CSMA 的仿真與分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 CSMA 的仿真與分析 0 引言 以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)代一種非常重要的局域網(wǎng)建網(wǎng)技術(shù)，其特點(diǎn)是簡單，靈活，易于實(shí)施，其他技術(shù)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(luò)仿真分析是通過配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響.網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行某一協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈路等狀態(tài)對(duì)協(xié)議本身的反映，通過性能分析可以的預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能. 文中主要運(yùn)用OPNET 對(duì)純ALOHA 協(xié)議和1- 堅(jiān)持型CSMA 協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)模型，目的是分析，評(píng)價(jià)此兩種網(wǎng)絡(luò)的性能，充分說明CSMA 協(xié)議相對(duì)于ALOHA 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量和穩(wěn)定程度上的優(yōu)越性. 1

2、隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議 隨機(jī)多址協(xié)議又叫做有競爭的多址接入?yún)f(xié)議.網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位是等同的，各節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得信道的使用權(quán). 隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議又可細(xì)分為完全隨機(jī)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.不管是那種隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，主要關(guān)心兩個(gè)方面的問題：一個(gè)是穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過率和時(shí)延性能，另一個(gè)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 1.1 純ALOHA 協(xié)議 純ALOHA 協(xié)議是基本的ALOHA 協(xié)議.只要有新的分組到達(dá)，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(jī)退避一段時(shí)間后開展重傳. 如果從數(shù)據(jù)分組開始發(fā)送的時(shí)間起點(diǎn)到其傳輸結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi)，沒有其他數(shù)據(jù)分組發(fā)送，則

3、該分組就不會(huì)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(jì)算ALOHA 協(xié)議的通過率（吞吐量）為：假定設(shè)系統(tǒng)有無窮個(gè)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)重傳的時(shí)延足夠隨機(jī)，重傳分組和新到達(dá)分組合成的分組劉是到達(dá)率為G的Possion 分布過程.在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生k 個(gè)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)議演變出的一種改良型協(xié)議，它采用了附加的硬件裝置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠檢測偵聽到信道上有無分組在傳輸.如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以等到信道

4、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(xì)分為幾種不同的實(shí)現(xiàn)形式：非堅(jiān)持型CSMA,1 堅(jiān)持型CSMA 和p- 堅(jiān)持型CSMA.所謂1- 堅(jiān)持型CSMA 是指當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，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(diǎn)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(duì)CSMA 和ALOHA 協(xié)議的比對(duì)與分析 2.1 在20 個(gè)節(jié)點(diǎn)下開展的CSMA 和ALOHA 協(xié)議的分析 理論上CSMA 協(xié)議在任何負(fù)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(fù)載G 之間的關(guān)系為 :S = Ge.2G.

5、 當(dāng)G=0.5 時(shí)有值S=1/2e 約等于1.84.此時(shí)的信道負(fù)載的數(shù)值G 也在0.5 左右，這點(diǎn)說明了原理上的純ALOHA 協(xié)議的值點(diǎn)與仿真值相似，驗(yàn)證了原理的正確性. 由原理上可得1- 堅(jiān)持型CSMA 在忽略傳播時(shí)延的情況下信道吞吐率和信道負(fù)載之間的關(guān)系為 :S = G（1+G）e/ （G + e）. 經(jīng)過計(jì)算當(dāng)G=1 時(shí)，S 的值約為53%.由圖1 可知，仿真結(jié)果和理論結(jié)果相當(dāng)?shù)慕咏?，由此可以說明原理的正確性. 2.2 在60 個(gè)節(jié)點(diǎn)下開展的CSMA 和ALOHA 協(xié)議的比對(duì)與分析 由圖2 看出由于節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，總線的業(yè)務(wù)量明顯增加. 在節(jié)點(diǎn)增多的情況下ALOHA 協(xié)議與CSMA 協(xié)議的

6、吞吐量都沒有變.當(dāng)在業(yè)務(wù)量較小時(shí)兩種情況的吞吐量都保持了上升的態(tài)勢(shì)，分別到達(dá)了的吞吐量，由于ALOHA 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不考慮當(dāng)前信道是忙還是閑，一旦有分組到達(dá)就單獨(dú)決定將分組發(fā)送到信道，這種盲目的措施在業(yè)務(wù)量越來越大的情況下，吞吐量逐漸下降，在當(dāng)G=4 時(shí)，吞吐量基本為零. 與此同時(shí)1- 堅(jiān)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(wù)量小時(shí)，兩種協(xié)議都保持一定的增長情況，但是隨著業(yè)務(wù)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(dǎo)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(shí)之前會(huì)觀察信道內(nèi)是否有分組在發(fā)送，防止了分組之間的碰撞.這里從圖上可看出，業(yè)務(wù)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比照較緩和.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(jì)社會(huì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸走進(jìn)了千家萬戶，由此而來的導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的逐漸加大，人們?nèi)找骊P(guān)注網(wǎng)絡(luò)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(luò)，節(jié)省人力物力，更好的為協(xié)議的分析和改良做工作. 在分析所得到的結(jié)果中能清楚