ALOHA 协议详解

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于 2024-12-15 00:06:53 首次发布

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注：本文为 “ALOHA 协议” 相关文章合辑。

未去重整理。

第一篇两张图不错，其他内容与第二篇多有重复。

第三篇协议工作原理解析，第四篇概要比较。

动态分配信道（ALOHA 协议、CSMA 协议）

QuantumYou 于 2021-07-27 09:32:04 发布

在这里插入图片描述

ALOHA 协议

纯 ALOHA 协议

纯 ALOHA 协议思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发

冲突如何检测？

如果发生冲突，接收方在就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

冲突如何解决？

超时后等一随机时间再重传。

在这里插入图片描述

时隙 ALOHA 协议

时隙 ALOHA 协议的思想：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。 控制想发就发的随意性

在这里插入图片描述

ALOHA 协议小结

1、纯 ALOHA 比时隙 ALOHA 吞吐量更低，效率更低。
2、纯 ALOHA 想发就发，时隙 ALOHA 只有在时间片段开始时才能发。

CSMA 协议

载波监听多路访问协议 CSMA ( carrier sense multiple access)

CS: 载波侦听 / 监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突
MA: 多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

协议思想：发送帧之前，监听信道。

在这里插入图片描述

1 - 坚持 CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

1 - 坚持 CSMA 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。空闲则直接传输，不必等待。忙则一直监听，直到空闲马上传输。如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程

优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。
缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

非坚持 CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

非坚持 CSMA 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。空闲则直接传输，不必等待。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

p - 坚持 CSMA

p - 坚持指的是对于监听信道空闲的处理。

p 坚持 CSMA 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

空闲则以 p 概率直接传输，不必等待；概率 1-p 等待到下一个时间槽再传输。
忙则持续监听直到信道空闲再以 p 概率发送。
若冲突则等到下一个时间槽开始再监听并重复上述过程。

优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像 1 - 坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

但是，发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

三种 CSMA 对比

在这里插入图片描述

数据链路层动态分配信道 ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA

posted @ 2021-06-26 23:15 PBDragon

一、动态分配信道

动态分配信道是信道并非在用户通信时固定分配给用户的。

动态分配信道，可以分为轮询访问控制令牌传递协议；随机访问介质访问控制 ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA 协议。

随机访问介质访问控制：所有用户可随机发送信息，发送信息时占全部带宽。就是因为用户可以随机发送信息，所以就需要相关的控制协议来协调通信双方信息的发送。

二、ALOHA 协议

ALOHA 协议又可以分为两种纯 ALOHA 协议和时隙 ALOHA 协议。

（1）ALOHA 协议

ALOHA 协议是不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。图例：

在这里插入图片描述

ALOHA 协议如何检测冲突呢？

如果发生冲突，接收方会检测出差错，不回复确认帧，发送方在一定时间内收不到确认帧，就会判断发生了冲突。

ALOHA 协议如何如何处理冲突？

超时后等一随机时间再重传。

（2）时隙 ALOHA 协议

时隙 ALOHA 协议的思想就是把时间分成若干个相同的同间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

在这里插入图片描述

当每个站点在发送数据的时候，只能在一个时间片的开始来发送，如（站点 1 和站点 2 只对应自己的 $T_0$ ，从图上可以看到他们在时间上并不交叉），当数据发送时没有发生冲突，那么在单位的时间 $T_0$ 内，接收方就可以正确接收数据；当数据发生冲突时，在一个 $T_0$ 的时隙内，发送方没有收到确认帧，那么发送方判断发生了冲突，发送方会在下一个时间片开始再次重传。

ALOHA 协议与时隙 ALOHA 协议的区别

（1）ALOHA 协议比时隙 ALOHA 协议吞吐量更低，效率更低。

（2）ALOHA 协议是想发就发，时隙 ALOHA 协议只有在时间片开始时才能发。

三、CSMA 协议

CSMA 协议叫载波监听多路访问协议。CS 载波侦听 / 监听：每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。（当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大，互相叠加，当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。）MA 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

