الوصول المتعدد مع استشعار الناقل واكتشاف التصادم

تُعدّ تقنية الوصول المتعدد مع استشعار الناقل وكشف التصادم ( CSMA/CD ) إحدى طرق التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC)، وقد استُخدمت بشكل ملحوظ في تقنية إيثرنت المبكرة لشبكات المنطقة المحلية . تعتمد هذه التقنية على استشعار الناقل لتأجيل الإرسال حتى تتوقف جميع المحطات الأخرى عن الإرسال. ويُستخدم هذا بالتزامن مع كشف التصادم، حيث تقوم المحطة المُرسِلة بكشف التصادمات عن طريق استشعار عمليات الإرسال من المحطات الأخرى أثناء إرسالها للإطار . عند اكتشاف حالة التصادم، تتوقف المحطة عن إرسال ذلك الإطار، وترسل إشارة تشويش، ثم تنتظر فترة زمنية عشوائية قبل محاولة إعادة إرسال الإطار. ^{[ 1 ]}

يُعدّ CSMA/CD تعديلاً لتقنية الوصول المتعدد مع استشعار الناقل (CSMA) النقية. يُستخدم CSMA/CD لتحسين أداء CSMA عن طريق إنهاء الإرسال فور اكتشاف تصادم، مما يُقلل الوقت اللازم قبل محاولة إعادة الإرسال.

مع تزايد شعبية محولات الإيثرنت في التسعينيات، أصبح التشغيل ثنائي الاتجاه الكامل من نقطة إلى نقطة معيارًا في شبكات الإيثرنت السريع والإيثرنت جيجابت . ولا تحدث تصادمات في هذه الشبكات. كما أن معيار IEEE 802.3 قد استبعد مُكررات الإيثرنت في عام 2011 لصالح محولات الإيثرنت، مما جعل بروتوكول CSMA/CD والتشغيل ثنائي الاتجاه النصفي أقل شيوعًا وأقل أهمية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تُستخدم الإجراءات التالية لبدء عملية الإرسال. وتكتمل هذه الإجراءات عند إرسال الإطار بنجاح أو عند اكتشاف تصادم أثناء الإرسال. ^{[ 4 ] : ​​33}

1. هل الهيكل جاهز للنقل؟ إذا لم يكن كذلك، فانتظر الهيكل.
2. هل الوسيط غير نشط؟ إذا لم يكن كذلك، فانتظر حتى يصبح جاهزًا. ^{[ ملاحظة 1 ]}
3. ابدأ الإرسال وراقب حدوث أي تصادم أثناء الإرسال.
4. هل وقع تصادم؟ إذا كان الأمر كذلك، فانتقل إلى إجراء اكتشاف التصادم.
5. أعد ضبط عدادات إعادة الإرسال وأكمل إرسال الإطار.

يُستخدم الإجراء التالي لحل مشكلة التصادم المكتشفة. ويكتمل الإجراء عند بدء إعادة الإرسال أو عند إيقاف إعادة الإرسال بسبب كثرة التصادمات.

1. استمر في الإرسال (مع إشارة تشويش بدلاً من رأس الإطار/البيانات/ CRC ) حتى يتم الوصول إلى الحد الأدنى لوقت الحزمة لضمان اكتشاف جميع أجهزة الاستقبال للتصادم.
2. قم بزيادة عداد إعادة الإرسال.
3. هل تم الوصول إلى الحد الأقصى لعدد محاولات الإرسال؟ إذا كان الأمر كذلك، فأوقف الإرسال.
4. احسب وانتظر فترة التراجع العشوائي بناءً على عدد التصادمات.
5. أعد الدخول إلى الإجراء الرئيسي في المرحلة 1.

تعتمد طرق كشف التصادم على نوع الوسائط. ففي ناقل كهربائي مشترك مثل 10BASE5 أو 10BASE2 ، يُمكن كشف التصادمات بمقارنة البيانات المُرسلة بالبيانات المُستقبلة، أو برصد سعة إشارة أعلى من المعتاد على الناقل. ^{[ 5 ] [ 6 ]} أما في جميع الوسائط الأخرى، فإن استشعار إشارة حاملة على قناة الاستقبال أثناء الإرسال يُؤدي إلى حدوث تصادم. ^{[ 7 ]} وتكشف المُكررات أو الموزعات التصادمات تلقائيًا، وتُرسل إشارات تشويش. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يمكن تشبيه آلية استعادة الاتصال في حالة التصادم بما يحدث في حفل عشاء، حيث يتحدث جميع الضيوف عبر وسيط مشترك (الهواء). قبل التحدث، ينتظر كل ضيف بأدب حتى ينتهي المتحدث الحالي من كلامه. إذا بدأ ضيفان بالتحدث في الوقت نفسه، يتوقف كلاهما وينتظران فترات زمنية قصيرة وعشوائية (في الإيثرنت، تُقاس هذه الفترة بالمايكروثانية). والهدف من ذلك هو أنه باختيار كل ضيف لفترة زمنية عشوائية، لن يختار الضيفان الوقت نفسه لمحاولة التحدث مرة أخرى، وبالتالي تجنب حدوث تصادم آخر.

