推导纯ALOHA协议的效率

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在日语中，“Aloha”通常表示“你好”。它工作在OSI模型的MAC层。多路访问协议是一组用于避免串扰并实现高效传输的协议。当数据在没有特定信道的主机之间传输时，可能会存在数据冲突和串扰的较高可能性。在这种情况下，使用ALOHA（一种随机访问协议）可以提高效率。

计算机系统中的ALOHA

ALOHA是一种多路访问协议。使用此协议，来自不同节点的任意数量的数据流都可通过传输信道发送。在ALOHA协议中，每个数据都在不检查传输介质是否繁忙的情况下发送。如果两个以上的数据尝试占用相同的信道，则会发生冲突，并且过程停止并重新传输到主机。

ALOHA协议指南

任何主机站都可以随时将数据发送到传输信道。通过使用多个信道，数据包的冲突和丢失很容易发生。数据启动（即载波侦听）所需的时间为零，因为数据是在没有任何检查过程的情况下传输的。此协议中也不提供冲突检测，并且帧在特定时间段后重新传输。

ALOHA的类型

ALOHA协议主要有两种类型：

1. 分时ALOHA

与ALOHA协议类似，任何站点都可以在传输信道上发送数据，但仅限于分配的时间段内。因此，它遵循离散时间并全局同步。

2. 纯ALOHA

当主机需要在站点进行数据传输时，它可以在任何时间进行。数据传输一次后，站点等待一段时间以获取接收端发来的确认。此方法用于避免数据冲突。在数据传输过程中可能存在两种情况：

• 数据已接收 - 它在给定时间内等待接收方响应，如果未收到，则再次等待随机时间（称为回退时间）以获取响应。

• 数据丢失 - 如果仍然未收到确认，则站点认为数据包可能已丢失，并再次重新传输数据包。

纯ALOHA的回退时间

此策略在纯ALOHA协议中起着至关重要的作用。当未收到数据包确认时，站点会等待更长一段随机时间，或者等待时间称为回退策略。

回退时间 (Tb) = k * RTT（往返时间）

其中k是站点选择的数字，一个RTT等于一个时隙。

纯ALOHA的易损时间

易损时间是发生数据包冲突的时间。如果第一个帧“A”在任何特定时间t发送，在数据完全传输之前，并且其他帧“B”在帧“A”完成之前开始，则会导致冲突。

发生冲突时的易损时间 (Vt) = 2 * Tt

其中Tt是帧的传输时间。

易损时间也称为传播时间或从站点传输完整数据包所花费的总时间。

$$\mathrm{易损时间\:=\:\frac{(消息长度)}{(传输信道带宽)}}$$

纯ALOHA的信道吞吐量

这里“G”是帧传输时间段内通过信道传输的平均帧数。当数据包成功或完整地传输到接收端时，数据包的概率如下所示：

最大效率

为了找到站点在数据包传输期间的最大效率，让我们取传输的平均帧数为1和1/2。

成功纯ALOHA的吞吐量或效率，$\mathrm{S\:=\:G\:*e^{-2G}}$

要消除指数，对两边关于G进行微分：

$$\mathrm{\frac{\partial\:S}{\partial\:G}\:=1.(0)(e^{-2G})}$$

$$\mathrm{\frac{\partial\:S}{\partial\:G}\:=\:0}$$

因此，当G=1/2时出现最大效率，并将G值代入吞吐量方程。

$$\mathrm{S\:=\:\frac{1}{2}\:*e^{-2(\frac{1}{2})}}$$ [因为e^(-1)的值为0.367879]

$$\mathrm{S\:=\:\frac{1}{2}\:*e^{(-1)}}$$

$$\mathrm{S\:=\:\frac{1}{2}\:*\:0.367879}$$

$$\mathrm{S= 0.1839395}$$

纯ALOHA的效率百分比为18.39%，由于冲突次数过多，因此非常低。

结论

在计算机网络中，访问控制是在传输过程中控制站点的过程。ALOHA是一种随机访问协议，由两种类型组成。其中，由于纯ALOHA的简单性和易于实现，因此比分时ALOHA具有更多优势。分时ALOHA中的数据包冲突次数少，而纯ALOHA中的冲突次数多。