CSMA

Para minimizar la posibilidad de colisiones y, por ende, aumentar el rendimiento, se desarrolló el método de Acceso Múltiple con Detección de Portadora (CSMA, por sus siglas en inglés). Este método reduce la probabilidad de colisión, ya que una estación escucha el medio antes de intentar usarlo. El CSMA exige que cada estación escuche primero el medio (o verifique el estado del medio) antes de enviar. En otras palabras, el CSMA se basa en el principio de "sentir antes de transmitir" o "escuchar antes de hablar". Aunque el CSMA puede reducir la posibilidad de colisión, no puede eliminarla completamente. La razón de esto se muestra en un modelo de espacio y tiempo de una red CSMA, donde las estaciones están conectadas a un canal compartido (usualmente un medio dedicado). La posibilidad de colisión sigue existiendo debido al retraso de propagación; cuando una estación envía un marco, todavía lleva tiempo (aunque muy corto) para que el primer bit llegue a cada estación y para que cada estación lo detecte. En otras palabras, una estación puede sentir el medio y encontrarlo inactivo solo porque el primer bit enviado por otra estación aún no ha sido recibido. El tiempo vulnerable para el CSMA es el tiempo de propagación \(T_p\), que es el tiempo necesario para que una señal se propague de un extremo del medio al otro. Cuando una estación envía una trama y cualquier otra estación intenta enviar una trama durante este tiempo, resultará una colisión. Sin embargo, si el primer bit de la trama alcanza el final del medio, cada estación ya habrá escuchado el bit y se abstendrá de enviar. La Figura 1 muestra el peor caso, donde la estación más a la izquierda, A, envía una trama en el tiempo \(t_1\), el cual alcanza la estación más a la derecha, D, en el tiempo \(t_1 + T_p\). El área gris muestra el área vulnerable en tiempo y espacio. 

Tiempo de vulnerabilidad en CSMA

Figura 1: Tiempo de vulnerabilidad en CSMA. Fuente: Forouzan, B. A. (2021).
Fuente: Data Communications and Networking with TCP/IP Protocol Suite. McGraw-Hill US Higher Ed USE.

Los métodos de persistencia son estrategias empleadas en CSMA para decidir cómo y cuándo una estación debe intentar transmitir datos en un canal que puede estar ocupado. Estos métodos son cruciales para manejar el acceso al medio de forma eficiente y reducir las colisiones. Se dividen en tres tipos principales: 1-persistente, no persistente y p-persistente.

  1. Método 1-persistente: Cuando una estación encuentra el canal libre, transmite inmediatamente su trama con una probabilidad del 100% (de ahí el nombre "1-persistente"). Este método tiene la probabilidad más alta de colisión porque si dos o más estaciones detectan el canal libre al mismo tiempo, todas intentarán transmitir simultáneamente.
  2. Método no persistente: Una estación que tiene datos para enviar primero verifica si el canal está libre. Si está ocupado, en lugar de esperar y volver a verificar continuamente el estado del canal, la estación espera un tiempo aleatorio antes de volver a verificar el estado del canal. Este método reduce las posibilidades de colisión al evitar que las estaciones intenten transmitir inmediatamente después de encontrar el canal ocupado, aunque puede reducir la eficiencia del uso del canal al dejarlo inactivo cuando podría estar transmitiendo datos.
  3. Método p-persistente: Este método se aplica en canales con ranuras de tiempo, donde cada ranura de tiempo es igual o mayor al tiempo máximo de propagación. Si una estación encuentra el canal libre, con una probabilidad "\(p\)" decide transmitir en la ranura actual. Con una probabilidad "\(1-p\)" (\(q\)), decide no transmitir y espera al inicio de la próxima ranura de tiempo para tomar una nueva decisión. Este método busca un equilibrio entre reducir las colisiones y mantener alta la eficiencia del canal, adaptando la decisión de transmitir a la probabilidad "\(p\)".

Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, y la elección entre ellos depende de las características específicas de la red y los requisitos de rendimiento. El método 1-persistente es el más simple y directo, pero puede llevar a un alto número de colisiones en canales con mucho tráfico. El método no persistente mejora esto al introducir una espera aleatoria, reduciendo las colisiones pero posiblemente dejando el canal inutilizado temporalmente. El método p-persistente intenta equilibrar estos aspectos, aprovechando las ventajas de ambos al ajustar la probabilidad de transmitir según las condiciones del canal. La Figura 2 muestra el comportamiento de estos tres métodos de persistencia cuando una estación encuentra un canal ocupado.

Comportamiento de los tres métodos de persistencia.

Figura 2: Comportamiento de los tres métodos de persistencia.
Fuente: Data Communications and Networking with TCP/IP Protocol Suite. McGraw-Hill US Higher Ed USE.

La Figura 3 muestra el diagrama de flujo de estos tres métodos de persistencia.

Diagrama de flujo de los tres métodos de persistencia.

Figura 3: Comportamiento de los tres métodos de persistencia.
Fuente: Data Communications and Networking with TCP/IP Protocol Suite. McGraw-Hill US Higher Ed USE.

CSMA/CD

El método de Acceso Múltiple con Detección de Colisión (CSMA/CD) es una mejora dentro de los protocolos de CSMA. Este método permite a las estaciones detectar colisiones durante la transmisión de datos para minimizar el desperdicio de recursos y mejorar la eficiencia de la red.

Aspectos Clave de CSMA/CD:

  1. Detección de Colisión: Las estaciones monitorean constantemente el medio durante la transmisión de datos. Si detectan una colisión, es decir, si dos o más estaciones intentan transmitir simultáneamente, interrumpen la transmisión.
  2. Tamaño Mínimo de la Trama: Para que CSMA/CD funcione correctamente, se impone un tamaño mínimo de trama. Esto asegura que una estación pueda detectar colisiones antes de completar la transmisión de la última parte de la trama. La transmisión de la trama debe durar al menos el doble del tiempo máximo de propagación.
  3. Procedimiento: Se presenta un diagrama de flujo que describe el proceso a seguir en caso de detección de colisión. Incluye la detección del estado del canal (ocupado o libre), la transmisión de la trama, la detección de colisiones durante la transmisión, y las acciones subsiguientes en caso de colisión, como el envío de una señal de interferencia para notificar a otras estaciones.
  4. Estrategias de Persistencia: Antes de iniciar la transmisión, las estaciones evalúan el estado del canal utilizando uno de los métodos de persistencia (no persistente, 1-persistente, o p-persistente), optimizando el uso del medio y reduciendo las posibilidades de colisión.
  5. Niveles de Energía: CSMA/CD también implica la monitorización de los niveles de energía en el canal para determinar si está libre, ocupado o si hay una colisión. Los niveles de energía pueden indicar el estado operativo del canal (idle, normal o colisión).
  6. Rendimiento: El rendimiento de CSMA/CD es superior al de ALOHA puro o Slotted ALOHA, con un rendimiento máximo que varía según el método de persistencia utilizado y el valor de \(p\) en el enfoque p-persistente.

Ethernet Tradicional y CSMA/CD:

  • Ethernet Tradicional, con una tasa de datos de 10 Mbps, utilizó CSMA/CD como método de acceso, utilizando el método de persistencia 1-persistente para gestionar el acceso al medio compartido. Las versiones posteriores de Ethernet han evolucionado hacia otros métodos de acceso para mejorar la eficiencia y el rendimiento de la red.

CSMA/CA

Una variación del método CSMA es el acceso múltiple con detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA), que se utiliza en redes LAN inalámbricas.

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Control de acceso aleatorio

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