Protocolos de Acesso ao Meio: Aloha, CSMA, CD e CA

Resumo

O texto apresenta os principais protocolos de acesso ao meio em redes de computadores: Aloha, Slotted-Aloha, CSMA, CSMA-CD e CSMA-CA. Compara o funcionamento de cada um, o tratamento de colisões e a capacidade de utilização do canal. Também explica a fórmula da janela de contenção e o problema do nó escondido nas redes sem fio.

Pontos-chave

No Aloha, a transmissão ocorre sem verificar o meio, e a capacidade do canal é de cerca de 18%.
No Slotted-Aloha, o tempo é dividido em slots fixos, elevando a capacidade para cerca de 37%.
No CSMA, a estação escuta o meio antes de transmitir, com capacidade de cerca de 85%; existe a versão p-CSMA (persistente) e np-CSMA (não persistente).
No CSMA-CD, usado em redes cabeadas, a colisão é detectada durante a transmissão e a capacidade chega a cerca de 98%.
A janela de contenção no CSMA-CD exige M ≥ 2 * C * Tp, sendo M o tamanho do quadro, C a taxa de transmissão e Tp o tempo de propagação.
No CSMA-CA, usado em redes sem fio, o problema do nó escondido é tratado com o mecanismo virtual RTS/CTS e o temporizador NAV.

Teste-se

Aloha

2 canais:
- Mestre para os escravos (apenas 1 transmissor - não tem colisão).
- Escravos para o mestre (canal compartilhado - pode ter colisão).
Colisão: O receptor checa o CRC e, como as mensagens estão misturadas, não bate; portanto, não envia a mensagem de reconhecimento positivo para o transmissor. O transmissor aguarda um TIMEOUT de espera de resposta e depois um BACKOFF (tempo de retardo aleatório) e retransmite a mensagem.
Capacidade: 18% (muito desperdício).

Slotted-Aloha

Mesma lógica do Aloha, porém agora existem intervalos fixos de transmissão (Slots).
Capacidade: 37%.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Colisão: Antes de transmitir, escuta o meio (medida da tensão): se encontrar “silêncio”, pode “falar”. Tenta evitar colisão “ouvindo” o meio (sem usar slots).
Os slots possuem um tamanho grande (para poder receber mensagens grandes), então, em mensagens pequenas, muito tempo é desperdiçado, o que não acontece no CSMA.
Dois tipos:
- p-CSMA (persistente): Checa constantemente o silêncio no meio.
- np-CSMA (não persistente): Possui um tempo de backoff para checar o silêncio no meio.
Capacidade: 85%.

CSMA-CD (Collision Detection)

Utilizado em redes wired.
Colisão: O transmissor envia a mensagem e monitora o meio físico durante o tempo da JANELA DE CONTENÇÃO para detectar se houve colisão; é preciso estar transmitindo para detectar a colisão.
Janela de contenção: O tamanho do quadro é definido para deixar a mensagem com um tamanho (e, portanto, tempo de transmissão) mínimo suficiente para ser possível a detecção da colisão.
Fórmula: M ≥ 2 * C * Tp (M = tamanho do quadro, C = taxa de transmissão, Tp = tempo de propagação).
Problema (Tp): Redes muito grandes fisicamente aumentam o tamanho do quadro.
Detecção de colisão: Interrompe a transmissão e transmite reforço (JAM); espera aleatória exponencial truncada e retransmite.
Capacidade: 98%.

CSMA-CA (Collision Avoidance)

Utilizado em redes wireless.
Colisão: O transmissor utiliza mecanismos de binary exponential back-off na janela de contenção.
Problema do nó escondido: A e C querem enviar mensagem para B ao mesmo tempo, mas não se escutam, gerando colisão sem que A e C saibam.
Resolução: Método CS original é substituído por CS Virtual (RTS/CTS).
CS Virtual: O quadro pequeno (RTS) é enviado pelo transmissor ao destinatário. Ao receber o RTS, o destinatário responde com um quadro (CTS) contendo um timer (NAV) para aguardar a transmissão da mensagem. Se não receber o CTS, aborta a missão.

Perguntas frequentes

Qual a capacidade do Aloha e do Slotted-Aloha?

O Aloha tem capacidade de cerca de 18%, com muito desperdício do canal. O Slotted-Aloha, que usa intervalos fixos de transmissão (slots), sobe para cerca de 37%.

Qual a diferença entre CSMA-CD e CSMA-CA?

O CSMA-CD é usado em redes cabeadas e detecta a colisão enquanto transmite. O CSMA-CA é usado em redes sem fio e tenta evitar colisões, usando RTS/CTS para resolver o problema do nó escondido.

O que é o problema do nó escondido?

Ocorre quando duas estações (A e C) querem enviar mensagem para B ao mesmo tempo sem se escutarem, gerando colisão sem que nenhuma das duas perceba.