推導純ALOHA協議的效率

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在日語中，“Aloha”通常表示“你好”。它工作在OSI模型的MAC層。多路訪問協議是一組用於避免串擾並實現高效傳輸的協議。當資料在沒有特定通道的主機之間傳輸時，可能會存在資料衝突和串擾的較高可能性。在這種情況下，使用ALOHA（一種隨機訪問協議）可以提高效率。

計算機系統中的ALOHA

ALOHA是一種多路訪問協議。使用此協議，來自不同節點的任意數量的資料流都可透過傳輸通道傳送。在ALOHA協議中，每個資料都在不檢查傳輸介質是否繁忙的情況下發送。如果兩個以上的資料嘗試佔用相同的通道，則會發生衝突，並且過程停止並重新傳輸到主機。

ALOHA協議指南

任何主機站都可以隨時將資料傳送到傳輸通道。透過使用多個通道，資料包的衝突和丟失很容易發生。資料啟動（即載波偵聽）所需的時間為零，因為資料是在沒有任何檢查過程的情況下傳輸的。此協議中也不提供衝突檢測，並且幀在特定時間段後重新傳輸。

ALOHA的型別

ALOHA協議主要有兩種型別：

1. 分時ALOHA

與ALOHA協議類似，任何站點都可以在傳輸通道上傳送資料，但僅限於分配的時間段內。因此，它遵循離散時間並全域性同步。

2. 純ALOHA

當主機需要在站點進行資料傳輸時，它可以在任何時間進行。資料傳輸一次後，站點等待一段時間以獲取接收端發來的確認。此方法用於避免資料衝突。在資料傳輸過程中可能存在兩種情況：

• 資料已接收 - 它在給定時間內等待接收方響應，如果未收到，則再次等待隨機時間（稱為回退時間）以獲取響應。

• 資料丟失 - 如果仍然未收到確認，則站點認為資料包可能已丟失，並再次重新傳輸資料包。

純ALOHA的回退時間

此策略在純ALOHA協議中起著至關重要的作用。當未收到資料包確認時，站點會等待更長一段隨機時間，或者等待時間稱為回退策略。

回退時間 (Tb) = k * RTT（往返時間）

其中k是站點選擇的數字，一個RTT等於一個時隙。

純ALOHA的易損時間

易損時間是發生資料包衝突的時間。如果第一個幀“A”在任何特定時間t傳送，在資料完全傳輸之前，並且其他幀“B”在幀“A”完成之前開始，則會導致衝突。

發生衝突時的易損時間 (Vt) = 2 * Tt

其中Tt是幀的傳輸時間。

易損時間也稱為傳播時間或從站點傳輸完整資料包所花費的總時間。

$$\mathrm{易損時間\:=\:\frac{(訊息長度)}{(傳輸通道頻寬)}}$$

純ALOHA的通道吞吐量

這裡“G”是幀傳輸時間段內透過通道傳輸的平均幀數。當資料包成功或完整地傳輸到接收端時，資料包的機率如下所示：

最大效率

為了找到站點在資料包傳輸期間的最大效率，讓我們取傳輸的平均幀數為1和1/2。

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

要消除指數，對兩邊關於G進行微分：

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

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

因此，當G=1/2時出現最大效率，並將G值代入吞吐量方程。

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

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

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

$$\mathrm{S= 0.1839395}$$

純ALOHA的效率百分比為18.39%，由於衝突次數過多，因此非常低。

結論

在計算機網路中，訪問控制是在傳輸過程中控制站點的過程。ALOHA是一種隨機訪問協議，由兩種型別組成。其中，由於純ALOHA的簡單性和易於實現，因此比分時ALOHA具有更多優勢。分時ALOHA中的資料包衝突次數少，而純ALOHA中的衝突次數多。