Estudio de la técnica Binary Exponential Backoff en redes definición y uso práctico
El acrónimo CSMA hace referencia a un procedimiento esencial para regular la comunicación entre los miembros de una red que comparten un mismo medio de transmisión estructurado, sin un control centralizado. Este método consta de tres variantes diferentes, según el tipo de medio de transmisión utilizado: CSMA/CA, CSMA/CD y CSMA/CR. Mientras que CSMA/CA se aplica mayormente en redes inalámbricas, la tecnología CSMA/CD fue creada específicamente para Ethernet. Por su parte, CSMA/CR es usado en conjunto con el protocolo de comunicación Controller Area Networks (CAN), el cual es ampliamente utilizado en máquinas y vehículos.
Una explicación sobre CSMACA y su papel en las redes
Compartir un medio de transmisión en una red de área local (LAN)En una red de área local (LAN), todos los usuarios tienen en común un cable de conexión conocido como "bus". Sin embargo, en las redes inalámbricas (WLAN), no hay necesidad de utilizar ningún tipo de cableado, aunque la información continúa siendo transmitida y recibida a través de un único medio de transmisión mediante señales de radio. Por lo tanto, una red WLAN (IEEE 802.11) se puede equiparar a una red Ethernet semidúplex y es esencial contar con un protocolo que regule el uso del medio.
La importancia del protocolo en la comunicaciónUno de los principales requisitos en la comunicación es que dos o más dispositivos, también conocidos como nodos, estaciones o miembros, no pueden enviar datos al mismo tiempo. Esta regla aplica en diversas situaciones comunicativas, como por ejemplo, en una comida en familia en la que todos hablan al mismo tiempo y nadie se entiende. De manera similar, en una red, los paquetes de información enviados por cada miembro también pueden superponerse, provocando lo que se conoce como una "colisión". Por lo tanto, es crucial contar con un protocolo adecuado para evitar este tipo de errores en la transmisión de datos.
Uno de los protocolos más importantes en las redes inalámbricas es el CSMA/CA, el cual tiene como objetivo reducir el riesgo de colisión y al mismo tiempo, implementa un plan de acción en caso de que ocurra una colisión. Dado que la comunicación inalámbrica es inherentemente más desorganizada que la comunicación por cable, es esencial contar con este tipo de protocolo para garantizar un flujo adecuado de información. Además, en redes descentralizadas, es fundamental que todos los miembros sigan las mismas reglas y organicen adecuadamente la comunicación entre ellos.
Procedimientos de CSMACA para su operatividad
El protocolo CSMA/CA, cuyo lema es "Escucha antes de hablar", esencialmente consiste en comprobar si el canal está libre antes de iniciar la transmisión desde un nodo. Esto es únicamente el primer paso, ya que el resto de funciones se enfocan en prevenir colisiones en la medida de lo posible.
La función de coordinación distribuida (DCF) en CSMA/CA establece el tiempo de espera de los nodos antes de transmitir en un medio no ocupado. DFC también asigna ranuras de tiempo aleatorias para acciones posteriores, obteniendo así una estructura coordinada de los tiempos de espera. Este proceso es crucial para evitar colisiones o "collision avoidance". DCF utiliza intervalos específicos para llevar a cabo este procedimiento:
- Una ranura temporal (slot time) representa el tiempo necesario para que los datos viajen por toda la red. En redes inalámbricas, este valor varía entre 9 µs y 20 µs, dependiendo del estándar utilizado.
Análisis de pros y contras de CSMACA en redes
El uso del protocolo CSMA/CA ayuda a resolver ciertos obstáculos que se presentan en las redes inalámbricas, los cuales no pueden ser solucionados mediante el CSMA/CD. A pesar de sus ventajas, este tipo de protocolo no está exento de desventajas. Por un lado, no aborda todos los casos conflictivos y, por otro, también presenta algunos inconvenientes:
- Por un lado, existen situaciones en las que el uso de CSMA/CA no es suficiente para evitar colisiones entre los dispositivos.
- Además, este protocolo requiere un cierto tiempo de espera antes de transmitir, lo cual puede generar retrasos en la comunicación.
- Otro inconveniente del CSMA/CA es que puede causar una fuerte congestión en la red, especialmente si hay muchos dispositivos intentando transmitir al mismo tiempo.