إشارة التشويش هي إشارة تحمل نمطًا ثنائيًا مكونًا من 32 بت، تُرسلها محطة بيانات لإبلاغ محطات الإرسال الأخرى بحدوث تصادم، وأنه يجب عليها التوقف عن الإرسال . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يُحسب الحد الأقصى لوقت التشويش كما يلي: يبلغ الحد الأقصى المسموح به لقطر شبكة الإيثرنت 232 بت. وهذا يجعل زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا 464 بت. وبما أن زمن الفتحة في الإيثرنت هو 512 بت، فإن الفرق بين زمن الفتحة وزمن الرحلة ذهابًا وإيابًا هو 48 بت (6 بايت)، وهو الحد الأقصى لوقت التشويش .

وهذا يعني بدوره: أن المحطة التي تلاحظ حدوث تصادم ترسل نمطًا يتراوح طوله بين 4 و 6 بايتات، ويتكون من 16 تركيبة من 1 و 0 بت. ^{[ ملاحظة 2 ]}

والغرض من ذلك هو ضمان أن أي عقدة أخرى قد تستقبل حاليًا إطارًا ستتلقى إشارة التشويش بدلاً من رمز التحقق من التكرار الصحيح ذي 32 بت لرمز التحكم في الوصول إلى الوسائط؛ وهذا يتسبب في قيام أجهزة الاستقبال الأخرى بتجاهل الإطار بسبب خطأ في رمز التحقق من التكرار.

التصادم المتأخر هو نوع من التصادمات يحدث في جزء متأخر من حزمة البيانات، يتجاوز ما يسمح به معيار البروتوكول المعني. في شبكة إيثرنت ذات الوسائط المشتركة بسرعة 10 ميجابت في الثانية، إذا حدث خطأ تصادم بعد إرسال أول 512 بت من البيانات من قبل المحطة المرسلة، ^{[ 12 ]} يُقال إن تصادمًا متأخرًا قد وقع. ومن المهم ملاحظة أن بطاقة الشبكة لا تعيد إرسال التصادمات المتأخرة ، على عكس التصادمات التي تحدث قبل أول 64 بايت؛ إذ يُترك الأمر للطبقات العليا من حزمة البروتوكول لتحديد فقدان البيانات.

بما أن وصلة شبكة CSMA/CD المُعدة بشكل صحيح لا ينبغي أن تحتوي على تصادمات متأخرة، فإن الأسباب المحتملة المعتادة هي عدم تطابق الإرسال والاستقبال المتزامن/الإرسال والاستقبال غير المتزامن، أو تجاوز حدود طول كابل الإيثرنت، أو وجود خلل في الأجهزة مثل التوصيل غير الصحيح للكابلات، أو عدم توافق عدد الموزعات في الشبكة، أو وجود بطاقة شبكة سيئة.

التصادم المحلي هو تصادم يحدث عند بطاقة الشبكة ، وليس على السلك. لا تستطيع بطاقة الشبكة اكتشاف التصادمات المحلية دون محاولة إرسال المعلومات.

في كابل UTP ، لا يُكتشف التصادم المحلي إلا عندما تستقبل المحطة إشارة على زوج RX في نفس الوقت الذي تُرسل فيه إشارة على زوج TX. ولأن الإشارتين على زوجين مختلفين، فلا يوجد أي تغيير مميز في الإشارة. ولا يُكتشف التصادم في كابل UTP إلا عندما تعمل المحطة بنظام نصف مزدوج . والفرق الوظيفي الوحيد بين نظامي نصف مزدوج ومزدوج كامل في هذا الصدد هو ما إذا كان يُسمح باستخدام زوجي الإرسال والاستقبال في وقت واحد أم لا.

في شبكات الحاسوب CSMA/CD عبر وسائط نصف مزدوجة (10BASE5 أو 10BASE2)، يُعرف التصادم البعيد بأنه تصادم يحدث عند إرسال إطار بيانات أقصر من الحد الأدنى للطول. قد يتسبب هذا الإطار في حدوث تصادم في الطرف البعيد، وهو ما لا يستطيع جهاز الإرسال اكتشافه، وبالتالي لا يُعاد إرسال الإطار على الطبقة الفيزيائية. نتيجةً للتداخل على الوسط، تتلف بيانات الإطار ويفشل تسلسل فحص الإطار ، مما يستدعي استعادته على طبقة أعلى، إن أمكن.

