Kol­li­si­ons­do­mä­ne: Was steckt dahinter?

Im Zu­sam­men­hang mit ver­schie­de­nen Netz­werk­tech­ni­ken fällt des Öfteren der Begriff „Kol­li­si­ons­do­mä­ne“. Was hat es mit diesem Phänomen auf sich und worin un­ter­schei­det sich eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne von einer Broad­cast­do­mä­ne? Wir liefern die Erklärung.

Was ist eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne?

Bei einer Kol­li­si­ons­do­mä­ne (engl. Collision Domain) handelt es sich um ein in sich ge­schlos­se­nes Netzwerk, das sich u. a. aus Leitungen und Stationen der Schicht 1 im OSI-Modell zu­sam­men­setzt.

Cha­rak­te­ris­tisch für eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne ist, dass nur ein einziges Gerät Daten über ein phy­si­sches Über­tra­gungs­me­di­um senden kann. Sobald zwei oder mehr Geräte versuchen, Daten zu über­tra­gen, kommt es zu einer Kollision. Das bedeutet, dass die zu über­tra­gen­den Daten nicht am Zielort ankommen. Der Grund: Bei einem Zugriff durch mehrere Geräte erhöht sich die Spannung, die auf das Medium ausgeübt wird, und es kommt zu einer Über­la­ge­rung der Signale. Je mehr Geräte gleich­zei­tig auf das Über­tra­gungs­me­di­um zugreifen, desto wahr­schein­li­cher ist es, dass eine Kollision auftritt. Auch eine zu große Ent­fer­nung zwischen den einzelnen Stationen be­güns­tigt Kol­li­sio­nen.

Kol­li­sio­nen erkennen und vermeiden: So funk­tio­niert das CSMA/CD-Verfahren

Eine bewährte Methode, mit der sich Kol­li­sio­nen gut erkennen und ver­hin­dern lassen, nennt sich Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection – kurz: CSMA/CD. Auf Deutsch bedeutet der Begriff so viel wie „Mehr­fach­zu­griff mit Prüfung des Trägers und Erkennung von Kol­li­sio­nen“. Im Hinblick auf das Ethernet un­ter­liegt diese so­ge­nann­te Fluss­kon­trol­le dem Standard IEEE 802.3.

Bei dem Verfahren über­wa­chen die in die Domäne ein­ge­bun­de­nen Stationen die Spannung, die auf dem Medium liegt. Sobald zwei Stationen gleich­zei­tig Daten senden, kommt es im Zuge der Si­gnal­über­la­ge­rung zu einer Über­schrei­tung der vorher de­fi­nier­ten Grenz­wer­te. Die Kollision wurde somit er­folg­reich erkannt und der Sen­de­vor­gang wird nach einer kurzen Wartezeit wie­der­holt. Ist das Medium hingegen frei, können Da­ten­si­gna­le ohne Störung gesendet werden.

Welche Rand­be­din­gun­gen für die Größe der Kol­li­si­ons­do­mä­ne gibt es?

Damit das CSMA/CD-Verfahren wie gewünscht funk­tio­niert, dürfen im be­tref­fen­den Ethernet maximal 1.023 Stationen mit der je­wei­li­gen Domäne verbunden sein. Zudem dürfen höchstens fünf Ka­bel­seg­men­te und bis zu vier Repeater zum Einsatz kommen, und nur an drei Segmenten dürfen End­sta­tio­nen an­ge­schlos­sen sein. Werden diese Höchst­wer­te über­schrit­ten, ist die Kol­li­si­ons­do­mä­ne zu groß und die Kol­li­sio­nen lassen sich nicht mehr durch das oben be­schrie­be­ne Verfahren erkennen.

