CSMA的仿真与分析

路 延

（陕西职业技术学院，西安 710100）

0 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：

由上面的公式可分析出纯ALOHA系统中，分组成功传输的概率：Psucc=P在两个时间按单位内没有其他分组发送的概率

由此可得系统的通过率为：S=Ge-2G.对此式求最大值，可得系统的最大通过率为，约为0.184。此时对应的G=0.5。

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。

图1 20节点ALOHA与CSMA协议比对

图2 60节点ALOHA与CSMA协议比对图

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/(G+e-G)。

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。

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