在一個(gè)使用廣播信道的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)存在多方競(jìng)爭(zhēng)使用信道時(shí)，難免會(huì)引起多個(gè)用戶在同一信道上產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，這樣就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀被破壞，從而使網(wǎng)絡(luò)的性能也隨之減弱。因此，選擇一個(gè)完善有效的多路訪問協(xié)議來解決網(wǎng)絡(luò)信道沖突的問題是十分必要的。

　　目前，關(guān)于分配一個(gè)多路訪問信道的協(xié)議有很多，比較有代表性的協(xié)議有：Aloha協(xié)議、載波檢測(cè)多路訪問協(xié)議(CSMA)、無沖突的協(xié)議、以及波分多路訪問協(xié)議(WDMA)。本文主要介紹了Aloha協(xié)議和CSMA協(xié)議。

　　為了反映和預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)成為對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和規(guī)劃不可缺少的工具。網(wǎng)絡(luò)仿真是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造虛擬的環(huán)境來反映現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過數(shù)學(xué)方法來模擬現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)行為，從而可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，并降低網(wǎng)絡(luò)投資風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的投資浪費(fèi)。

　　本文利用OPNET仿真軟件來模擬分別使用純Aloha和1-持續(xù)的CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，這樣有助于仿真和比較不同多路訪問協(xié)議的性能。仿真時(shí)以信道吞吐量作為網(wǎng)絡(luò)中評(píng)價(jià)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能的典型參數(shù)。

1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真器

1.1 OPNET主要特性

　　OPNET Modeler作為一種主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，為通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的建模提供了全面的模擬仿真開發(fā)環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件上，它具有豐富的技術(shù)、協(xié)議、設(shè)備模型庫和適合各個(gè)層次的建模工具以及靈活強(qiáng)大的仿真分析工具。OPNET Modeler是一個(gè)大型軟件包，支持各種網(wǎng)絡(luò)建模和仿真，具有以下一些主要特性：(1)層次化的網(wǎng)絡(luò)模型；(2)簡(jiǎn)單明了的建模方法；(3)有限狀態(tài)機(jī)；(4)對(duì)協(xié)議編程的全面支持；(5)系統(tǒng)的完全開放性；(6)高效的仿真引擎；(7)集成的分析工具；(8)動(dòng)畫，Modeler可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動(dòng)畫，使得仿真平臺(tái)具有很好的演示效果；(9)集成的調(diào)試器，OPNET本身有自己集成的調(diào)試工具——OPNET Debugger(ODB)。

1.2 OPNET層次建模

　　OPNET中的建模工作在3種不同的環(huán)境中完成，提供了3層建模機(jī)制。層為進(jìn)程模型，　　由狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；上層為網(wǎng)絡(luò)模型。3層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件應(yīng)用

2.1 問題提出

　　在多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)用戶之間分配單個(gè)廣播信道的傳統(tǒng)做法是利用靜態(tài)信道分配方法，如頻分多路復(fù)用(FDM)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。但是使用這些方法普遍存在的基本問題在于：當(dāng)某些用戶停止通信時(shí)，他們所分配到的帶寬實(shí)際上就浪費(fèi)了，即當(dāng)他們自己不使用這些帶寬時(shí)，其他的用戶也不允許使用。而且大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流量往往是突發(fā)性的。因此，大多數(shù)數(shù)據(jù)信道在大多數(shù)時(shí)間是空閑的。由于傳統(tǒng)的靜態(tài)信道分配方法不能適應(yīng)突發(fā)性流量，所以提出了多種動(dòng)態(tài)信道分配方法，例如：Aloha協(xié)議、CSMA協(xié)議、無沖突協(xié)議和WDMA協(xié)議等。下面將介紹利用OPNET仿真純Aloha協(xié)議和1-持續(xù)的CS-MA協(xié)議。

　　仿真的內(nèi)容是：利用OPNET對(duì)Aloha和CSMA這2種信道訪問協(xié)議建模。通過在總線型信道上建立純Aloha的隨機(jī)信道訪問模型和1-持續(xù)的CSMA模型，來分析CS-MA協(xié)議的共享信道訪問機(jī)制，并對(duì)這2個(gè)模型進(jìn)行比較。

2.2 算法基本思想

(1) 純Aloha協(xié)議的基本思想

　　當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可以直接發(fā)至信道；然后監(jiān)聽信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間重發(fā)。

(2) 1-持續(xù)的CSMA協(xié)議的基本思想

　　該協(xié)議是在Aloha隨機(jī)信道訪問的基礎(chǔ)上增加了載波監(jiān)聽的功能。當(dāng)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后完成發(fā)送；若產(chǎn)生沖突，該站等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后重新開始發(fā)送過程。在本協(xié)議中，當(dāng)一個(gè)站發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，它傳輸數(shù)據(jù)成功的概率為1。