So wird eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne bestimmt

Wie sich eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne ein­gren­zen lässt, hängt davon ab, welche Netz­seg­men­te ihr angehören. Bridges und Switches fungieren hierbei grund­sätz­lich als se­pa­rie­ren­de Stationen. Bei beiden Kom­po­nen­ten handelt es sich um Kopp­lungs­ele­men­te, die auf der OSI-Schicht 2 an­zu­sie­deln sind und die Funktion haben, Da­ten­pa­ke­te wei­ter­zu­lei­ten. Switches greifen dabei grund­sätz­lich auf mehr als zwei Ports zu. Jeder dieser Ports ist mit einer Station per Kabel verbunden und bildet mit dieser eine eigene Kol­li­si­ons­do­mä­ne.

Anders verhält es sich, wenn ein Hub zum Netzwerk gehört. Hubs arbeiten im Gegensatz zu Bridges und Switches auf der OSI-Schicht 1. Sie verbinden mehrere Netz­werk­sta­tio­nen mit­ein­an­der und haben quasi die Funktion eines Ver­tei­lers. Ein Hub und die mit ihm ver­bun­de­nen Stationen bilden jeweils eine einzige Kol­li­si­ons­do­mä­ne. Diese Kon­stel­la­ti­on hat zur Folge, dass immer nur eine Station mit dem Hub Da­ten­si­gna­le aus­tau­schen kann. Sobald ein anderes Gerät Daten an den Hub über­tra­gen will, kommen diese nicht am Zielort an.

Nachteile von Kol­li­si­ons­do­mä­nen

Einfache Kol­li­sio­nen gehören bei gemeinsam genutzten Medien quasi zur Ta­ges­ord­nung und stellen zunächst einmal kein gra­vie­ren­des Problem dar. Das gilt jedoch nur, wenn sie nicht in einer allzu großen Häu­fig­keit vorkommen. Hohe Kol­li­si­ons­ra­te stören den Da­ten­ver­kehr und machen einen Abbruch des Sen­de­vor­gangs notwendig. Aus diesem Grund sind Kol­li­si­ons­do­mä­nen nicht oder kaum ska­lier­bar, denn treten Kol­li­sio­nen zu oft auf, ist eine Über­las­tung des Netzwerks die Folge. Das führt wiederum zu emp­find­li­chen Leis­tungs­ein­bu­ßen.

Diese Pro­ble­ma­tik ist insoweit ein Nachteil, als Ska­len­ef­fek­te für den lang­fris­ti­gen Erfolg eines Un­ter­neh­mens un­er­läss­lich sind – Stichwort „Economies of Scale“. Das CSMA/CD-Verfahren ist zwar grund­sätz­lich eine wir­kungs­vol­le Lösung, um Kol­li­sio­nen zu erkennen, doch die Ver­wal­tung und Wartung des Pro­to­kolls ist mitunter recht komplex.

Kol­li­si­ons­do­mä­ne vs. Broad­cast­do­mä­ne: Das sind die Un­ter­schie­de

Zunächst einmal handelt es sich sowohl bei Kol­li­si­ons­do­mä­nen als auch bei Broad­cast­do­mä­nen um Phänomene, die eine logische Un­ter­tei­lung eines Netzwerks be­schrei­ben. Einen Un­ter­schied gibt es jedoch im Hinblick auf die jeweilige Ebene und die Be­gren­zung.

Bei einer [Broad­cast­do­mä­ne] handelt es sich um ein Cluster, das eine oder mehrere Kol­li­si­ons­do­mä­nen umfasst. Innerhalb einer Broad­cast­do­mä­ne wird Broadcast-Da­ten­ver­kehr gesendet und empfangen. Als be­gren­zen­de Kom­po­nen­ten dienen entweder VLANs oder ein Router. Sind zwei Endgeräte über Router, Bridges oder Switches mit­ein­an­der verbunden, kommt es zwischen diesen zu keiner Kollision. Al­ler­dings kann eine Kollision zwischen Endgerät und Switch auftreten. Der Grund: Eine Kol­li­si­ons­do­mä­ne und eine Broad­cast­do­mä­ne agieren jeweils auf un­ter­schied­li­chen Schichten des OSI-Modells.