A pesar de estos posibles problemas, el protocolo CSMA/CA sigue siendo una herramienta valiosa para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las redes inalámbricas. Al tomar en cuenta estos obstáculos y estar preparados para enfrentarlos, podemos aprovechar al máximo las ventajas que este protocolo nos ofrece en términos de gestión del tráfico y reducción de colisiones.
HART El impulsor del cambio gracias a su hibridación
Las redes de comunicaciones industriales surgieron en los años 80 con el propósito de facilitar la transferencia de información entre dispositivos, equipos y sistemas informáticos utilizados en distintos niveles del proceso de producción (ver figura 3). Para satisfacer las necesidades de comunicación de cada nivel, surgieron soluciones como las redes de área local (LAN), para zonas cercanas, y las redes de área metropolitana (MAN) o redes de área amplia (WAN) para zonas más extensas.
A nivel de la planta, las redes de comunicación se conocen como buses de campo. Ejemplos de estos son el bus CAN (controller area network), lanzado en 1986 por la compañía alemana Robert Bosch GmbH para el sector automotriz, y el bus PROFIBUS (perfil PA), desarrollado en 1987 por las empresas Bosch, Klöckner Möller y Siemens. En el ámbito de las redes LAN, destacan la popular Ethernet en 1985 y PROFIBUS (perfiles DP y FMS) en 1987.
Las empresas, convencidas de los beneficios de las redes de comunicación digital, se planteaban adoptar este cambio radical en toda la instrumentación de la planta. Sin embargo, el elevado costo que conlleva este proceso podía frenar su rápido avance. No solo implicaba el precio de la nueva instrumentación, sino también la posible interrupción de los procesos productivos durante la instalación y prueba de la misma.
Conclusión
El estándar Ethernet destaca por su amplio ancho de banda, lo que le permite ser altamente eficiente y tener un buen tiempo de respuesta. Sin embargo, en sistemas de control con pocos nodos y mensajes de igual longitud, con un enfoque exclusivo en la aplicación de control.
Pero hay que tener en cuenta que la red estándar Ethernet no es determinista en su comportamiento temporal, lo que puede llevar a su exclusión en sistemas distribuidos de control de tiempo real, donde los mensajes son sometidos a estrictas restricciones de tiempo debido a su relevancia o peligrosidad.
En cambio, en sistemas de control donde no se requiere un tráfico de tiempo real, se puede utilizar la red estándar Ethernet bajo ciertas condiciones. Las expresiones presentadas en el artículo brindan información sobre el retraso más probable de los mensajes, y según las distintas experiencias, este valor se acerca considerablemente al valor teórico calculado.
Es posible implementar soluciones que permitan el uso de esta red en aplicaciones de tiempo real mediante modificaciones en el método de acceso al medio y aprovechando la funcionalidad de las interfaces de comunicación de la red estándar Ethernet.
Coordinación de señales Concepto y funcionamiento del acceso múltiple
En términos generales, el sistema de coordinación centralizado establecido a través del protocolo PCF busca mejorar el acceso múltiple coordinado y minimizar las fallas del CSMA/CA.
La coordinación centralizada, un complemento para el protocolo CSMA/CACon el objetivo de subsanar las limitaciones del protocolo CSMA/CA, se han implementado acciones para mejorar su eficiencia. Para ello, se han desarrollado dos procesos que buscan un acceso múltiple coordinado, aunque su aplicación es limitada. Este sistema centralizado de coordinación establece que el punto de acceso (access point) sea el encargado de coordinar el acceso al medio entre las estaciones independientes.
La función de coordinación centralizada (PCF) se utiliza junto con la función de coordinación distribuida (DCF) en el protocolo CSMA/CA. El punto de acceso (AP) cumple el rol de coordinador y gestiona el uso del medio de transmisión para las estaciones de la red. Cada AP cuenta con un mecanismo de polling (sondeo) para establecer el orden de transmisión de las estaciones.
Antes de iniciar el sondeo, se establece un tiempo de espera conocido como PIFS. En la función de coordinación centralizada, la trama PCF Interframe Space tiene una ranura menos que DIFS, lo que le otorga mayor prioridad al proceso de PCF. De esta manera, PCF se activa antes que DCF.
