CSMA/CD e Acesso ao Meio

1. Definição e Contexto Histórico

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) é o método de acesso ao meio definido pelo IEEE 802.3 para redes Ethernet clássicas com meio compartilhado (coaxial ou hubs). Foi o mecanismo que tornou a Ethernet comercialmente viável nas décadas de 1980 e 1990, permitindo que múltiplas estações compartilhassem um mesmo meio físico sem um controlador central.

O CSMA/CD foi projetado para uma época em que switches L2 eram caros e raros: todos os dispositivos compartilhavam um único domínio de colisão, e o protocolo garantia ordem justa no acesso ao meio. Com a popularização dos switches (que isolam domínios de colisção por porta em modo full-duplex), o CSMA/CD tornou-se obsoleto em LANs modernas, mas seu entendimento permanece fundamental para compreender a fundo o funcionamento da Ethernet.

2. Princípios Fundamentais

O nome CSMA/CD descreve suas quatro fases:

A. Carrier Sense (Sensoreamento do Portador)

Antes de transmitir, a estação "escuta" o meio físico para verificar se há sinal (portadora) presente. Em cabos de par trançado, isso é feito medindo a tensão diferencial. Se o meio estiver ocupado, a estação aguarda.

B. Multiple Access (Acesso Múltiplo)

Múltiplas estações compartilham o mesmo meio, sem controleador central. Cada estação decide autonomamente quando transmitir, baseada nas regras do protocolo.

C. Collision Detection (Detecção de Colisão)

Mesmo após o sensoreamento, duas estações podem iniciar transmissões simultaneamente (pois o sinal leva tempo para se propagar). Quando os sinais colidem, a estação detecta uma anomalia na tensão (collision detect - CD) e imediatamente interrompe a transmissão útil.

D. Jam Signal e Backoff

Após detectar a colisão, a estação envia um jam signal (sinal de congestionamento de 32 bits) para garantir que todas as outras estações saibam da colisão. Em seguida, aplica o algoritmo de binary exponential backoff para aguardar um tempo aleatório antes de retransmitir.

3. Algoritmo de Backoff Binário Exponencial

Após a primeira colisão, a estação escolhe um número aleatório k no intervalo [0, 2^n - 1], onde n é o número de tentativas (limitado a 10):

Cada slot tem duração de 512 bits (51,2 microssegundos em 10 Mbps). Esse crescimento exponencial reduz drasticamente a probabilidade de novas colisões, mas introduz latência crescente em redes congestionadas.

4. A Regra dos 64 Bytes e o Slot Time

O tamanho mínimo do frame Ethernet é 64 bytes (excluindo preamble). Essa regra não é arbitrária: ela garante que uma estação ainda esteja transmitindo quando o sinal da colisão retornar, permitindo a detecção.

Cálculo do Slot Time em Ethernet Clássica (10BASE5)

• Velocidade: 10 Mbps
• Slot time: 51,2 microssegundos (512 bits)
• Velocidade de propagação no cabo: ~0,67c (cerca de 200.000 km/s)
• Distância máxima de ida e volta: 200.000 km/s x 51,2 microssegundos = ~10,24 km

A regra prática: em uma rede 10BASE5 com cabo coaxial grosso, o comprimento máximo do segmento era limitado a 500 metros, garantindo que qualquer colisão fosse detectada a tempo.

L_max = (SlotTime x v_prop) / 2
      = (51,2 us x 200 m/us) / 2
      = 5120 metros (limite teórico)

5. Limitações do CSMA/CD

A. Degradação sob Carga

À medida que a utilização do meio cresce (acima de 40%), o número de colisões explode. Em 60% de utilização, a rede torna-se praticamente inutilizável.

B. Ineficiência em Redes de Longa Distância

O CSMA/CD só funciona em domínios de colisão pequenos (centenas de metros a poucos quilômetros). Em redes WAN, há latência de propagação alta demais para garantir detecção de colisões.

C. Cabeamento Half-Duplex

CSMA/CD exige meio half-duplex (uma estação transmite por vez). Em links full-duplex modernos (switches comutados), não há colisões e o CSMA/CD é desativado.

6. Comparação com CSMA/CA (Wi-Fi)

7. Evolução: o Fim do CSMA/CD

Com a introdução de switches full-duplex no final dos anos 1990, cada porta passou a ser um domínio de colisão isolado com dois pares de fios dedicados (um para TX, outro para RX). Em modo full-duplex, não há colisões e o CSMA/CD é formalmente desativado.

O padrão IEEE 802.3-2012 (e posteriores) manteve CSMA/CD para retrocompatibilidade em half-duplex, mas em velocidades acima de 1 Gbps (10GBASE-T, 25GBASE-T, etc.), o padrão exige modo full-duplex. Em 1000BASE-T half-duplex (raro), CSMA/CD ainda é usado com carrier extension para garantir detecção de colisão.

8. Ferramentas de Diagnóstico

# Linux: estatísticas de colisões por interface
ip -s link show eth0
# observar campos "errors", "dropped", "collisions"

# Cisco: histórico de erros na interface
show interfaces fastEthernet 0/1
# observar "collisions", "late collisions", "excessive collisions"

# Detectar late collisions (sintoma de problema físico, ex: cabo longo demais)
# Late collision = colisão detectada após 64 bytes (já era tarde demais para detecção)

Causas Comuns de Late Collisions

• Cabo excedendo o limite de 100 metros (em 10/100BASE-TX).
• NIC em modo half-duplex conectada a switch em full-duplex (duplex mismatch).
• Concentrador (hub) cascatedo além do limite de redes Ethernet clássicas.

9. Comparação com Outros Métodos de Acesso

10. Resumo Técnico

11. Conclusão

O CSMA/CD é uma das invenções mais elegantes da história das redes de computadores: um algoritmo distribuído que permitiu construir LANs baratas e robustas sem controleadores centrais. Embora tenha sido efetivamente aposentado pela adoção massiva de switches full-duplex, seus princípios - sensoreamento de portador, detecção de colisões e backoff exponencial - continuam a influenciar o projeto de protocolos modernos, especialmente em redes sem fio (CSMA/CA) e em sistemas distribuídos. Compreender CSMA/CD é entender por que a Ethernet venceu a guerra das LANs na década de 1990, superando concorrentes como Token Ring e ARCNET.