İletişimde cihazlar arasında özel bir bağlantı kurulmadığı, ortak bağlantılara sahip olunan durumlarda, aynı anda birden fazla cihaz, birden fazla iletişim, aynı hat, aynı kablo veya aynı kanal üzerinden haberleşir. Çoklu Erişim Protokolleri, hangi verinin, hangi zaman aralığında, hangi ağ ortamına aktarılabileceğini belirleyen bir OSI Katman 2 tanımıdır. Veri İletim Katmanı (Data Link Layer), gönderici ve alıcı arasında kurulan iletişimde Bağlantı Kontrolleri ve Çoklu Erişim Protokolleri gibi işlemlerden sorumludur.
Çoklu Erişim Protokolleri iletim esnasında kanalda oluşabilecek çarpışmayı azaltmak, aynı anda birden fazla kullanıcının aynı kanala erişimini sağlamak ve trafikte oluşabilecek olan yoğunluğu azaltmak için kullanılır. Çoklu Erişim Protokolleri, kendi içerisinde Rastgele Erişim, Kanal Erişim ve Kontrol Erişim olmak üzere üç farklı başlık altında incelenir. Bu yazıda Rastgele Erişim Protokolleri’nden bahsedilecektir.
Rastgele Erişim Protokolleri 1971 yılında keşfedilmiş olmasına rağmen günümüze dek aynı çalışma yapısı ile çekirdeğini korumuştur. Rastgele Erişim Protokolleri, çoklu ortam erişim protokollerinin bir parçası olarak iletişimlerdeki iletim ortamları ile ilgilenir.
Genellikle ağlarda yönlendirici sayısı, kullanıcı sayısına göre az sayıdadır. Bir noktadan birçok nokta ile iletişime geçen yönlendiriciler üzerinde trafik yoğunluğu ve paket iletiminde tıkanıklık oluşur. Bu sebeple kullanıcılar, yönlendiriciler aracılığı ile hedefe erişmek istediğinde paketler arasında çakışmalar yaşanabilir. Çakışma, iki pakette de veri kaybı oluşmasına sebep olabilir. Çarpışmaya dâhil olan paketler atılır veya kaybolur. İletimin tamamlanabilmesi için çarpışan paketlerin tekrar iletimi kaynak cihazlar tarafından gerçekleştirilir. Çakışmanın yaşandığı süre ve başarısız gönderim süresi iletişimde kayıp zaman olarak nitelendirilir. Böylece iletimde zaman kayıpları, ekstra enerji tüketimi, trafik yoğunluğu ve düşük ağ performansı meydana gelir. Bu noktada kullanılacak olan Rastgele Erişim Teknikleri sayesinde, iletim ortamı daha verimli kullanılabilir ve paketler arasındaki kayıplar ile birlikte yaşanan zaman kayıpları minimuma indirilir.
Rastgele Erişim Teknikleri’nin çalışma prensibi ağın meşguliyetine ve trafiğin durumuna bağlı olarak değişmektedir. Paket iletimi kullanıcılar arasında rastgeledir, çünkü ortama erişim, iletim için kullanıcılara özel herhangi bir öncelik veya planlanmış bir zaman bulunmamaktadır. İletişimi başlatan cihaz, veriyi iletmek için ortamın uygun (boş) olduğu anı bekler. Trafik yoğunluğuna bağlı olarak, ortamın veri iletimine uygun olduğu an veri aktarımı gerçekleştirilir. Eğer aynı anda iki farklı cihaz tarafından, aynı ortama gönderilmiş farklı paketler çakışırsa, iletilen paketlerde bozulmalar ve paket kayıpları yaşanacaktır. İletişimin sağlanması için paketler merkezi bir noktadan yönetilerek belirli bir sırayla tekrar gönderilir. Böylece paket ve zaman kayıpları minimuma indirgenmiş olur. Yaşanacak paket bozulmalarını, paket kayıplarını veya zaman engellemek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu noktada farklı çalışma yapıları bulunmaktadır. Bunlar;
1- ALOHA
Ortak bir veri iletim kanalını paylaşan birden fazla kaynak veya birden fazla hedef bulunan iletişimlerde, paket başlıklarının çarpıştığı ve mevcut bilgilerin zarar görmesi veya kaybolması ile paket kayıpları meydana gelmektedir. ALOHA, ağ içerisinde bulunan alıcı veya verici cihazların paket iletimindeki çakışmayı önlemek için kullanılan basit bir iletim teknolojisidir. Genellikle kablosuz iletişimlerde, kablosuz yayın yapan anten sistemlerinde veya half-duplex yapıya sahip ağlarda ALOHA oldukça verimli çalışır. Ancak yapısında, çarpışma algılama mevcut değildir. Kendi içerisinde Pure Aloha ve Slotted Aloha olmak üzere iki farklı türe sahiptir.
