Aloha-分类
时隙ALOHA吞吐量
ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。
1、纯ALOHA
ALOHA协议的思想很简单,只要用户有数据要发送,就尽管让他们发送。当然,这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是,由于广播信道具有反馈性,因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测,将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较,就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理,其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏(即检测到冲突),那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。
对于局域网LAN,反馈信息很快就可以得到;而对于卫星网,发送方要在 270ms 后才能确认数据发送是否成功。通过研究证明,纯ALOHA协议的信道利用率最大不超过18.4%(1/2e)。
纯ALOHA协议的工作原理和特点
工作原理:站点只要产生帧,就立即发送到信道上;规定时间内若收到应答,表示发送成功,否则重发。
重发策略:等待一段随机的时间,然后重发;如再次冲突,则再等待一段随机的时间,直到重发成功为止
优点:简单易行
缺点:极容易冲突
竞争系统:多个用户以某种可能导致冲突的方式共享公用信道的系统
纯ALOHA协议性能分析
T0 帧的发送时延
吞吐量S 在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数
网络负载G 在T0内总共发送的平均帧数(包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧)。
则:
吞吐量 S = G e -2G
极大值为 G = 0.5时,S = 0.184
2、时隙ALOHA(S-ALOHA)
1972年,Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略,即时隙ALOHA协议。他的思想是用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为离散的时间片,用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据,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。在时隙ALOHA系统中,计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据,而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样,连续的纯ALOHA就变成离散的时隙ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半,因此时隙ALOHA的信道利用率可以达到36.8%(1/e),是纯ALOHA协议的两倍。但对于时隙ALOHA,用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。
时隙ALOHA和纯ALOHA比较
时隙ALOHA的工作原理
基本思想:把信道时间分成离散的时间槽,槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。
信道效率:冲突危险区是纯ALOHA的一半,所以P0 = e-G,S = Ge-G;与纯ALOHA协议相比,降低了产生冲突的概率,信道利用率最高为36.8%。
重发策略:同纯ALOHA ,等待一段随机的时间,然后重发;如再次冲突,则再等待一段随机的时间,直到重发成功为止。
代价:需要全网同步;可设置一个特殊站点,由该站点发送时钟信号
时隙ALOHA协议性能分析:
T0 一个数据帧的发送时间
吞吐量S 在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数
网络负载G 在T0内总共发送的平均帧数(包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧)。
则:
吞吐量 S = G e -G
极大值为 G = 1.0时,S = 0.368
Aloha-组成
ALOHA时隙
ALOHA网的组成框图,可以把它分为五个部分。
(1)用户终端:包括智能终端和简单终端。
(2)用户接口:执行通信控制部件,例如终端控制器。集中器。用户终端和用户接口组成节点。
(3)无线电通信子系统:由各端收发信机及转发器组成通信子网。
(4)通信处理机(IMP):位于中央节点,处理用户访问和通信控制。
(5)网络资源:包括本地各台主机以及其他网络。中央IMP与网络资源组成中央节点。经过TIP(是ARPA网的终端接口处理机),中央IMP可与ARPA网的IMP(接口信息处理机)相连接,使ALOHA网的用户终端可访问其他网终的资源。
