计算机网络：随机访问介质访问控制之 ALOHA 协议

2022-11-08
山东
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在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率。在总线形网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突（碰撞，相互干扰)，导致所有冲突用户的发送均以失败告终。为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过。

这些规则就是随机访问介质访问控制协议，常用的协议有 ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD 协议和 CSMA/CA 协议等，它们的核心思想都是:胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权。因此，随机访问介质访问控制协议又称争用型协议。随机介质访问控制实质上是一种将广播信道转化为点到点信道的行为。

ALOHA 协议

夏威夷大学早期研制的随机接入系统称为 ALOHA,它是 Additive Link On-line HAwaii system 的缩写。ALOHA 协议分为纯 ALOHA 协议和时隙 ALOHA 协议两种。

纯 ALOHA 协议纯 ALOHA 协议的基本思想是，当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内未收到确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直至发送成功。
每个站均自由地发送数据帧。为简化问题，不考虑由信道不良而产生的误码，并假定所有站发送的帧都是定长的，帧的长度不用比特而用发送这个帧所需的时间来表示，用 T0 表示这段时间。
当站 1 发送帧 1 时，其他站都未发送数据，所以站 1 的发送必定是成功的。但随后站 2 和站 N-1 发送的帧 2 和帧 3 在时间上重叠了一些(即发生了碰撞)。碰撞的结果是，碰撞双方（有时也可能是多方）所发送的数据出现了差错，因而都须进行重传。但是发生碰撞的各站并不能马上进行重传，因为这样做必然会继续发生碰撞。纯 ALOHA 系统采用的重传策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重传。若再次发生碰撞，则需要再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。
纯 ALOHA 网络的吞吐量很低。
时隙 ALOHA 协议
时隙 ALOHA 协议把所有各站在时间上同步起来,并将时间划分为一段段等长的时隙(Slot),规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。时隙 ALOHA 网络比纯 ALOHA 网络的吞吐量大了 1 倍。时隙的长度 T 使得每个帧正好在一个时隙内发送完毕。每个帧在到达后，一般都要在缓存中等待一段小于 T 的时间，然后才能发送出去。在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，在下一个时隙将产生碰撞。碰撞后重传与上面类似。