根据 CSMA 协议的思想，发送数据帧之前，监听信道。监听的结果有两种一种是信道空闲则立刻发送无整数据帧；另一种是信道忙推迟发送数据帧。根据什么时候发送数据以及需要推迟多久，有三种不同的协议，分别是 1 - 坚持 CSMA、非坚持 CSMA、p - 坚持 CSMA。

（1）1 - 坚持 CSMA

1 - 坚持 CSMA：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

1）如果信道空闲则直接传输，不必等待。

2）如果信道忙则一直监听，直到空闲马上传输。

3）如果有冲突，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

优点：只要信道空闲，站点马上发送信息，提高了信道的利用率；

缺点：如果有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

（2）非坚持 CSMA

非坚持 CSMA：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

1）如果信道空闲则直接传输，不必等待。

2）如果信道忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

缺点：可能存在站点都在延迟等待，使得信道可能处于空闲状态，信衜的利用率低。

（3）p - 坚持 CSMA

p - 坚持 CSMA 指的是对监听信道空闲的处理。

p - 坚持 CSMA：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

1）空闲则以 p 概率直接传输，不必等待；概率 1-p 等待到下一个时间片再传输。

2）如果信道忙则等待一个随机的时间之后再进行监听（与非坚持 CSMA 一致）。

优点：既能像非坚持那样减少冲突，又能像 1 - 坚持 CSMA 那样提高信道的利用率。

缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送发，会造成信道浪费。

三种 CSMA 方式的对比

状态	1 - 坚持 CSMA	非坚持 CSMA	p - 坚持 CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p 概率马上发 1-p 概率等到下一个时隙再发送
信道忙	继续坚持监听	放弃监听，等一个随机时间再监听	放弃监听，等一个随机时间再监听

四、CSMA/CD 协议

信道划分介质访问控制协议，有四种控制的方法：

1.FDM（frequency-division multiplexing，频分多路复用）
2.TDM (Time Division Multiplexing，时分多路复用)
3.WDM（Wavelength Division Multiplex，波分多路复用）
4.CDM（code division multiplexing，码分多路复用）

这四种协议有一些共同的特点，就是网络负载重时，共享信道效率很高，因为这几种协议都是对信道进行均分；但是在网络负载轻时，则共享信道的效率就很低，因为很多的信道被占用了，但是使用率不高。

随机访问控制协议，如随机访问介质访问控制 ALOHA 协议、CSMA 协议，则根据用户随机发送信息，发送信息时可以独占信道带宽，当网络负载重时，容易发生冲突而占用信道开销；但在网络负载轻时，共享信道效率高，单个结点可以利用全部信道带宽。

CSMA/CD 也叫轮询访问 MAC 协议，它可以检测出碰撞、冲突，主要应用于有线以太网。它既不产生冲突，发送数据时又可以占全部带宽。

CSMA/CD 协议轮询 “邀请” 从属结点发送数据，主要问题有：1. 轮询开销、2. 等待延迟（指还没有轮询到的主机有数据也不能发）、3. 单点故障（指网络的指挥官轮询主机发生故障）