ALOHA网有两种通信方式:广播和竞争。从中央节点发送信息到各用户节点,采用广播方式,在UHF频带区使用413.475MHz的频率,占用 100KMz的信道,中央IMP发送的任何信息,正常情况下各用户终端控制器都能到。从各用户节点到中央节点,采用随机的竞争方式,以407.350MHz的频率,也占用100KHz信道。如果各用户不同时发送信息,IMP可以正确收到;如果各用户同时发送信息,则会发生冲突,使信息不可识别,必须考重发。显然,信息的冲突会降低传输效率。但是考虑到各用户的数据报文较短(即占用信道时间较短),发送信息的性带有突发性和断续性,因此这种随机性访问网络方式还是可行的。
Aloha-访问方式
ALOHA访问方式
网络中多个用户共用一个信道,因此采用竞争方式,各自随机地访问中央系统。由于产生冲突现象,使传输效率或网络的吞吐率降低。
(1)纯ALOHA法(Pure--ALOHA)
发送站向网络传送的报文分组内,包含目的地址和源地址,并在发送起动计时器,根据在一预定时间内有没有得到接收应答信号来判断这个报文分组是否安全到达目的地。对用户的发送,不加以限制,就很容易发生冲突,造成重发报文组。
发生冲突以后,有两种解决措施。一种办法,是给每个用户规定一个互不相同的重发时延,即根据优先程度给予用户重发权利,达到避免再次冲突。另一种办法,是对每个用户随机地选取重发时延,例如时延可在0。2s到1。5s的范围内选取。当然,最小时延应考虑用户收到来自中央IMP的确认(ACK),如果太短的话,用户因可能尚未收到ACK而执行不必要的重发。传输效率一般以单位时间内传输的有效信息量与额定的信道容量之比值来表示,以此衡量各种访问网络方法的性能。纯ALOHA法的传输效率较低,约有18.4%。
(2)时间片法(Slotted--ALOHA),又称开糟ALOHA法
通过划分相等的时间片,每个时间片对于一个帧,指定用户在每个时间的开始端发送信息,不允许终端在任何时候发送,由于强加这一种限制,减少了时间片内中间冲突的概率,并且,如果在开始端发生冲突,也只会浪费这个时间片。每个时间片的长度,要合理设计。因为从各个用户的报文分组到达中央系统的传输延迟不同,最大的报文分组长度相关于第一个报文分组首部到达时刻与最后一个报文分组尾部到时刻之时间差值,由这个先后到达的时间差值,选择每个时间片的宽度。对拥有中等数量用户的系统,时间片法的传输效率约为36.8%,如果用户数量效少,传输效率还可提高。
(3)卫星通信ALOHA
如前所述,ALOHA的问题是信道效率低,对于纯ALOHA,只有0。184效率,即使是开糟ALOHA,也只有0.368(可以通过分析,精确计算而得)。
在卫星通信中也运用开糟ALOHA,分成上行信道和下行信道。每个信道具有2Bbps分配带宽中的一半,即带宽Bbps,吞吐量将是B/ebps,信道效率就是(B/e)/2B,或者是1/2e,约为0.184。由于卫星通信要求每个帧都由卫星重新广播,与每个站可以直接听到原发送的ALOHA系统相比,效率只有一半。
如图所示的是具有两个上行信道和一个下行信道的ALOHA系统。有帧发送的站随机地选择两个上行信道中的一个,在下一个时间片中发送。每个上行信道就是一个独立的开糟的ALOHA信道。经分析下行信道的利用率为0。599。这一方案所占用的总带宽为3B,吞量为0.599B,所以此方案的效率约为 0.20,或者说比只有一个上行道和下行信道的系统效率0.184高9%。
如以具体数据来说明,假设数据发送可用1Mbps带宽,如果按照500kbps为上行信道,500kbps为下行信道来分配,吞吐量最多将为 184kbps。然而如果分配成两个333kbps的上行信道和一个333kbps的下行信道,吞吐量最多将达2o0kbps。由此可见,有两个上行信道的系统就要比只有一个上行信道和一个下行信道系统有所改进。
不过,在有两个上行信道的系统中如果两帧一起成功地到达了,其中一个必须丢弃,因为只有一个下行信道。这里可能有两种改进方法:一种是在卫星上增加存储容量,使得不立即重新广播的帧能够保存起来等待以后的时间片。另一种是增加下行信道。从卫星增加存储器的要求而论,需附加能源,这意味着将带入空间更多的太阳电池和更大的重量。早期的卫星没有任何存储帧和以后重新广播的措施,随着卫星技术的进步,卫星上带存储器更为常见,在以后还开发了具有卫星存储器和多波束的卫星。
Aloha-预约ALOHA
预约ALOHA
预约ALOHA(Reservation ALOHA)为了在信道高负载情况下,更好地利用单个共享信道,按照时分多路复用的原理,对每个站预定分配一个时间片,要允许它在相对应的时间片发送报文分组。根据预约申请和释放的方法之不同可以有以下几种不同形式的预约方案。
第一种是Binder在1975年提出的,如TDM那样,N个连续时间片组合在一起成为一个组,每个站预拥有它自已的时间片位置。如果时间片数比站点数多,多余的时间片不分配给其它任何站点。如果一个时间片的拥有站不想在当前的组中使用它,就不做任何事,此时间片就成为空时间片。空时间片是给其它任何站的一个信号,表明拥有者没有通信量。在下一组中,这个时间片就在竞争的基础上,为所有想用的站所争用。如果拥有者想恢复他的时间片,他发送一个帧,这样强加了一个碰撞(如果有其它通信的话)。在碰撞之后,除了拥有者外的其它站必须停止使用该时间片,这样拥有者总是可以在不超过两个组的时间内开始传送。在每次碰撞之后,碰撞者必须避开一个组以观察拥有者是否想要收回那个时间片。