CSMA/CD: o que é, como funciona e por que a Ethernet com switch não tem mais colisão

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) é o método de acesso ao meio da Ethernet original: antes de transmitir, a estação escuta o cabo; se duas transmitirem ao mesmo tempo, ambas detectam a colisão, enviam um sinal de reforço (jam) e esperam um tempo aleatório antes de tentar de novo. Ele é definido na cláusula 4 da norma IEEE 802.3 e só atua em enlaces half duplex — numa porta de switch em full duplex, que é o caso de praticamente toda rede atual, não existe colisão e o CSMA/CD fica inativo.

Este guia explica o protocolo CSMA/CD com os números da norma (slot time, quadro mínimo de 64 bytes, backoff exponencial), mostra por que ele praticamente desapareceu das redes com switch, compara CSMA/CD com CSMA/CA e ensina a reconhecer o único problema de CSMA/CD que ainda aparece com frequência em campo: o duplex mismatch.

O que significa CSMA/CD

A sigla descreve as três ideias do protocolo, cada uma resolvendo um problema do meio compartilhado (o cabo coaxial da Ethernet dos anos 1980, ou o hub, que repete o sinal para todas as portas):

A Ethernet nasceu no Xerox PARC nos anos 1970, inspirada na rede de rádio ALOHAnet, e foi padronizada pelo IEEE como 802.3. A ligação histórica é tão forte que, até a edição 802.3-2008, o título oficial da norma era “Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications”; a partir da edição 802.3-2012 passou a ser “IEEE Standard for Ethernet”.

Como funciona o CSMA/CD, passo a passo

1. Escuta do meio. A estação com um quadro para enviar verifica se há portadora. Se o meio está ocupado, ela espera.
2. Intervalo entre quadros. Quando o meio fica livre, ela ainda aguarda o interframe gap de 96 tempos de bit (9,6 µs a 10 Mb/s; 0,96 µs a 100 Mb/s).
3. Transmissão com escuta simultânea. A estação transmite e, ao mesmo tempo, monitora o meio. No coaxial, a colisão aparece como nível de sinal acima do normal; no par trançado em half duplex, como sinal chegando no par de recepção enquanto ela transmite.
4. Colisão detectada: jam. A estação interrompe o quadro e envia um padrão de reforço de 32 bits (o jam), garantindo que todas as outras percebam a colisão e descartem o fragmento por erro de CRC.
5. Backoff exponencial. Ela espera um número aleatório de slot times antes de tentar de novo. Quanto mais colisões seguidas, maior o intervalo de sorteio.
6. Desistência. Após 16 tentativas sem sucesso, a placa descarta o quadro e reporta erro (excesso de colisões). A recuperação fica para as camadas superiores, como o TCP.

Os números do CSMA/CD na norma IEEE 802.3

Por que o quadro Ethernet mínimo tem 64 bytes

Para que a colisão seja detectada, a estação precisa ainda estar transmitindo quando o eco da colisão volta da ponta mais distante do domínio de colisão. O slot time de 512 bits foi escolhido para cobrir esse tempo de ida e volta no maior segmento permitido, com repetidores. A 10 Mb/s:

512 bits ÷ 10.000.000 bit/s = 51,2 µs  →  512 bits ÷ 8 = 64 bytes

Um quadro menor que 64 bytes poderia terminar de ser enviado antes que a colisão chegasse de volta: a estação acharia que transmitiu com sucesso e o dado se perderia sem aviso. Por isso a camada MAC completa quadros curtos com bytes de preenchimento (padding) até 64 bytes. Esse limite continua valendo em toda Ethernet, mesmo full duplex, por compatibilidade.

Exemplo resolvido: o backoff exponencial truncado

Depois da n-ésima colisão seguida, a estação sorteia um inteiro r entre 0 e 2^k − 1, com k = mín(n, 10), e espera r × slot time. Em uma rede de 10 Mb/s (slot de 51,2 µs):

O sorteio aleatório evita que as duas estações voltem a colidir no mesmo instante; o crescimento exponencial adapta a espera à carga. O preço é a imprevisibilidade: sob tráfego pesado, a latência de um quadro pode variar de microssegundos a dezenas de milissegundos — inaceitável para controle de tempo real, e um dos motivos de a automação industrial só ter adotado a Ethernet em massa depois dos switches full duplex.

Domínio de colisão: hub, switch e full duplex

Colisão só existe dentro de um domínio de colisão — o conjunto de estações que disputam o mesmo meio. O equipamento de rede define o tamanho desse domínio:

O switch Ethernet isola cada porta e, com o modo full duplex (IEEE 802.3x, de 1997), cada enlace passa a ser ponto a ponto, com um par para transmitir e outro para receber. Sem meio compartilhado, não há o que disputar.

O CSMA/CD ainda é usado?

Muito pouco, e a própria norma registra isso:

• A partir do 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae-2002), a Ethernet define apenas full duplex: 10G, 25G, 40G, 100G e também 2.5GBASE-T a 40GBASE-T não têm modo half duplex nem CSMA/CD.
• O Gigabit half duplex existe no papel, mas não há hardware em uso que o implemente.
• Em 2011 o IEEE 802.3 desaconselhou (deprecated) os repetidores em favor dos switches.
• Placas de rede e switches 10/100/1000 ainda suportam half duplex por compatibilidade com equipamentos antigos, e é aí que o CSMA/CD ainda aparece.