Pure ALOHA
Pure ALOHA, veri iletiminin hatasız gerçekleşebilmesi için, gönderilen paketin gönderimi tamamlanana dek sıradaki paketin gönderimini başlatmayan bir iletim tekniğidir.
İletilecek olan paketler öncelikle fragmente edilir. Fragmentasyon, iletilecek verinin boyutu ne olursa olsun iletileceği ortamın taşıyabileceği boyuta uygun şekilde sıralı parçalara ayrılması işlemidir. Veri, bant genişliğine bağlı olarak parçalara ayrılır ve sırasıyla iletilir. Alıcı cihaz ise verileri aldıktan sonra sırası ile birleştirerek ilk haline getirir. Paket iletime uygun hale geldikten sonra gönderici cihaz tarafından sırasıyla iletime başlanır.
Paket iletiminin başarılı olması durumunda cihaza başarılı olduğuna dair bir dönüş mesajı (acknowledge) gönderilir. Başarılı gönderimin sonucunda sıradaki paket iletim için sıraya girer. Eğer iletimin başarılı olduğuna dair iletim mesajı (acknowledge) gönderici cihaza belirli süre içerisinde iletilmez ise iletimin başarısız olduğu anlaşılır. Eğer iletim başarısızsa, aynı paketin gönderimi, rastgele bir süre sonra tekrar gerçekleştirilir. Tekrar iletim limiti aşılması durumunda paket kayıp olarak nitelendirilir ve sıradaki paketin iletim aşamasına geçilir.
Ancak gönderimi gerçekleştiren kullanıcı sayısı ve gönderilecek paket sayısı arttıkça belirli problemler yaşanabilir. İletimin başarılı gerçekleştiğine dair dönüş mesajı geldiğinde, iletime yeni başlayacak paketlerin sıraya girmesi veya iletime geçilen ilk anda çakışmalar yaşanabilir. Aynı anda iletime başlamak isteyen farklı paketler, birbirinden habersiz olarak kanala gönderilir ve kanal girişinde çakışır. Ayrıca paket iletimini başlatacak olan cihazlar, verileri rastgele zamanlarda iletebilir, yani herhangi bir sayıda gönderici herhangi bir zamanda veri iletmek isteyebilir. Birbirinden haberi olmayan kullanıcılar, bu durum da çakışmaya sebep olabilir. Yaşanılan kayıpları önlemek için Slotted ALOHA yöntemi geliştirilmiştir.
Slotted ALOHA
Slotted ALOHA, Pure ALOHA ile aynı çalışma yapısına sahiptir. Pure ALOHA tekniğinde iletimin başlangıcında nizami bir sıra ile yapılmaması sebebiyle oluşabilecek sorunların çözümü olarak ortaya çıkmıştır.
İletim için hazır hale gelen ve sıralanan paketlerin uygun iletim ortamı oluştuğunda, periyodik zaman aralıklarında gönderimi sağlanır. Zaman aralığında iletilemeyen paketler bir sonraki iletim zamanını beklemek zorundadır.
İletim kanalı, paket iletimine uygun olduğunda göndericiye “beacon” sinyali ile haber verilir. Sinyali alan gönderici, paketleri belirli süre aralıklar ile iletim ortamına gönderir. Böylece paketlerin aynı anda, aynı ortama gönderimi sağlanmaz ve çakışmanın önüne geçilir. İletimin başarılı olduğuna dair iletim bilgilendirme mesajı dönmeyen paketler, gönderici tarafından tekrar sıraya alınır ve tekrar gönderimi sağlanır. Bunun sonucunda çarpışma sayısı yarı yarıya iner ve ALOHA verimliliği iki kat artar.
2- CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
CSMA, paket iletimi öncesinde iletimin sağlanacağı ortamın trafiğini algılayan bir teknolojidir. Böylece iletim, kanalın boş olduğu zamanlarda gerçekleştirilerek çarpışma olasılığının azalması hedeflenir.
İletişim kanalının meşguliyetini algılamak için, paket gönderimi öncesinde bir taşıyıcı sinyal iletilerek kanalın boş veya dolu olduğu algılanır. İletişimin sağlanacağı kanal boş ise paket iletimi gerçekleştirilebilir. Eğer kanal meşgul ise trafik yoğunluğu azalıp, kanal iletime uygun hale gelene dek (kanal boş olana dek) paket iletimi gerçekleştirilmez.
Buna rağmen CSMA kullanımında hala çarpışma olasılığı bulunur. İki farklı gönderici ortamı aynı zamanlarda dinlemiş ve aynı anda iletim kanalını boş olarak algılamış olabilir. Bu durumda iki gönderici de paket iletimini aynı anda sağlayacak ve paketler kanalda çakışacaktır. CSMA’in ortaya çıkmasıyle iki tür CSMA teknolojisi geliştirilmiştir. Bunlar; Collision Detection (Çarpışma Algılama) ve Collision Avoid (Çarpışma Engelleme).
3- CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
CSMA/CD yani çarpışma algılama sistemi, çalışma yapısı bakımından CSMA ile aynı olmakla beraber, ek olarak içerisinde çarpışma algılama sistemi mevcuttur.
İletime başlamadan önce kanalın trafik yoğunluğunu incelemek için bir taşıyıcı sinyal iletilir. Eğer iletim kanalı boş ise paket gönderimi başlatılır. İletim kanalı dolu ise, kanal boş olana dek paket gönderimi bekletilir. Paket gönderimi başladıktan sonra yaşanan olası bir çakışma, sisteme “Jam Sinyal” adı verilen, kanalda çakışma olduğunu belirten bir sinyali iletir. Sistem Jam Sinyali’ni aldığında, son iletilen paketin çarpıştığını ve bozulduğunu algılar. İletimin tamamlanabilmesi için çakışan paketin tekrar iletimi, rastgele bir süre beklendikten sonra sağlanır. İletim başarılı olursa bir sonraki paket iletime hazırlanır. Ayrıca, bir çarpışma yaşanmadan iletim tamamlandığı zaman sisteme iletimin başarılı olduğuna dair geri dönüş mesajı (acknowledge) gönderilmez. Çünkü sistem eğer Jam Sinyal almamış ise, iletilen paketler çakışmamış ve iletim başarılı gerçekleşmiş anlamına gelir.
Eğer paket birden fazla kez iletilir ve her iletimde çakışma yaşanıyorsa, paket iletim limitini aşar ve paket drop edilir. Bu aşamada paket kaybının yaşanmasının sebebi, sistemi problemli bir paketten kurtarmaktır.
4- CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid)
CSMA/CA yani çarpışma engelleme sistemi, daha garanti iletişim için geliştirilmiş bir yapıya sahiptir. Paketin çakışmadan sağlıklı iletimi ve kaynaktan hedefe gerçekleştirilen paket gönderiminin garanti olması için geliştirilmiştir. Kablolu iletişime sahip ağlarda sıklıkla kullanılmaktadır.
