載波偵聽多址訪問協(xié)議網(wǎng)絡的仿真與分析

引言

以太網(wǎng)技術是當代一種非常重要的局域網(wǎng)建網(wǎng)技術，其特點是簡單，靈活，易于實施，其他技術一直難以取代以太網(wǎng)所采用的訪問控制協(xié)議，即本文所要研究的CSMA 協(xié)議和ALOHA 協(xié)議.網(wǎng)絡仿真分析是通過配置網(wǎng)絡環(huán)境，分析網(wǎng)絡協(xié)議對網(wǎng)絡性能的影響.網(wǎng)絡在執(zhí)行某一協(xié)議時，網(wǎng)絡節(jié)點鏈路等狀態(tài)對協(xié)議本身的反映，通過性能分析可以精確的預測網(wǎng)絡的性能.

文中主要運用OPNET 對純ALOHA 協(xié)議和1- 堅持型CSMA 協(xié)議建立網(wǎng)絡模型，目的是分析，評價此兩種網(wǎng)絡的性能，充分說明CSMA 協(xié)議相對于ALOHA 協(xié)議在網(wǎng)絡吞吐量和穩(wěn)定程度上的優(yōu)越性.

1 隨機多址接入?yún)f(xié)議

隨機多址協(xié)議又叫做有競爭的多址接入?yún)f(xié)議.網(wǎng)絡中的節(jié)點在網(wǎng)絡中的地位是等同的，各節(jié)點通過競爭獲得信道的使用權.

隨機多址接入?yún)f(xié)議又可細分為完全隨機多址接入?yún)f(xié)議（ALOHA 協(xié)議）和載波偵聽型多址接入?yún)f(xié)議.不論是那種隨機多址接入?yún)f(xié)議，主要關心兩個方面的問題：一個是穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過率和時延性能，另一個是系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

1.1 純ALOHA 協(xié)議

純ALOHA 協(xié)議是最基本的ALOHA 協(xié)議.只要有新的分組到達，就立即被發(fā)送并期望不與別的分組發(fā)生碰撞.一旦分組發(fā)生碰撞，則隨機退避一段時間后進行重傳.

如果從數(shù)據(jù)分組開始發(fā)送的時間起點到其傳輸結(jié)束的這段時間內(nèi)，沒有其他數(shù)據(jù)分組發(fā)送，則該分組就不會和其他分組發(fā)生碰撞.在純ALOHA 協(xié)議中，只有在數(shù)據(jù)分組的易受破壞區(qū)間內(nèi)沒有其他分組傳輸，則該分組才可以成功傳輸.計算ALOHA 協(xié)議的通過率（吞吐量）為：假定設系統(tǒng)有無窮個節(jié)點，假設重傳的時延足夠隨機，重傳分組和新到達分組合成的分組劉是到達率為G的Possion 分布過程.在單位時間內(nèi)產(chǎn)生k 個分組的概率為：

1.2 載波偵聽型多址協(xié)議接入?yún)f(xié)議（CSMA）

CSMA 協(xié)議是從ALOHA 協(xié)議演變出的一種改進型協(xié)議，它采用了附加的硬件裝置，每個節(jié)點都能夠檢測偵聽到信道上有無分組在傳輸.如果一個節(jié)點有分組要傳輸，它首先檢測信道是否空閑，如果信道有其它分組在傳輸，則該節(jié)點可以等到信道空閑后再傳輸，這樣可以減少要發(fā)送的分組之間的碰撞，提高系統(tǒng)的利用率.

CSMA 協(xié)議可細分為幾種不同的實現(xiàn)形式：非堅持型CSMA,1 堅持型CSMA 和p- 堅持型CSMA.所謂1- 堅持型CSMA 是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發(fā)送分組；若信道處于忙狀態(tài)，則該節(jié)點一直監(jiān)測此信道狀態(tài)，直到檢測到信道空閑后，立即發(fā)送該分組.

2 對CSMA 和ALOHA 協(xié)議的比對與分析

2.1 在20 個節(jié)點下進行的CSMA 和ALOHA 協(xié)議的分析

理論上CSMA 協(xié)議在任何負載量得情況下都比ALOHA 協(xié)議要好.原理可知純ALOHA 協(xié)議下吞吐量S 與信道負載G 之間的關系為 :S = Ge.2G.

當G=0.5 時有最大值S=1/2e 約等于1.84.此時的信道負載的數(shù)值G 也在0.5 左右，這點說明了原理上的純ALOHA 協(xié)議的最大值點與仿真值相似，驗證了原理的正確性.

由原理上可得1- 堅持型CSMA 在忽略傳播時延的情況下信道吞吐率和信道負載之間的關系為 :S = G（1+G）e/ （G + e）.

經(jīng)過計算當G=1 時，S 的值約為53%.由圖1 可知，仿真結(jié)果和理論結(jié)果相當?shù)慕咏?，由此可以說明原理的正確性.

2.2 在60 個節(jié)點下進行的CSMA 和ALOHA 協(xié)議的比對與分析

由圖2 看出由于節(jié)點數(shù)的增多，總線的業(yè)務量明顯增加.

在節(jié)點增多的情況下ALOHA 協(xié)議與CSMA 協(xié)議的最大吞吐量都沒有變.當在業(yè)務量較小時兩種情況的吞吐量都保持了上升的態(tài)勢，分別達到了最大的吞吐量，由于ALOHA 協(xié)議網(wǎng)絡中的節(jié)點不考慮當前信道是忙還是閑，一旦有分組到達就獨自決定將分組發(fā)送到信道，這種盲目的措施在業(yè)務量越來越大的情況下，吞吐量逐漸下降，在當G=4 時，吞吐量基本為零.

與此同時1- 堅持型CSMA 相比于ALOHA 協(xié)議，由于其具有載波偵聽的功能，如果一個節(jié)點要傳輸，它首先檢測到信道是否空閑，如果信道有其它分組在傳輸，則該節(jié)點一直檢測信道狀態(tài)，等信道空閑后再以概率為1 立即發(fā)送該分組.

信道業(yè)務量小時，兩種協(xié)議都保持一定的增長情況，但是隨著業(yè)務量的增加，由于ALOHA 協(xié)議沒有載波偵聽功能，信道內(nèi)分組的碰撞較多，導致數(shù)據(jù)包的大量發(fā)送不成功，而CSMA 協(xié)議在發(fā)送時之前會觀察信道內(nèi)是否有分組在發(fā)送，避免了分組之間的碰撞.這里從圖上可看出，業(yè)務量較大的情況下ALOHA 協(xié)議急速下降CSMA 協(xié)議吞吐量也有下降但相對比較緩和.由此可得，CSMA協(xié)議的穩(wěn)定性要優(yōu)于ALOHA 協(xié)議.

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，計算機逐漸走進了千家萬戶，由此而來的導致了網(wǎng)絡負載的逐漸加大，人們?nèi)找骊P注網(wǎng)絡中的傳輸協(xié)議問題.利用仿真軟件可以有效的模擬網(wǎng)絡，節(jié)省人力物力，更好的為協(xié)議的分析和改進做工作.

在分析所得到的結(jié)果中能清楚的看出在信道不同的負載下CSMA 協(xié)議的吞吐量均比ALOHA 協(xié)議高，在信道負載不斷增加的情況下，ALOHA 協(xié)議的吞吐量比CSMA 協(xié)議下降的要快.由此可得，在以太網(wǎng)中常用的CSMA 協(xié)議性能優(yōu)于ALOHA 協(xié)議.