分槽ALOHA协议仿真

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Aloha 分槽Aloha CSMA 仿真多路访问协议

Aloha：夏威夷人问候语，欢迎，再见。它还有另一层意思，是‘I love you’。当然这是根据语境来分析的，如果没有语境分析，我想它也不会存在那么多意思。表达'I love you'的时候，Aloha发音要延长点，a....lo...ha。大家可以试试。好了，还是回归正题吧。Aloha协议是什么？它可以解决什么样的问题？

Aloha协议是分配一个多路访问信道的协议，而要解决的问题当然也就是它的目的，怎么分配信道才能使网络带宽利用率更高，网络延迟更低。

Aloha协议有两种：纯Aloha协议和分槽Aloha协议。

纯Aloha协议：当用户有数据需要发送时就传输。显然，这种协议在单路信道上很容易发生冲突。当两个或多个用户需要发送数据时，冲突就发生了，然后他们都需要开始重传，直到没有冲突发生。这种协议的效率会如何呢？现在我们假定每个站产生的新帧可以模型化为一个平均每帧时产生N个帧的泊松分布。如果不期望发生冲突，就需要期望N不大于1。不然N大于1，肯定有多个站在一个帧时内同时发送，这就会导致冲突，然后信道效率也就会开始降低。

如图，我们可知道，如果在t0~t0+2t时间段内，除了阴影帧外还有其它帧产生的话就会发生冲突。即易受冲突的时间为2t。

在给定一个帧时内，我们期望有G帧，而每帧时期望生成k帧的概率服从泊松分布：

一帧时内生成0帧的概率为。两帧时内生成0帧的概率为。根据上面的图可知，如果两帧时内生成0帧，那么就可以成功传输一帧。从而可知信道利用率。可以计算出来，G=0.5时，信道利用率最高为S=1/2e=0.184。（求导可得解）

分槽Aloha协议：将时间划分为时间槽，每个站只能在时间槽开始的时候发送数据。这样，易受冲突时间就会从原来的2t变为t，传送成功率增长了一倍变为。相应的，信道利用率S也增长了一倍变为0.368。

概念性的问题差不多就这些了，对了，还差个仿真的概念。什么是仿真？仿真就是模拟实际，而实际当中的变化又无从可知，所以仿真就需要建立在一定事实基础上再进行随机化实验。总之就一句话，随机实验。

下面重点分析下Aloha分槽协议仿真。

实验环境：win8系统、eclipse开发环境、java语言编写

实验重点：模拟时间槽划分时间，判断每个时间槽有几个帧。时间槽可以用整数变量来操控，其它每个·站发送数据的时间也可以用整数代替。判断一个时间槽有几个帧，可以先对每个站发送数据的时间从小到大排序，然后再根据时间槽的范围，判断有几个站在这个时间槽发送数据。如果有两个或以上的站发送数据，那么相应站就再随机产生发送时间，记录此时有多少个帧；如果只有一个，那么就发送成功，成功发送帧数+1。如果为0帧，就继续下一个时间槽。重复以上步骤，直到成功发送数据到达预期的值。

源码：

Data.java

public class Data {
	
	public int time;
	
	public Data(int time){
		this.time = time;
	}
	
	public void set(int time){
		this.time = time;
	}
}

Aloha.java

import java.awt.Color;
import java.awt.FlowLayout;
import java.awt.Graphics;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import javax.swing.JFrame;

public class Aloha extends JFrame{
	//站点基数为1
	public static int base = 1;
	//站点总数
	public int MaxStation;
	//时间段需要设置比较长，不然每个时间槽的冲突的可能很大，也就无法仿真了
	public final int randTime = 1000;
	//successPost越大，越接近真实情况，曲线也越清晰
	private int successPost = 1000;
	//时间槽大小
	public final int time = 2;
	//帧的总数
	public int countPoint = 0;
	//站队列
	private List<Data> list;
	//画布
	private Graphics g;
	