Paket iletimi başlamadan önce sıralanan paketler, sırasıyla iletilmek üzere kanala gönderilir. Kanala gönderilen paketler rastgele süreler ile beklerler. Süresi dolan paket, iletim kanalı üzerindeki yoluna devam eder ve iletişim kanalının meşguliyet durumunu dinlemeye başlar. Kanal boş olana dek kanalın durumu dinlenir. Kanalın boş olduğundan emin olan paket, yoluna devam etmeden önce tekrar rastgele bir sayı seçilir ve sayma işlemi gerçekleştirilir. Sayma işlemi bittiğinde kanalın meşguliyeti tekrar dinlenir ve kanal her meşgul olduğunda, bir öncPaket iletimi başlamadan önce sıralanan paketler, sırasıyla iletilmek üzere kanala gönderilir. Kanala gönderilen paketler rastgele süreler ile beklerler. Süresi dolan paket, iletim kanalı üzerindeki yoluna devam eder ve iletişim kanalının meşguliyet durumunu dinlemeye başlar. Kanal boş olana dek kanalın durumu dinlenir. Kanalın boş olduğundan emin olan paket, yoluna devam etmeden önce tekrar rastgele bir sayı seçilir ve sayma işlemi gerçekleştirilir. Sayma işlemi bittiğinde kanalın meşguliyeti tekrar dinlenir ve kanal her meşgul olduğunda, bir önceki aşamada sayılan rastgele sayı, yani bekleme süresi iki katına çıkar ve tekrar sayılır. Sayımı biten paket iletim için yoluna devam etmeden önce tekrar kanalın meşguliyet durumunu dinler. Eğer kanal dolu ise kanal boş olana dek bekler. Kanal boş ise paket iletim yolunda ilerlemeye devam eder ve iletim gerçekleşir. Paket gönderimi tamamlandıktan sonra, gönderimi başlatan cihaza, iletimin başarılı olduğuna dair bir geri dönüş mesajı (acknowledge) iletilir. Böylece iletim başarılı kabul edilir. Eğer sistem belirli bir süre içerisinde, gönderilen paket ile ilgili iletimin başarılı olduğuna dair geri dönüş mesajı almaz ise paket çakışmış veya kayıp kabul edilir. İletilemeyen paket, tüm işlemleri baştan alacak şekilde tekrar gönderilir. İletimi başarısız olan paketin gönderimi, paket gönderim limiti dolana veya paket başarılı iletilene dek devam eder. Paket gönderim limitini aşan paket, drop edilir ve paket kaybı olarak kabul edilir, tekrar gönderilmez.
Eğer yapılan rastgele sayımlarda, belirlenen rastgele sayı kadar sayım yapılmadan, yani zamanlayıcı süresi dolmadan gerçekleştirilecek iletimlerde paket kayıp olarak nitelendirilir ve iletimi tekrardan başlatılır. Benzer bir şekilde eğer başarılı iletim mesajı sisteme, zaman aşımı süresinden sonra iletilirse de paket kayıp olarak nitelendirilir ve yeniden iletimi sağlanır.
İletişim kanalının veya iletim ortamının meşgul olduğu durumlarda iletim süresi uzar. Çarpışma büyük olasılıkla önlenir ancak paket iletim sürelerinde artış gözlemlenir. Paketlerin belirli aralıklarla, belirli sürelerde iletişim yoluna devam etmesi, TDMA (Time Division Multiple Access) benzeri bir yapıyı ortaya çıkarır.
CSMA/CA sayesinde paket iletiminde yaratılan beklemeler ile olası bir çarpışma minimuma indirgenmiş olur. Ayrıca paketin iletildiğine dair sisteme gönderilen başarılı iletim mesajı (acknowledge) sayesinde, paketin herhangi bir çakışma sürecine dâhil olup olmadığı algılanabilir. İletim kanalı üzerinde veri kaybı yaşamadan iletişim kurabilmenin temeli sağlanmış olur.
Sözü geçen protokollerin iletim oranı ve yaşanılan paket gecikme süreleri türünden grafiği yanda gösterilmiştir. Bu aşamada dikkat edilmesi gereken nokta, protokollerin iyi kötü veya ideal olarak incelenmemesidir. Teknolojilerin kullanılacağı alan, iletilecek olan verinin türü, iletim ortamının durumu, iletim süresi ve bunun gibi birçok etkene bağlı olarak tercih edilmelidir. Bahsedilen durumlara göre, iletişimin türü değişmektedir. İletim türü, iletişimin en verimli olacağı şekilde tercih edilmelidir.
