CSMA/CA là gì. Vì sao cần phải sử dụng giao thức này?

CSMA/CA CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) là cơ chế đa truy cập tránh xung đột  thuộc tầng vật lý kiểm soát phương thức truy cập được sử dụng trong IEEE 802.11 (Wi Fi) mạng LAN không dây.

-CSMA/CA tránh xung đột (CSMA/CD phát hiện xung đột) và sử dụng ACK để xác nhận thay vì tùy ý sử dụng môi trường truyền khi có xung đột xảy ra. Việc sử dụng ACK rất đơn giản, khi một thiết bị không dây gởi gói tin, đầu nhận sẽ đáp lại bằng ACK nếu như gói tin đó được nhận đúng và đầy đủ. Nếu đầu gởi không nhận được ACK thì nó xem như là đã có xung đột xảy ra và truyền lại gói tin.

Các node không dây không thể truyền và nhận cùng lúc và do chính môi trường mạng không dây còn nhiều hạn chế nên tất cả các node có thể không nhận được tất cả các gói tin đúng như chất lượng ban đầu khi gởi.

Cơ chế CSMA/CD được mô tả như là một cuộc hội thảo qua điện thoại. Mỗi cá nhân tham gia muốn nói chuyện thì phải đợi mọi người khác ngừng nói. Một khi đường dây đã yên tĩnh, cá nhân đó có thể bắt đầu nói chuyện. Nếu 2 người bắt đầu nói chuyện cùng 1 lúc thì họ phải ngừng lại, sau đó thử nói lại lần nữa.

Để mô tả CSMA/CA theo ví dụ này, ta cần điều chỉnh như sau:

+ Trước khi một người muốn nói chuyện, người đó phải thông báo cho biết họ muốn nói trong bao lâu. Lời thông báo này sẽ cho các người khác trong cuộc hội thảo biết họ phải đợi bao lâu trước khi họ có thể nói.
+ Các người tham gia hội thảo này sẽ không thể nói chuyện được cho đến khi khoảng thời gian phải chờ kết thúc.
+ Các người tham gia sẽ không biết được liệu lời nói của họ đã được nghe bởi người họ muốn nói hay chưa, trừ khi họ nhận được một lời khẳng định từ người đã nghe.
+ Nếu 2 người nói chuyện cùng một lúc, họ cũng không biết được họ đang gây nhiễu lẫn nhau. Người nói chỉ nhận biết được đang có người cùng nói với họ khi họ không nhận được sự khẳng định đã nghe được lời của họ từ người họ muốn nói.+ Các người tham gia phải đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi thử nói lại lần nữa (khi họ nhận biết được có người đang giành nói với họ, gây nhiễu họ).

Vì sao phải sử dụng cơ chế CSMA/CA trong mạng WIFI ?

Sự hạn chế của CSMA/CD :

Wireless NICs không thể nhận dữ liệu khi đang truyền ( hai NICs cùng mang một giá trị ) vì thế phát hiện xung đột trở thành một vấn đề .

Trong môi trường mạng không dây , các gói tin truyền đi từ một node có thể không nhận được ở các node khác .

Làm thế nào để cải thiện chế độ đa truy cập trên công nghệ mạng không dây ?
Chống chiếm giữ đường truyền chung  .
Nếu kênh đó được phát hiện đang bận thì chuyển sang chế độ random times chọn một khoảng thời gian ngẫu nhiên để truyền  điều này làm giảm xác xuất va chạm trên kênh.

Sử dụng ACK .

Wireless NICs  sẽ truyền dữ liệu khi bên kia sẵn sàng nhận và không truyền,  nhận dữ liệu nào khác trong lúc nó đang truyền , gọi là nguyên tắt LBT ( Listen before talking) .

Trước khi gói tin được truyền đi , thiết bị không dây  sẽ kiểm tra có còn thiết bị nào khác đang truyền tin không , nếu đang truyền , nó sẽ đợi đến khi nào các thiết bị kia truyền xong thì nó mới truyền .

Để kiểm tra xem các thiết bị khác đã truyền xong chưa , trong khi ở trạng thái đợi nó sẽ phát tín hiệu thăm dò đều đặn sau các khoản thời gian mà nó tự random ra.

Chuẩn 802.11 cài đặt CSMA/CA trong chế độ DCF. Để mô tả cơ chế hoạt động của CSMA/CA, chúng ta cần phải biết về một số thành phần quan trọng của nó trước:

+ Carrier sense
+ DCF
+ Acknowledgment frames
+ Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS) medium reservationThêm vào đó, 2 cơ chế truy nhập đường truyền khác gắn liền với 802.11 không được ghép vào CSMA/CA là:

– Frame fragmentation
– Point coordination function (PCF)

Hiệu suất của CSMA/CA chủ yếu dựa trên  kỹ thuật điều phối  được sử dụng để truyền dữ liệu . Nghiên cứu  lan truyền trong điều kiện lý tưởng, DSSS cung cấp thông lượng cao nhất cho tất cả các node mạng khi được sử dụng kết hợp với CSMA/CA .

Distributed Coordination Function (DCF)

IEEE xác định cơ chế truy nhập cho mạng 802.11 là DCF. DCF là một cơ chế truy nhập dựa trên phương pháp truy nhập CSMA/CA. Để mô tả phương thức hoạt động của DCF, trước tiên chúng ta định nghĩa một số khái niệm cơ bản.Trong cơ chế hoạt động của DCF, một trạm muốn truyền frame phải đợi một khoảng thời gian xác định sau khi đường truyền rỗi. Giá trị thời gian này được gọi là DCF Interframe Space (DIFS). Một khi DIFS trôi qua, đường truyền đã có thể sẵn sàng cho các trạm giành quyền truy nhập.

Để tránh tình huống cả hai trạm bị xung đột khi cùng gửi này, DCF sử dụng một Random Back-Off timer.

Distributed Coordination Function (DCF)

Thuật toán Random Back-Off sẽ chọn ngẫu nhiên một giá trị từ 0 đến giá trị Contention Window (CW). Theo mặc định, giá trị CW có thể khác nhau tùy nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong NIC (Network Interface Card) của máy trạm.

Để có được giá trị Random Back-Off, ta lấy một số ngẫu nhiên đã chọn ở trên nhân với Slot Time (Random Back-Off chính là số lần Slot Time). Giá trị của Random Back-Off là khoảng thời gian các trạm phải chờ thêm sau khi đường truyền rỗi và DIFS đã trôi qua, sau đó trạm nào có Random Back-Off ngắn nhất sẽ giành được quyền truyền frame.

Frame ACK

Trạm nhận sau khi nhận được frame thành công (không có lỗi) sẽ hồi đáp lại một frame ACK cho trạm truyền. Lưu ý là, trạm nhận phải truy nhập đường truyền và truyền frame ACK.

Bạn có thể nghĩ rằng frame ACK nhiều khả năng sẽ bị trì hoãn bởi vì phải đấu tranh giành đường truyền.

Tuy nhiên, việc truyền frame ACK là một trường hợp đặc biệt. Frame ACK được phép bỏ qua quá trình Random Back-Off và chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn sau khi nhận được frame để có thể truyền ACK. Khoảng thời gian ngắn mà trạm nhận phải đợi được gọi là Short Interframe Space (SIFS).

SIFS là nhỏ hơn DIFS 2 Slot Time. Nó đảm bảo cho trạm nhận có nhiều cơ hội nhất để truyền trước các trạm khác.

@Tổng hợp từ Slide “CSMA/CA – 802.11 – Beacon frame” của nhóm

Last modified on December 4th, 2020 at 3:17 am

10cth1