载波侦听多址访问协议网络的仿真与分析

引言

以太网技术是当代一种非常重要的局域网建网技术，其特点是简单，灵活，易于实施，其他技术一直难以取代以太网所采用的访问控制协议，即本文所要研究的CSMA 协议和ALOHA 协议.网络仿真分析是通过配置网络环境，分析网络协议对网络性能的影响.网络在执行某一协议时，网络节点链路等状态对协议本身的反映，通过性能分析可以精确的预测网络的性能.

文中主要运用OPNET 对纯ALOHA 协议和1- 坚持型CSMA 协议建立网络模型，目的是分析，评价此两种网络的性能，充分说明CSMA 协议相对于ALOHA 协议在网络吞吐量和稳定程度上的优越性.

1 随机多址接入协议

随机多址协议又叫做有竞争的多址接入协议.网络中的节点在网络中的地位是等同的，各节点通过竞争获得信道的使用权.

随机多址接入协议又可细分为完全随机多址接入协议（ALOHA 协议）和载波侦听型多址接入协议.不论是那种随机多址接入协议，主要关心两个方面的问题：一个是稳态情况下系统的通过率和时延性能，另一个是系统的稳定性.

1.1 纯ALOHA 协议

纯ALOHA 协议是最基本的ALOHA 协议.只要有新的分组到达，就立即被发送并期望不与别的分组发生碰撞.一旦分组发生碰撞，则随机退避一段时间后进行重传.

如果从数据分组开始发送的时间起点到其传输结束的这段时间内，没有其他数据分组发送，则该分组就不会和其他分组发生碰撞.在纯ALOHA 协议中，只有在数据分组的易受破坏区间内没有其他分组传输，则该分组才可以成功传输.计算ALOHA 协议的通过率（吞吐量）为：假定设系统有无穷个节点，假设重传的时延足够随机，重传分组和新到达分组合成的分组刘是到达率为G的Possion 分布过程.在单位时间内产生k 个分组的概率为：

1.2 载波侦听型多址协议接入协议（CSMA）

CSMA 协议是从ALOHA 协议演变出的一种改进型协议，它采用了附加的硬件装置，每个节点都能够检测侦听到信道上有无分组在传输.如果一个节点有分组要传输，它首先检测信道是否空闲，如果信道有其它分组在传输，则该节点可以等到信道空闲后再传输，这样可以减少要发送的分组之间的碰撞，提高系统的利用率.

CSMA 协议可细分为几种不同的实现形式：非坚持型CSMA,1 坚持型CSMA 和p- 坚持型CSMA.所谓1- 坚持型CSMA 是指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则该节点一直监测此信道状态，直到检测到信道空闲后，立即发送该分组.

2 对CSMA 和ALOHA 协议的比对与分析

2.1 在20 个节点下进行的CSMA 和ALOHA 协议的分析

理论上CSMA 协议在任何负载量得情况下都比ALOHA 协议要好.原理可知纯ALOHA 协议下吞吐量S 与信道负载G 之间的关系为 :S = Ge.2G.

当G=0.5 时有最大值S=1/2e 约等于1.84.此时的信道负载的数值G 也在0.5 左右，这点说明了原理上的纯ALOHA 协议的最大值点与仿真值相似，验证了原理的正确性.

由原理上可得1- 坚持型CSMA 在忽略传播时延的情况下信道吞吐率和信道负载之间的关系为 :S = G（1+G）e/ （G + e）.

经过计算当G=1 时，S 的值约为53%.由图1 可知，仿真结果和理论结果相当的接近，由此可以说明原理的正确性.

2.2 在60 个节点下进行的CSMA 和ALOHA 协议的比对与分析

由图2 看出由于节点数的增多，总线的业务量明显增加.

在节点增多的情况下ALOHA 协议与CSMA 协议的最大吞吐量都没有变.当在业务量较小时两种情况的吞吐量都保持了上升的态势，分别达到了最大的吞吐量，由于ALOHA 协议网络中的节点不考虑当前信道是忙还是闲，一旦有分组到达就独自决定将分组发送到信道，这种盲目的措施在业务量越来越大的情况下，吞吐量逐渐下降，在当G=4 时，吞吐量基本为零.

与此同时1- 坚持型CSMA 相比于ALOHA 协议，由于其具有载波侦听的功能，如果一个节点要传输，它首先检测到信道是否空闲，如果信道有其它分组在传输，则该节点一直检测信道状态，等信道空闲后再以概率为1 立即发送该分组.

信道业务量小时，两种协议都保持一定的增长情况，但是随着业务量的增加，由于ALOHA 协议没有载波侦听功能，信道内分组的碰撞较多，导致数据包的大量发送不成功，而CSMA 协议在发送时之前会观察信道内是否有分组在发送，避免了分组之间的碰撞.这里从图上可看出，业务量较大的情况下ALOHA 协议急速下降CSMA 协议吞吐量也有下降但相对比较缓和.由此可得，CSMA协议的稳定性要优于ALOHA 协议.

3 结论

随着经济社会的发展，计算机逐渐走进了千家万户，由此而来的导致了网络负载的逐渐加大，人们日益关注网络中的传输协议问题.利用仿真软件可以有效的模拟网络，节省人力物力，更好的为协议的分析和改进做工作.

在分析所得到的结果中能清楚的看出在信道不同的负载下CSMA 协议的吞吐量均比ALOHA 协议高，在信道负载不断增加的情况下，ALOHA 协议的吞吐量比CSMA 协议下降的要快.由此可得，在以太网中常用的CSMA 协议性能优于ALOHA 协议.