Há uma exceção recente e interessante para a automação: o 10BASE-T1S (IEEE 802.3cg-2019), Ethernet de par único com topologia multiponto, volta a ter meio compartilhado e inclui um mecanismo opcional chamado PLCA (PHY-Level Collision Avoidance), que dá a vez a cada nó de forma ordenada justamente para não depender de colisões.

Na prática, quem moderniza uma rede antiga com hubs troca o problema todo por um switch não gerenciável: cada porta vira seu próprio domínio, em full duplex, e as colisões somem.

CSMA/CD × CSMA/CA

As duas siglas se parecem, mas resolvem ambientes diferentes. No rádio, a estação não consegue ouvir enquanto transmite (o próprio sinal ofusca o dos outros) e pode não enxergar uma terceira estação fora do seu alcance (o problema do “terminal oculto”). Por isso o Wi‑Fi não detecta colisões: tenta evitá-las.

Outra confusão comum, que aparece nas buscas como “CSMA CDMA”: CDMA (Code Division Multiple Access) não tem relação com o CSMA/CD. É uma técnica de rádio em que vários usuários transmitem ao mesmo tempo, na mesma faixa, separados por códigos — usada na telefonia celular 2G (cdmaOne) e 3G (CDMA2000, WCDMA), não em Ethernet.

Erros comuns: onde o CSMA/CD ainda dá problema

Duplex mismatch

É o defeito mais frequente ligado ao CSMA/CD em redes atuais, e engana porque o link “funciona”: o ping responde, mas a transferência fica lenta e trava. A causa típica é configurar uma ponta fixa em 100 Mb/s full duplex e deixar a outra em autonegociação. A ponta automática, sem receber a negociação, detecta a velocidade mas assume half duplex. Resultado: uma ponta usa CSMA/CD e a outra não.

• Lado half duplex: registra late collisions (colisões após os primeiros 64 bytes).
• Lado full duplex: registra erros de FCS/CRC e quadros truncados (runts).

A correção é deixar as duas pontas em autonegociação (o recomendado pelos fabricantes e obrigatório no 1000BASE-T) ou fixar as duas no mesmo modo — nunca só uma.

Late collision

Numa rede half duplex corretamente montada, toda colisão acontece dentro dos primeiros 512 bits. Colisão tardia indica duplex mismatch, cabo acima do comprimento permitido, excesso de repetidores ou placa defeituosa. A placa de rede não retransmite um quadro que sofreu late collision: a perda sobra para o TCP, o que derruba o desempenho.

Configurar “CSMA/CD” em equipamento moderno

Não existe ajuste de CSMA/CD a fazer em switch ou placa de rede atual: ele entra sozinho quando, e somente quando, a porta opera em half duplex. O que se configura e se monitora é o modo de duplex e os contadores de erro. Um switch gerenciável mostra, porta a porta, velocidade, duplex negociado, colisões e erros de CRC — exatamente os dados de que se precisa para achar um duplex mismatch sem ir até o painel.

Checklist rápido de diagnóstico

1. Verifique velocidade e duplex nas duas pontas do link.
2. Contadores de colisão crescendo em porta de switch? A porta está em half duplex — descubra por quê.
3. Late collision de um lado e CRC do outro: é duplex mismatch.
4. Ainda há hub na rede? Substitua por switch; em ambiente industrial, por modelo para trilho DIN.
5. Equipamento antigo que só fala 10 Mb/s half duplex: isole-o numa porta própria do switch, para que as colisões fiquem restritas àquele enlace.

Para os termos usados aqui (domínio de colisão, FCS, MAC, duplex), o glossário de redes Ethernet traz as definições.

Perguntas Frequentes

O que é CSMA/CD?

É o método de acesso ao meio da Ethernet half duplex, definido na IEEE 802.3: a estação escuta o meio antes de transmitir, detecta colisões enquanto transmite, envia um jam de 32 bits e espera um tempo aleatório (backoff exponencial) antes de tentar de novo, até 16 tentativas.

Qual a diferença entre CSMA/CD e CSMA/CA?

O CSMA/CD (Ethernet com fio) detecta a colisão depois que ela acontece e retransmite. O CSMA/CA (Wi‑Fi, IEEE 802.11) tenta evitar a colisão antes de transmitir, com espera aleatória, confirmação (ACK) de cada quadro e RTS/CTS opcional, porque no rádio a estação não consegue ouvir enquanto transmite.

O protocolo CSMA/CD ainda é usado nas redes Ethernet?

Só em enlaces half duplex, o que hoje é raro. Redes com switch operam em full duplex e não têm colisões; do 10 Gigabit Ethernet em diante a norma nem define half duplex. O CSMA/CD continua suportado em portas 10/100/1000 por compatibilidade.

Por que o quadro Ethernet mínimo é de 64 bytes?

Porque a estação precisa ainda estar transmitindo quando a notícia de uma colisão volta da ponta mais distante do segmento. O slot time de 512 bits (51,2 µs a 10 Mb/s) cobre esse tempo de ida e volta, e 512 bits equivalem a 64 bytes.

CSMA/CD e CDMA são a mesma coisa?

Não. CSMA/CD é o controle de acesso da Ethernet half duplex, em que as estações se revezam no meio. CDMA é uma técnica de rádio de telefonia celular em que vários usuários transmitem simultaneamente, separados por códigos.

O que é o sinal de jam no CSMA/CD?

É um padrão de 32 bits que a estação transmite assim que detecta uma colisão. Ele garante que todas as estações do domínio percebam a colisão e descartem o fragmento recebido, que chegará com CRC inválido.