注：如果连续发生 16 次碰撞后，认为网络繁忙，不再尝试发送。

五、CSMA/CA 协议

载波监听多点接入 / 碰撞避免 CSMA/CA 协议，它可以避免碰撞，不能检测碰撞，主要应用于无线局域网。

为什么有了 CSMA/CD 协议还需要 CSMA/CA 协议？

主要的问题是 CSMA/CD 协议不可能做到在无线局域网范围内，全面检测冲突和碰撞，另外的问题，就是隐蔽站问题。

什么是隐蔽站问题？

当 A 和 C 都检测不到信号，认为信道空闲时，同时向 B 发送数据帧，就会导致冲突。

CSMA/CA 协议工作原理

（1）发送数据前，先检测信道是否空闲。

（2）空闲就发出请求发送数据帧 RTS（request to send），RTS 包括发射端的地址、接收端的地址、数据将持续发送的时间等信息，信道忙则等待。

（3）接收端收到 RTS 后，会响应请求数据帧 CTS（clear to send）。

（4）发送端收到 CTS 后，开始发送数据帧（同时预约信道，发送方告知其他站点自己对信道的占用时间）

（5）接收端收到数据帧后，用采用 CRC 来检验数据是否正确，正确则回复 ACK 帧。

（6）发送方收到 ACK 帧后就进行下一帧数据的发送，若没有收到则重传直至规定的次数为止。（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

注：RTS 与 CTS 数据帧主要用于解决隐蔽站的问题。

CSMA/CA 协议总结

（1）预约信道

（2）ACK 确认帧

（3）RTS/CTS 帧

CSMA/CD 与 CSMA/CA 的区别

相同点：

CSMA/CD 与 CSMA/CA 都是基于 CSMA 的思路，其核心是先监听再传输。

不同点：

（1）CSMA/CD 主要用于总线型以太网，CSMA/CA 主要用于无线局域网。

（2）载波检测方式不同，CSMA/CD 通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压会随着发生变化；而 CSMA/CA 采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

（3）CSMA/CD 可以检测冲突，CSMA/CA 是避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传。

六、令牌传递协议

以下是令牌环网的基本结构：

这个令牌环网由四台 PC 组成，分别是主机 A、主机 B、主机 C、主机 D，TCU 转发器就是一个传递数据帧的转发接口，它可以转发所有经过的数据帧。

那么令牌是什么呢？它是一个特殊格式的 MAC 控制帧，不含任何信息。它可以控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。那么令牌环网就无碰撞也没有冲突，因为，在同一时刻，只有某一台主机可以获得令牌，那么才可以独占信道。

令牌环网的传递过程：每个结点都可以在一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制的持有令牌。

令牌环网的问题有：

令牌开销
等待延迟
单点故障

令牌环网的应用：主要应用于令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑），采用令牌传送方式的网络常常是负载较重、通信量较大的网络。

ALOHA 协议

Jaihk662 于 2018-05-20 23:01:19 发布

纯 ALOHA 协议工作原理

任何一个站都可以在帧生成后立即发送（可能冲突），并通过信号的反馈检测信道以确定发送是否成功
如发送失败，则经随机延时后再发送

每个站点可在任意时间发送数据（不关心信道是否已被占用）
两个以上站点都在发送数据时就会发生冲突

参数定义

帧时 T：发送一个标准长的帧所需的时间
吞吐率 S：在一个帧时 T 内发送成功的平均帧数（0<S<1，S=1 时信道利用率 100%）
运载负载 G：一个帧时 T 内所有通信站总共发送的帧平均值（包括原发和重发帧）（G≥S，G=S 表示无冲突）
P0：一帧发送成功（未发生冲突）的概率，发送成功的分组在已发送分组的总数中所占的比例；公式：S = G*P0

