Das Medium Access Control (MAC)-Protokoll ist eine grundlegende Komponente des IEEE 802.11-Standards und definiert, wie Geräte das Kommunikationsmedium in einem Wi-Fi-Netzwerk gemeinsam nutzen. Das MAC-Protokoll spielt eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung des Zugriffs auf den drahtlosen Kanal, der Bewältigung von Konflikten und der Gewährleistung der ordnungsgemäßen Datenübertragung zwischen Geräten. Hier finden Sie eine detaillierte Erklärung des MAC-Protokolls für WLAN:
1. Überblick über IEEE 802.11:
- Drahtlose lokale Netzwerke (WLANs): IEEE 802.11 ist eine Reihe von Standards, die die drahtlose Kommunikation in lokalen Netzwerken, allgemein bekannt als Wi-Fi, regeln.
- Physikalische und Datenverbindungsschichten: Der Standard arbeitet auf den physikalischen und Datenverbindungsschichten des OSI-Modells und umfasst sowohl die Funkübertragungseigenschaften als auch das Protokoll für den Medienzugriff.
2. Rollen der MAC-Schicht:
- Funktionen der Datenverbindungsschicht: Die MAC-Schicht, Teil der Datenverbindungsschicht, ist für die Verwaltung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Kommunikationsmedium verantwortlich und kümmert sich um Probleme wie Konflikte und Kollisionsvermeidung.
3. Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA/CA):
- Grundprinzip: Das MAC-Protokoll verwendet eine Variante von Carrier Sense Multiple Access (CSMA), bekannt als CSMA mit Collision Vermeidung (CA).
- Abhören vor dem Senden: Geräte erkennen den Kanal, bevor sie Übertragungen einleiten, und prüfen, ob laufende Aktivitäten vorliegen, um Kollisionen zu vermeiden.
4. Betrieb von CSMA/CA:
- Clear Channel Assessment (CCA): Geräte führen CCA durch, um festzustellen, ob der Kanal frei oder durch andere Übertragungen belegt ist.
- Backoff-Mechanismus: Wenn der Kanal belegt ist, leiten die Geräte eine Backoff-Periode ein und warten eine zufällige Dauer, bevor sie erneut versuchen zu übertragen, um gleichzeitige Übertragungen zu vermeiden.
5. Verteilte Koordinationsfunktion (DCF):
- DCF als Standardmodus: Das MAC-Protokoll in Wi-Fi-Netzwerken arbeitet normalerweise unter der Distributed Coordination Function (DCF), die auf CSMA/CA basiert.
- Konfliktfenster: DCF verwendet ein Konkurrenzfenster, das die Dauer der Backoff-Periode bestimmt. Größere Konfliktfenster führen zu mehr Zufälligkeit und verringern die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen.
6. Bestätigung und erneute Übertragung:
- Acknowledgment Frames: Nach erfolgreichem Empfang eines Frames sendet der Empfänger einen Acknowledgment Frame an den Absender.
- Erneute Übertragung: Im Falle des Nichterhalts einer Bestätigung geht der Absender von einer Kollision oder einem Übertragungsfehler aus und leitet eine erneute Übertragung ein.
7. Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS):
- Optionaler Mechanismus: In Szenarien, in denen die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen hoch ist (z. B. ein Problem mit versteckten Knoten), können Geräte den optionalen RTS/CTS-Mechanismus verwenden.
- RTS: Der Request to Send-Frame wird vom Sender an den vorgesehenen Empfänger gesendet und zeigt damit seine Sendeabsicht an.
- CTS: Der Clear to Send-Rahmen wird vom Empfänger als Bestätigung gesendet und erteilt dem Sender die Erlaubnis, mit der Datenübertragung fortzufahren.
8. Verbesserungen der Servicequalität (QoS):
- Verbesserungen für Multimedia-Verkehr: Zur Unterstützung der Quality of Service (QoS)-Anforderungen führt das MAC-Protokoll in Wi-Fi Verbesserungen wie den Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) ein.
- Differenzierung des Datenverkehrs: EDCA führt verschiedene Zugriffskategorien mit unterschiedlichen Prioritäten ein und ermöglicht so eine differenzierte Behandlung von Sprach-, Video- und Best-Effort-Daten.
9. Rahmenformat und Kontrollmechanismen:
- MAC-Frame-Struktur: MAC-Frames umfassen Header und Trailer mit Steuerinformationen, Adressierung und Frame-Typ.
- Bestätigungs- und Kontrollrahmen: Spezielle Rahmen werden für Bestätigungs-, Steuerungs- und Verwaltungszwecke verwendet, um eine zuverlässige Kommunikation zu ermöglichen.
10. Evolution und zukünftige Verbesserungen:
- 802.11-Änderungen: Das MAC-Protokoll wurde durch verschiedene Änderungen weiterentwickelt (z. B. 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax), die zu Verbesserungen bei Datenraten, Kanalauslastung und Gesamtnetzwerkeffizienz führten.
- Wi-Fi 6 und darüber hinaus: Die neuesten Standards wie Wi-Fi 6 (802.11ax) führen Funktionen wie Basic Service Set (BSS) Coloring, Target Wake Time (TWT) und Orthogonal Frequency Division Multiple Access ein ( OFDMA) zur Verbesserung der Leistung in Umgebungen mit hoher Verkehrsdichte und unterschiedlichem Datenverkehr.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das im IEEE 802.11-Standard definierte MAC-Protokoll für WLAN regelt, wie Geräte um Zugriff auf das gemeinsam genutzte Kommunikationsmedium konkurrieren. Durch die Verwendung von CSMA/CA, Bestätigungsmechanismen und optionalem RTS/CTS gewährleistet das MAC-Protokoll eine geordnete und kollisionsfreie Kommunikation in Wi-Fi-Netzwerken. Im Zuge der Weiterentwicklung des Standards werden weiterhin neue Ergänzungen und Verbesserungen vorgenommen, um den Herausforderungen wachsender Verkehrsanforderungen und vielfältiger Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.