随机访问网的性能分析.docx

实验指导（一）——随机访问网的性能仿真［实验目的］：1．学习和掌握计算机网的各种随机访问方式2． 通过 MATLAB 仿真加深对网络吞吐量、稳定性和传输时延等网络性能的理 解3． 比较计算机网各种随机访问方式的性能，充分理解他们的相似点和不同点［概述］ 局域网的多点访问方式主要有固定分配，随机分配和按需分配三大类型 本篇文章主要分析随机分配方式网络的各种性能指标，包括在各种协议工作方式下的 输入业务量，吞吐量，平均归一化传输时延，系统稳定性等［相关理论知识］ 最早的随机联结多址方式是被称为 ALOHA 的通信方式，它的 基本特征是，若干地球站共用一个卫星转发器的频段，各站在时间上随机地发送其数 据分组，若发生碰撞则重发以下将证明这种方式的信道利用率很低在此基础上改 进的时隙 ALOHA （S—ALOHA）和预约 ALOHA （R—ALOHA） 方式有较高的信道利用率ALOHA 方式进一步改进产生另一种随机接入方式即载波侦听和碰撞检测的访问 方式（CSMA/CD）由于它有可能减小用户发送分组之间的相互碰撞概率，缩短分组 间的碰撞时间，所以相关的各性能都较好这种方式是目前局域网实际普遍采用的随 机接入方式。

无论是何种协议下的工作方式，用户发送分组到达网络接入口的随机特性服从泊 松分布，这是理论分析系统特性的基础［基本概念］1吞吐量S：每一单位分组传输时间内成功传输的平均分组数 2流入业务量G：每一单位分组传输时间内试探发送的分组数3 平均归一化传输时延：成功发送一个分组的平均所需时间与分组持 续时间的比值4 稳定性：主要体现在平均站数与吞吐量的关系上当站数超过一定数量后系统的吞吐量将下降5 T:分组持续时间［理论分析］（以纯ALOHA工作方式下系统分析为基础）一.（吞吐量S） 纯ALOHA系统 G=exp（-入T）,S=GP （成功传送）；P —成功传送的概率（即在 2T 危险周期内无其它分组传送的概率） 因为分组到达的概率服从泊松分布，所以有P （n=0）=（入 T ）nexp（-入 T）/n!=exp（-2入 T）故 S=Gexp（—2G）时隙 ALOHA系统 S=Gexp （—G）［绘图程序］function [p1,p2]=aloha_1(T) %[p1,p2]=aloha_1(T)%ALOHA和S_ALOHA信道利用率p (吞吐量S)与一个数据分组平均发送次数N的关系 %T每个分组的持续时间echo onx1=0:1:1/T; %用户平均每秒实际发送的分组数(信道每秒试探输入的分组数)R=1-exp(-x1*2*T); %在2十时间内没有产生分组碰撞的概率x=x1.*(1-R); %用户初始第一秒发送的分组数(信道每秒成功输出的分组数)G=x1*T; %流入信道业务量S1=G.*exp(-2*G); %经典ALOHA信道利用率(信道吞吐量)N=G./S1;S2=2*S1; %S_ALOH A 信道利用率figure(1)semilogx(G,S1)gtext('S1')pausehold onsemilogx(G,S2)gtext('S2')pausexlabel('输入业务量G ')ylabel('吞吐量 S')figure(2)plot(S1,N)gtext('经典 ALOHA')gridhold onplot(S2,N)gtext('SLOTALOHA')xlabel('频带利用率p')ylabel('一个数据分组平均需发次数N')由图可见：时隙 ALOHA 的最大信道利用率比纯 ALOHA 的高一倍，原因在于 时隙 ALOHA 发送分组只在每时间间隔的始端发送，从而与纯 ALOHA 相比减小了分 组间碰撞的概率。