	//设置最大发送站点数
	public void setNum(int num){
		this.MaxStation = num;
	}
	
	//仿真函数
	public void GetStatus() {
		Random r = new Random();
		int total = 0;
		int success = 0;
		list = new ArrayList<Data>();
		
		//随机产生站点发送数据时间
		for (int i = 0; i < MaxStation; i++) {
			Data d = new Data(r.nextInt(randTime)+1);
			list.add(d);
		}
		
		//发送时间排序
		Comparator<Data> comparator = new Comparator<Data>() {
			public int compare(Data d1, Data d2) {					
					return d1.time - d2.time;
			}			
		};		
		Collections.sort(list,comparator);
		
		int count = 0;			//记录经历过的时间周期
		while(true){			
			int temcount = 0;	//记录每个时间槽发送帧的次数
			for(int i = 0; i < MaxStation; i++){
				if(list.get(i).time >= count * time && list.get(i).time <= (count+1)*time){
					total += 1;
					temcount += 1;
				}else{
					break;
				}
			}
			count++;
			if(temcount == 0){	//没有帧
				//continue;
			}else if(temcount == 1){	//成功发送数据
				success += 1;
				list.get(0).set(r.nextInt(randTime)+1+count*time);
				if(success > successPost){
					break;
				}
			}else if(temcount > 1){		//冲突，在随机产生发送数据时间
				for(int j = 0; j < temcount; j++){
					list.get(j).set(r.nextInt(randTime)+1+count*time);
				}
			}
			Collections.sort(list,comparator);
		}
		drawPoint((int)((1.0 * total/count)* 70 + 100), (int)(400-(10.0 * success/count)*29));
//		System.out.println("每包时的尝试次数："+(1.0 * total/count));
//		System.out.println("吞吐量："+(1.0*success/count));			
	}

	public static void main(String[] args) {
		Aloha aloha = new Aloha();
		aloha.initUI();     //初始化UI
		int i = 0;
		while(true){
			i++;
			aloha.setNum(base*i);	//增加站点数
			aloha.GetStatus();
		}
	}
	
	public void paint(Graphics g){
		super.paint(g);
		draw(g);
	}
	//初始化界面
	public void draw(Graphics g){
		g.setColor(Color.RED);
		g.drawLine(100, 400, 500, 400);
		g.drawLine(100,100,100,400);
		g.drawString("0", 90, 405);
		
		for(int i = 1; i <= 5; i++){
			g.drawString("|", 100+70*i, 398);
			g.drawString(i+"", 100+70*i, 413);
		}
		g.drawString("G(每包时尝试次数)", 260,430);
		
		
		for(int i = 1; i <= 10; i++){
			g.drawString("-", 100 , 400-29*i);
			if(i != 10){
				g.drawString("0."+i, 80 , 400-29*i);
			}else{
				g.drawString(i/10+".0", 80 , 400-29*i);
			}
		}		
		int Stringx = 60;
		int Stringy = 180;
		g.drawString("每", Stringx, Stringy);
		g.drawString("包", Stringx, Stringy+14);
		g.drawString("时", Stringx, Stringy + 14*2);
		g.drawString("的", Stringx, Stringy + 14*3);
		g.drawString("吞", Stringx, Stringy + 14*4);
		g.drawString("吐", Stringx, Stringy + 14*5);
		g.drawString("量", Stringx, Stringy + 14*6);
		g.drawString("S", Stringx, Stringy + 14*7+10);
		g.setColor(Color.BLACK);
	}
	
	//话点
	public void drawPoint(int x,int y){
		g.drawLine(x, y, x, y);
	}
	
	//初始化界面参数
	public void initUI(){
		FlowLayout f1 = new FlowLayout();
		this.setTitle("Aloha协议");
		this.setLayout(f1);
		this.setSize(640,480);
		this.setResizable(false);
		this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
		this.setVisible(true);
		this.g = this.getGraphics();
	}
}

效果截图：