关于 P0 的计算

冲突危险期：时间长度为 2T（过了这个时间就会再发生冲突了）

生成帧均值与概率分布

生成帧均值： $2 G$ （一个帧时一个 $G$ ）

一个帧时内生成 $k$ 个帧的概率服从泊松分布：

$Pr[k]=G^{k}e^{-G}/k!$

$\therefore$ 在 $2 T$ 的时间内发送成功的概率 = $2 T$ 的时间内都没有其它帧生成的概率

img

$P_{0}=P[0]P[0]=(e^{-G})^{2}=e^{-2G}$

纯 ALOHA 协议性能

将 $ P_{0}=e^{-2G} $代入$ S = GP_{0}$ 得：

$S = Ge^{-2G}$

求吞吐率 $S$ 的极大值：

$S'=e^{-2G}-2Ge^{-2G}=0$ ，

当 $G = 0.5$ 时， $S\cong0.184$ ，

即纯 ALOHA 信道的利用率最高为 $18.4\%$

img

分隙 ALOHA 工作原理

分隙 ALOHA 是把时间分成时隙（时间片），时隙的长度对应一帧的传输时间。

新帧的产生是随机的，但分隙 ALOHA 不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点。

冲突只发生在时隙的起点，冲突发生时只浪费一个时隙，一旦某个站占用时隙并发送成功，则在该时隙内不会出现冲突。

在 $T$ 的时间内发送成功的概率 = $T$ 的时间内都没有其它帧生成的概率。

分隙 ALOHA 协议性能

$P[0]=e^{-G}$

> $P_{0}=P[0]=e^{-G}$ $\LARGE ?$

> $S = Ge^{-G}$ ，

在 $G = 1$ 时得到最大吞吐率：

$S_{max}=1/e\cong 0.368$ ，

该值是纯 ALOHA 值的两倍

img

数据链路层 : ALOHA 协议 ( 纯 ALOHA 协议 | 时隙 ALOHA 协议 )

韩曙亮于 2020-08-19 13:07:35 发布

一、动态分配信道

动态分配信道：又称为动态媒体接入控制，多点接入；其特点是，信道没有在用户通信时，固定分配给用户；

随机访问介质访问控制：该模式下，所有用户都可以随机发送信息，发送信息时，占用全部的带宽；

ALOHA 协议
CSMA 协议
CSMA/CD协议
CSMA/CA 协议

如果两台同时发送，并且占用全部带宽，这样就产生了冲突;

二、 ALOHA 协议分类

ALOHA 协议 分为两种

纯 ALOHA 协议
时隙 ALOHA 协议

ALOHA 读法 额喽哈

三、纯 ALOHA 协议

纯 ALOHA 协议：

不监听信道；
随机发送：不按照时间槽发送，也就是随机发送；
想发就发；

冲突检测、处理：

① 出现冲突：如果发送时，出现了冲突，数据被丢弃，或部分出错，发送失败；

② 接收方处理：接收方没有收到数据，或收到错误数据，那么向发送方发送错误信息，或者干脆不回送确认信息；

③ 发送方处理：如果发送方在超时时间内没有收到接收方的确认信息，那么就重传之前的数据；

四、时隙 ALOHA 协议

时隙 ALOHA 协议：

① 时间片分割：将时间分成若干相同的时间片；

② 接入信道：所有用户在每个时间片开始时，同步接入网络信道；

③ 冲突机制：如果接入信道时某用户与其它用户发生冲突，那么等到下一个时间片再开始发送；

五、纯 ALOHA 协议与时隙 ALOHA 协议对比

纯 ALOHA 协议与时隙 ALOHA 协议对比：

① 吞吐量对比：纯 ALOHA 协议比时隙 ALOHA 协议吞吐量低；

② 发送时机对比：纯 ALOHA 协议想发就发，时隙 ALOHA 协议只有在时间片开始时，才能发

via:

动态分配信道（ALOHA 协议、CSMA 协议）_aloha 信道 - 优快云博客 QuantumYou 于 2021-07-27 09:32:04 发布
https://blog.youkuaiyun.com/QuantumYou/article/details/119113171
数据链路层动态分配信道 ALOHA 协议、CSMA 协议、CSMA/CD 协议、CSMA/CA - PBDragon - 博客园 posted @ 2021-06-26 23:15 PBDragon
https://www.cnblogs.com/PBDragon/p/14928547.htmlstion/35919386
ALOHA 协议解析 Jaihk662 于 2018-05-20 23:01:19 发布
https://blog.youkuaiyun.com/Jaihk662/article/details/80386620
数据链路层 : ALOHA 协议 ( 纯 ALOHA 协议 | 时隙 ALOHA 协议 ) - 优快云博客 韩曙亮于 2020-08-19 13:07:35 发布
https://blog.youkuaiyun.com/shulianghan/article/details/108095501