另一方面，当二者信道利用率到达最高值后，随着输入量的继续增 大，信道利用率减小，随之平均每个分组成功发送的次数也增大，说明碰撞概率增大 由此得进一步改进的具有侦听功能的 CSMA （载波侦听）和侦听加检测功能的 CSMA/CD 系统，它的信道利用率更高以下是各种协议下系统性能的曲线图，包括 非持续型时隙和非时隙CSMA,持续型时隙和非时隙CSMA，以及非持续型时隙和非 时隙CSMA/CD，持续型时隙和非时隙CSMA/CD其中有关的理论分析以非持续型 CSMA系统为典型例子，其它系统分析方法类似［持续型CSMA系统的吞吐量分析］：令U代表平均无碰撞的信道使用周期，I和 B分别代表空闲时间和信道忙时间的平均长度，则S=U/ （I+B）U=T・Ps （T分组持续时间，Ps某分组成功发送的概率，即端对端传输时间T内无分组发送的概率）所以 Ps=e-GT /t ， U=T • e-Gt /I ——平均空闲时间定义为忙时间的末端起到下一个分组到达网内的时间止的 一段时间取忙时间的末端为参考时间，则平均空闲时间等于平均到达分组间隔的时 间，也即平均到达率的倒数，其表达式为 I=T/GB——平均信道忙时间B=Y+T+t , Y表示另一分组发送的时刻，由概率论分析得Y 的均值Ya=T - (T/G)・(l- e-GT /t)将上述各值带入 S=U/ (I+B)得：S=G e-aG/ (G (1+2a) + e-aG) (其中 a=T /T)[关系曲线的绘图程序如下]：%在非持续非时隙CSMA协议下流入信道业务量G与吞吐量S的关系曲线 echo onG=[0.01:0.1:100]; %流入信道业务量alpha1=0;alpha2=0.01;alpha3=0.05; alpha4=0.1;alpha5=0.6; alpha6=1;S1=(G.*exp(-alpha1*G))./(G.*(1+2*alpha1)+exp(-alpha1*G))S2=(G.*exp(-alpha2*G))./(G.*(1+2*alpha2)+exp(-alpha2*G))S3=(G.*exp(-alpha3*G))./(G.*(1+2*alpha3)+exp(-alpha3*G))S4=(G.*exp(-alpha4*G))./(G.*(1+2*alpha4)+exp(-alpha4*G))S5=(G.*exp(-alpha5*G))./(G.*(1+2*alpha5)+exp(-alpha5*G))S6=(G.*exp(-alpha6*G))./(G.*(1+2*alpha6)+exp(-alpha6*G)) semilogx(G,S1) gtext('alpha=0')xlabel('流入信道业务量G') ylabel('吞吐量 S')title('在非持续CSMA协议下流入信道业务量G与吞吐量S的关系') hold onsemilogx(G,S2)gtext ( ' alpha=0.01 ' ) semilogx(G,S3)gtext ( ' alpha=0.05 ' ) semilogx(G,S4) gtext('alpha=0.1') semilogx(G,S5) gtext('alpha=0.6') semilogx(G,S6) gtext('alpha=1')010-2 10-1 100 101 102A-EeDA^Ad^inAiG这里信道吞吐量和信道利用率等效。

由图可见，当a趋近于0时，信道利用率可达 到99%以上这是纯ALOHA和时隙ALOHA无法达到的［其它协议下系统性能曲线图］：010-2 10-1 100 101 102A-EeDA^AO^InAiG1_坚持非时隙 CMSA0.76 5 4 3 2 1000000A-EeDA^AO^inAiG非持续时隙型 CSMA0.6010-2 10-1 100 101 102A^EeDApAdpTnA/G1—持续型时隙 CSMA10.90.80.70.60.50.40.30.20.10■C3OD0-CE±TflDICSMA/CDIIlAA/S6eDApAEaEedpTnA/Gpi OlpCulB10-2 10-1 100 101 102 103A^EeDApAdpTnA/G非持续非时隙型 CSMA/CD0.1010-2 10-1 100 101 102 103A^EeDApAdpTnA/G■9-8-7-6-54-3-20.7OUpwapcsMADQelAA丰©dA.u入0鹵A/GOoMAA/Su1.0印非持续时隙型 CSMA/CDA-EeDApAOplnAiG—持1 续型时隙 CSMA/CD有关以上绘图的几点说明：1.各协议下系统性能的关系式用MATLAB语句描述分别为：1—坚持非时隙CMSA:S1=(G.*(1+G+alpha1*G.*(1+G+0.5*alpha1.*G)).*exp(-G*(1+2*alp ha1)))./(G.*(1+2*alpha1)-(1-exp(-alpha1*G))+(1+alpha1*G).*e xp(-G*(1+alpha1)));非持续时隙型CSMA：S1=(alpha1.*G.*exp(-alpha1.*G))./(1-exp(-alpha1.*G)+alpha1);1 一持续型时隙CSMA：S1=(G.*exp(-G.*(1+alpha1)).*(1+alpha1-exp(-alpha1.*G)))./((1+ alpha1).*(1-exp(-alpha1.*G))+alpha1.*exp(-G.*(1+alpha1)));非持续非时隙型CSMA/CD:S=(G.*exp(-alpha*G))./(G.*exp(-alpha*G)+garma*alpha*G.*(1-exp (-alpha*G))+2*alpha*G.*(1-exp(-alpha*G))+(2-exp(-alpha*G))); 非持续时隙型CSMA/CD:S=(g.*exp(-g))./(g.*exp(-g)+alpha*garma*(1-exp(-g)-g.*exp(-g) )+alpha*(2-exp(-g)-g.*exp(-g)));1 一持续型时隙CSMA/CD:W=(L+1)*g.*exp((-garma+2)*g).*(garma+2-(garma+1)*exp(-g))+(ga rma+2)*(1-(L+1)*g.*exp(-(L+1)*g)-exp(-g)+L*g.*exp(-(L+2)*g))+ exp(-(garma+2)*g)-(L-garma-1)*g.*exp(-(L-garma-1)*g);S=L*g.*exp(-(garma+2)*g).*(garma+2-(garma+1)*exp(-g))/W;2.载波侦听CSMA四种工作方式的性能比较图:0.1io-110°101AM S9 8 7 60 0 0 05 4 3 a a a20010210-2A-EeDA^AO^IhAiG曲线表明:当业务量较小时，持续型协议给出的吞吐量最佳，而当负载较大时 非持续型协议的效果较好。

与上图比较可知，载波侦听加检测协议下工作的系统性能较好这是由于边发 边检测的功能减小了分组间的碰撞时间载波侦听加碰撞检测CSMA/CD三种工作方式的性能比较图:二（传输时延）1纯ALOHA系统应为一个分组平均发送成功的次数是N=e（2G）,所以它发送成功的平均。