تأثير الاستحواذ على القناة هو ظاهرة يستحوذ فيها أحد مستخدمي وسيط مشترك على هذا الوسيط لفترة طويلة. خلال هذه الفترة (عادةً 16 إطارًا) ، يُحرم المستخدمون الآخرون من استخدام الوسيط. وقد لوحظ هذا التأثير لأول مرة في الشبكات التي تستخدم بروتوكول CSMA/CD على الإيثرنت. وبسبب هذا التأثير، يهيمن الاتصال الأكثر كثافةً في نقل البيانات على قناة الوصول المتعدد اللاسلكية. ^{[ 13 ]} يحدث هذا في روابط الإيثرنت نتيجةً لطريقة "تراجع" العقد عن الرابط ومحاولتها إعادة الوصول إليه. في بروتوكول الإيثرنت، عند حدوث تصادم في الاتصال (عندما يحاول مستخدمان للوسيط الإرسال في الوقت نفسه)، ينتظر كل مستخدم فترة زمنية عشوائية قبل إعادة الوصول إلى الرابط. ومع ذلك، ينتظر المستخدم ("يتراجع") لفترة زمنية عشوائية تتناسب مع عدد مرات محاولته المتتالية للوصول إلى الرابط. ويحدث تأثير الاستحواذ على القناة عندما يستمر أحد المستخدمين في "السيطرة" على الرابط.

على سبيل المثال، يحاول المستخدمان (أ) و(ب) الوصول إلى رابط هادئ في الوقت نفسه. عند اكتشاف تصادم، ينتظر المستخدم (أ) فترة زمنية عشوائية بين 0 و1 وحدة زمنية، وكذلك المستخدم (ب). لنفترض أن المستخدم (أ) اختار فترة انتظار أقصر. يبدأ المستخدم (أ) بعد ذلك باستخدام الرابط، ويسمح له المستخدم (ب) بإكمال إرسال بياناته . إذا كان لدى المستخدم (أ) المزيد من البيانات لإرسالها، فسيحدث تصادم آخر بين المستخدم (أ) والمستخدم (ب). سيختار المستخدم (أ) مرة أخرى فترة انتظار عشوائية بين 0 و1، بينما سيختار المستخدم (ب) فترة انتظار بين 0 و3، لأن هذه هي المرة الثانية على التوالي التي يحدث فيها تصادم بين المستخدم (ب). من المرجح أن يفوز المستخدم (أ) في هذه الجولة أيضًا. إذا استمر هذا الوضع، فمن المرجح أن يفوز المستخدم (أ) في جميع جولات التصادم، وبعد 16 تصادمًا (عدد المحاولات قبل أن يتراجع المستخدم لفترة طويلة)، سيتمكن المستخدم (أ) من الاستحواذ على القناة.

تتضاءل قدرة عقدة واحدة على الاستحواذ على كامل الوسط مع ازدياد عدد العقد. ويعود ذلك إلى أنه مع ازدياد عدد العقد، يزداد احتمال أن يكون لدى إحدى العقد الأخرى زمن استجابة أقل من زمن استجابة العقدة المستحوذة.

يُؤدي تأثير الاستحواذ على القناة إلى وضعٍ تستطيع فيه محطةٌ واحدةٌ الإرسال بينما تتراجع المحطات الأخرى باستمرار، مما يُسبب حالةً من عدم الإنصاف على المدى القصير. ومع ذلك، فإن الوضع عادلٌ على المدى الطويل لأن كل محطةٍ لديها فرصة "للاستحواذ" على القناة بمجرد انتهاء إحدى المحطات من الإرسال. وتزداد كفاءة القناة عندما تستحوذ عليها إحدى المحطات.

من الآثار الجانبية السلبية لظاهرة الاستحواذ، فترات التوقف الناتجة عن توقف المحطات عن الإرسال. فبعد انتهاء إحدى المحطات من الإرسال عبر الوسيط، تتراكم فترات توقف طويلة لأن جميع المحطات الأخرى تتوقف باستمرار عن الإرسال. وفي بعض الحالات، قد يستمر التوقف لفترة طويلة لدرجة أن بعض المحطات تتخلص من الحزم بسبب بلوغها الحد الأقصى لمحاولات الإرسال.

استُخدمت تقنية CSMA/CD في إصدارات إيثرنت ذات الوسائط المشتركة التي عفا عليها الزمن ( 10BASE5 و 10BASE2 )، وفي الإصدارات الأولى من إيثرنت الأزواج الملتوية التي كانت تستخدم موزعات إعادة الإرسال . لم تعد شبكات إيثرنت الحديثة، المبنية باستخدام المحولات والوصلات ثنائية الاتجاه ، بحاجة إلى استخدام CSMA/CD، لأن كل جزء من أجزاء إيثرنت، أو نطاق تصادم ، أصبح معزولًا. مع ذلك، لا تزال تقنية CSMA/CD مدعومة للتوافق مع الإصدارات السابقة وللوصلات ثنائية الاتجاه الجزئية. ولأسباب تاريخية، ظل معيار IEEE 802.3 ، الذي يُحدد جميع إصدارات إيثرنت، يحمل عنوان "طريقة الوصول ومواصفات الطبقة الفيزيائية لتقنية الوصول المتعدد مع استشعار الناقل واكتشاف التصادم (CSMA/CD)" حتى عام 2008، والذي أصبح يُعرف باسم "معيار IEEE للإيثرنت".

• الوصول المتعدد مع استشعار الناقل وتجنب التصادم (CSMA/CA)
• تمرير الرمز المميز ، وهو أسلوب وصول إلى القناة أكثر حتمية