استقبال متعدد الحزم MPR في شبكة لاسلكية مخصصة:

تشير الشبكة اللاسلكية المخصصة إلى نظام مستقل من العقد الثابتة أو المتنقلة المتصلة بواسطة ارتباطات لاسلكية، والتي يشكل اتحادها طوبولوجيا شبكة تعسفية، حيث يمكن للعقد أن تعمل كنقاط ترحيل للاتصال بين العقد الأخرى، كما تشير شبكة الهاتف المحمول المخصصة إلى شبكة لاسلكية مخصصة تكون فيها العقد حرة في التحرك بشكل عشوائي وتنظيم نفسها بشكل تعسفي.

تستمر الشبكات اللاسلكية المخصصة في الارتفاع وهي شائعة لأنّها تتطلب الحد الأدنى من التكوين وسريعة النشر، ويمكن استخدامها في المواقف التي لا توجد فيها بنية تحتية للاتصالات الثابتة أو تم تدميرها، وغالباً ما تتصل العقد في شبكة لاسلكية مخصصة باستخدام بروتوكول اتصال وصول متعدد “CSMA” وفقاً لمعيار “IEEE 802.11”.

كما تتنافس العقد في بروتوكول “CSMA” للوصول إلى وسيط أو قناة إرسال مشتركة، وتستمع العقدة التي ترغب في إرسال حزمة “عقدة المرسل” إلى أو “حواس الناقل”، وإلى الوسيط المشترك لمدة محددة لتحديد ما إذا كان هناك أي عمليات إرسال على الوسيط، ولا ترسل إلّا إذا كان الوسيط شعرت بالخمول.

عادة ما يتم تحديد استشعار الموجات الحاملة بواسطة حساسية الهوائي ويتم التحكم فيه بواسطة عتبات مطبقة على مستوى قوة الإشارة المتصورة الفعلية أو الظاهرة، ومن أجل مكافحة التداخل من العقد المخفية على سبيل المثال العقد القادرة على التدخل في استقبال حزمة في عقدة استقبال بينما لا تكون بالضرورة قادرة على استقبال الحزمة المرسلة، فإنّ بعض بروتوكولات “CSMA” تكمل الاستشعار المادي بنظام حجز وأيضاً المعروفة باسم الاستشعار الظاهري.

في “CSMA” القائم على الحجز تتبادل العقد طلباً قصيراً لإرسال “RTS” وواضحة لإرسال حزم “CTS” مع العقد المجاورة قبل الإرسال الفعلي، وتحدد كلا الحزمتين طول الوقت اللازم لإرسال حزمة البيانات الفعلية.

وتستخدم أي عقدة طرف ثالث تتلقى أياً من الحزمتين هذه المعلومات للتنبؤ بموعد توفر الوسيط للإرسال في المستقبل ويجب أن تمتنع عن بدء أي اتصال حتى يصبح الوسيط مجانياً، وعلى جانب الاستقبال يتطلب نموذج تجنب الاصطدام في “CSMA” استقبال حزمة في حالة عدم وجود أي تداخل حتى يعتبر الاستقبال ناجحاً.