2.3 仿真操作步驟與仿真結(jié)果

2.3.1 建立網(wǎng)絡(luò)模型

(1) 純Aloha協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型

　　建立如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)模型，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型包括30個(gè)發(fā)信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型，用來發(fā)送數(shù)據(jù)包；包含1個(gè)收信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型，用來接收數(shù)據(jù)包和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。圖1中node-0，node_1，…，node_29為發(fā)信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型；node_30為收信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型。其中，鏈路模型支持總線鏈路和總線分接鏈路，不支持點(diǎn)到點(diǎn)雙工鏈路和點(diǎn)到點(diǎn)單工鏈路，如圖2所示。

　　Aloha發(fā)信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示，右擊統(tǒng)計(jì)線打開其屬性窗口，設(shè)置rising edge trigger和falling edge trig-ger都為disable。發(fā)信機(jī)的數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)程從信源采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。數(shù)據(jù)處理機(jī)tx_proc進(jìn)程模塊如圖4所示，當(dāng)非強(qiáng)制狀態(tài)idle收到事件PKT_ARVL后，就將其狀態(tài)轉(zhuǎn)移到tx_pkt。PKT_ARVL使用宏的形式定義，在HB頭塊中編寫如下代碼：

　　以上代碼中，IN_STRM和OUT_STRM代表發(fā)包和收包的流索引，接著定義了宏P(guān)KT_ARVL，當(dāng)進(jìn)程收到的中斷類型是流中斷時(shí)，觸發(fā)PKT__ARVL事件。使用extern關(guān)鍵字定義一個(gè)全局變量subm_pkts，代表發(fā)包數(shù)量的全局統(tǒng)計(jì)。

(2) 1-持續(xù)的CSMA的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型

　　在Aloha協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，可以利用OPNET復(fù)制一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)模型(見圖1)，通過改進(jìn)其中的發(fā)信機(jī)節(jié)點(diǎn)模型作為分析CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型。當(dāng)總線收信機(jī)的busy統(tǒng)計(jì)量從1.0(信道忙)變?yōu)?.0(信道空閑)時(shí)，該模塊將向數(shù)據(jù)處理機(jī)模塊發(fā)送一個(gè)下降沿統(tǒng)計(jì)中斷，即右擊統(tǒng)計(jì)線打開其屬性窗口，設(shè)置rising edge trigger為disable，falling edge trigger為enable。數(shù)據(jù)處理機(jī)tx_proc進(jìn)程模塊如圖5所示，其中添加了wt_free非強(qiáng)制狀態(tài)。在HB頭塊中修改代碼如下：

　　以上代碼的作用是，應(yīng)用核心函數(shù)op_stat_local_read(CH_BUSY_STAT)==0.0判斷信道是否空閑，如果空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)；否則進(jìn)入wt_free狀態(tài)，直到收到信道空閑的中斷。

　　純Aloha協(xié)議和1-持續(xù)的CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型都采用相同的收信機(jī)模型，如圖6所示。其中數(shù)據(jù)處理機(jī)rx_proc進(jìn)程模型的用途是進(jìn)行數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)和記錄統(tǒng)計(jì)信息。

2.3.2 仿真結(jié)果分析

　　純Aloha協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型和1-持續(xù)的CSMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型的仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

　　通過仿真可以觀察協(xié)議性能隨信道模型的變化情況，信道性能可以通過成功接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量隨發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量變化的函數(shù)來度量。從仿真結(jié)果可知：利用純AIo-ha協(xié)議時(shí)，在信道流量較低時(shí)，信道吞吐量也較低，數(shù)據(jù)包沖突少；隨著信道流量增加，吞吐量逐漸增加，并在信道流量G=0.5時(shí)，吞吐量值約為0.18。對(duì)于這種在任何情況下，多方都可以隨意發(fā)送數(shù)據(jù)的方式不是很理想。

　　利用1-持續(xù)的CSMA協(xié)議時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著信道流量的增加，吞吐量也逐漸增加，并在信道流量G=1.0時(shí)出現(xiàn)的值約為0.5。顯然，利用它比純Aloha協(xié)議有更好的性能。

　　為了更好地比較2種信道訪問協(xié)議性能，還可以利用OPNET給出2種協(xié)議在一個(gè)圖形上的仿真分析結(jié)果，如圖9所示。由圖9可以看出，在任意信道流量復(fù)合下，CS-MA協(xié)議比Aloha協(xié)議具有優(yōu)良的性能。

3 結(jié)束語

　　本文利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)純Aloha協(xié)議和1-持續(xù)的CSMA協(xié)議的性能進(jìn)行詳細(xì)的分析與對(duì)比。直觀來看，純Aloha協(xié)議的性能不夠理想，改進(jìn)的1-持續(xù)的CSMA協(xié)議雖然比純Aloha協(xié)議具有更好的性能，但是要想發(fā)送數(shù)據(jù)達(dá)到100％的成功率，需要對(duì)其他動(dòng)態(tài)信道分配協(xié)議進(jìn)一步研究。以后將在CSMA模型的基礎(chǔ)上研究CSMA／CD協(xié)議的性能，使之能夠更加有效地提高網(wǎng)絡(luò)的性能。