Der zufällige Buszugriff anhand des CSMA- Verfahrens

Je komplexer ein System, desto höher die Anforderungen und umso schwieriger die Bewältigung und Handhabung zahlreicher Vorgänge. Gerade die Bereiche der Automationstechnik und Industriellen Kommunikation sind breit gefächert und mit vielen Abzweigungen versehen. Durch die Individualität der Netzwerke, die dennoch mit dem Eigenwert anderer Systeme harmonieren müssen, bedarf es einer Menge verschiedener Methoden und Herangehensweisen, um jede Funktion bestmöglich zu bedienen. Gerade wenn es um den Zugriff auf ein Bussystem geht, das wohl wichtigste Element der Informationstechnik, können differenzierte Verfahren hilfreich sein, um alle Felder abzudecken.

Allgemeines zum CSMA-Verfahren

Zur besseren Veranschaulichung eines zufälligen Buszugriffes kann der sogenannte „Carrier Sense Multiple Access“ herangezogen werden, da in diesem Verfahren die Prinzipien eines unvorhersehbaren und unkontrollierten Buszugriffes zum Tragen kommen. Zunächst einmal muss bei der Unterteilung zwischen den Verfahren unterschieden werden, die kollisionsfrei verlaufen, und denen die wiederum nicht kollisionsfrei erfolgen. Zudem gibt es verschiedenen Ausführungen des CSMA-Verfahrens

  • CSMA/CD
  • CSMA/CA 
  • CSMA/CR

Die Vorgänge, bei denen es zu Kollisionen kommt, fallen unter die erste Variante. Das Kürzel „CD“ steht hierbei für „Collision Detection“. Das Verfahren ist in der Lage einen Wunsch nach einem Buszugriff zu erkennen und diesen auch aufzuzeigen. Um dies auch zu signalisieren wird die „Jam-Signalfolge“ verwendet. Hierbei handelt es sich um ein Störsignal, welches übertragen wird, sobald eine Kollision aufgedeckt ist. Das Versenden der Botschaft stoppt dann mit dem Empfangen des Signals. Anschließend wird eine bestimmte Zeitspanne abgewartet, nach deren Ablauf die Datenübertragung erneut initialisiert wird. Durch den Einsatz des „Jam-Signals“ können Zeitverzögerungen gekürzt werden, was sich besonders bei längeren Nachrichten als vorteilhaft erweist.

Unterschiede zwischen dem CSMA/CD-Verfahren und dem CSMA/CA-Verfahren

Hinter dem CSMA/CA-Verfahren steckt der „Carrier Sense Multiple Access“ mit „Collision Avoidance“. Das Ziel dieser Methode besteht darin, eine Kollision in ihrer Gänze zu vermeiden, sodass diese Richtlinie auch dementsprechend konzipiert wurde. Bevor es zum Beginn der eigentlichen Phase kommt, in der gesendet wird, findet die Arbitrierungsphase statt. Als Arbitrierung wird zum einen die möglichst gerechte Aufteilung von vorhandenen Ressourcen auf die unterschiedlichen Benutzer und verschiedenen Geräte angesehen. Wenn mehrere Knoten gleichzeitig um den Zugriff auf einen Bus konkurrieren, dann wird innerhalb dieser Phase ermittelt, wer in Bezug auf die Anzahl der Bits die höhere Stellung einnimmt und somit mehr Priorität beim Buszugriff erhält. Die Knoten, die eine geringe Bitzahl vorwiesen, ziehen sich zurück und starten einen neuen Sendeversuch, sobald der vorangegangene abgeschlossen ist.

Der Ablauf eines zufälligen Buszugriffs am Beispiel des CSMA-Verfahrens

Auch wenn es beim zufälligen Buszugriff im Vergleich zum Determinismus zu keiner Vorhersage oder Kontrolle kommt, so orientiert sich der Ablauf der Datenübertragung dennoch an einem festgelegten Schema.

  1. Horchen bei diesem ersten Schritt wird geklärt, ob ein Medium belegt oder frei ist. Dies geschieht über eine simple Überwachung. Gilt das Medium als frei, kann der Vorgang zum zweiten Schritt übergehen. Liegt jedoch eine Belegung vor, so wird solange der erste Schritt angewandt, bis das Medium frei ist.
  2. Senden während des zweiten Schritts der Datenübertragung eines zufälligen Buszugriffs kommt es zum Versand der Informationen, wobei das Medium jedoch weiterhin abgehört wird. Wird die Übertragung als fehlerfrei und korrekt durchgeführt bewertet, so wird an die höher gelegene Schicht im Netzwerk eine Meldung über den Erfolg übermittelt. Anschließend wird der Übertragungsmodus verlassen. Kommt es jedoch zu einer Kollision oder wird diese entdeckt, dann wird der Vorgang zunächst unterbrochen und es kommt zum Aussenden des Störsignals.
  3. Im dritten Schritt ist die Leitung belegt, sodass die Anzahl der Übertragungsversuche gezählt werden muss. Wurde ein Maximum nicht erreicht, so muss erneut eine gewisse Zeit abgewartet werden, bis der Verlauf wieder beim ersten Schritt beginnen kann. Wurde das Maximum jedoch erzielt, so geht es zur nächst höheren Ebene, die der Fehler.
  4. Zu einem Fehler kommt es, wenn die Anzahl der maximal verfügbaren Übertragungen überschritten wurde. Dieses Problem wird dann an die nächsten Netzwerkschichten gemeldet, sodass es danach zum letzten Schritt übergegangen werden kann.
  5. Schritt 5 dies markiert das Ende der Übertragung, der Übertragungsmodus wird verlassen und nach Durchlaufen des Zyklus wird ein erneuter Buszugriff erfragt

Die Vorteile des zufälligen Buszugriffs

Das CSMA-Verfahren ist mit all seinen Ausführungen eine weit verbreitete Methode, um auf einen Bus zuzugreifen, sodass klar zu benennende Vorteile nicht ausbleiben. Durch die Verwendung eines Buszugriffs, der ohne Vorhersagen und festgelegte Richtlinien auskommt, erschließen sich folgende Vorteile:

  • Durch den Abgleich von Daten können Kollisionen erkannt werden
  • Bei einer Kollision erfolgt die Wiederholung der Sendung automatisch nach einer für die Teilnehmer individuell festgelegten Wartezeit
  • Auf dem Bus liegt nur eine geringe Belastung, sodass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Überschreitung der Kapazitäten kommen dürfte
  • Im Niedriglastbereich sind die Latenzzeiten sehr kurz geraten

Doch selbstredend gibt es auch Nachteile, die zum einen schon darin liegen können, dass das Antwortverhalten nicht im Voraus erahnt werden kann. Zum anderen entstehen im Hochlastbereich enorm lange Wartezeiten.