摘 要：信道接入协议的应用极其广泛，这不仅表现在局域网中，而且在以太网、无线网等网络中也体现得很充分。当今的网络信道接入协议主要有以下几种：ALOHA、P-ALOHA、CSMA、CSMA/CD和CSMA/CA等。本课题是基于ALOHA、CSMA和CSMA/CD协议的研究，利用OPNET软件的节点和进程模型构建网络模型，同时结合仿真结果，绘制了CSMA和CSMA/CD协议吞吐量特性图，并与ALOHA的吞吐量特性图进行比较，证明了在任意业务总负载的情况下，CSMA和CSMA/CD协议都表现出比ALOHA协议更加优越的性能，从而进一步证实了在保证吞吐量性能的前提下，通过网络参数的配置，使网络的性能达到最优化的可行性。

关键词：网络仿真 OPNET 信道接入协议 吞吐量

网络仿真是近年来兴起的一项专门技术。通信领域的各种网络系统，包括核心网、接入网、无线网络、卫星网络以及各种混合型网络等，都可以通过软件手段进行仿真，以辅助我们分析网络性能，进行网络规划和设计。网络仿真是通过数学建模和统计分析的方法^[1]模拟网络行为，从而获得特定网络的性能参数和统计报表。其目的是为网络规划提供可靠地定量依据，以进行科学的网络设计和网络建设，同时提高网络的利用率，降低投资风险。目前，OPENT Modeler作为一种主流网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模提供了全面的模拟仿真开发环境。

信道接人处于协议栈中软件的最底层。它控制网络节点接人信道,是报文在信道上发送和接收的直接控制者。因此信道接人协议对信道状态的感知是最快的,对网络的性能起着决定性的用。应用网络仿真技术可以比较出不同信道接人协议的性能特点,缩短新协议的开发周期。

OPNET是一种优秀的网络仿真和建模的工具^[2]，支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，更便于用户使用。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术，除了能够模拟固定通信模型外，OPNET 的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时，OPNET 在新网络的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现。它为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环境。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。

通信网络一般包括3个方面的模型：网络拓扑，节点内部结构和通信行为。OPNET基于面向对象软件技术将设计域分为网络域、节点域和进程域^[3]，分别完成上述3个方面模型。分别实现为网络模型、节点模型、进程模型。

网络域中完成网络拓扑和配置模型的设计。网络模型支持无限多重的子网模型。

节点域中完成网元节点结构和数据流模型的设计。

进程域完成网元节点模型中每个模块的进程模型的设计。进程模型通过Proto-C语言实现，它是一种基于有限状态机(FSM)的C语言。进程状态机不同状态执行不同的C描述的通信行为程序来实现。进程模型是通信协议功能模拟以及与仿真有关控制流行为的实现的具体位

置。如图1所示，给出了网络仿真的具体工作流程。

图1 网络仿真流程图

P-ALOHA的特点是，各站共享无线电广播信道，以竞争机制访问信道，这种竞争方式是“概率上公平的”。

P-ALOHA随机访问方法^[8]的工作过程如下：

    发送方：各站将信息包对载波解调，可随机以广播方式发往信道，信宿端在规定时间内发回确认应答包，表示传输成功。否则，认为发送失败，发送方重发。若多次重发不成功，则放弃发送，以后再发。

    接收方：随时监听信道上有无载波信号，若有信号，查看报头地址是否本节点的，若是，进行差错校验，若都正确即接收，并发回应答包。否则放弃接收。

    P-ALOHA方法的优点是：控制方式简单。

载波监听多路访问CSMA的技术，其基本思路是，各站发送前先探测信道忙闲，再决定是否发送，以确定是否有别的站点在传输数据，避免发送的盲目性，以减少冲突。

    为避免冲突CSMA还采用了一种减少碰撞的等待策略，即：如果信道空闲，发送站便可发送数据；若信道忙，发送站退避一随机时间后再监听信道。这样就错开了各站点发送数据的时间，进一步减小了站点同时发送数据产生冲突的可能性。

CSMA/CD^[4]方式是在CSMA方式的基础上再加入冲突检测过程，减少冲突期间对信道的占用，从而进一步提高信道利用率。

CSMA/CD的载波监听和坚持算法同CSMA方式，这样虽然降低了冲突的概率，但仍不能完全避免冲突。因为信号在传输过程中存在时间延迟，在不同地点检测到同一信号的出现或消失的时刻是不同的。因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的，只不过其他站发送的信号还未传送到此。这时若正在监听的站发送数据，必然和信道已有的信号发生冲突，造成传输失败。这也就是说，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，都存在着遭遇冲突碰撞的可能性。以太网的这一特点称为发送的不确定性。

为解决这一问题，CSMA/ CD又加入了冲突检测，即：在一个节点发送信号的同时也接受信道上的信号与自己所发信号比较。若一致，表明抢占信道成功，可以继续发送直至该帧结束。若不一致，说明有冲突发生，应立即停止发送。

   通用收信机的数据处理机进程模型的主要功能是进行数据包计数和记录统计信息。

（1）建立收信机的数据处理机进程模型^[5]，如图2所示。并设置各进程状态对象的属性。

图2 收信机进程模型的状态转移

(2)编写收信机进程模块的函数块（Function Block）。此处给出代码编辑器中部分代码：

/*This funtion gets the received packet,destroys*/

/*it,and logs the incremented received packet total*/

static void proc_pkt(void)

{

}

/*This funtion writes the end-of-simulation channel*/

/*traffic and channel throughput statistics to a*/

/*scalar file*/

static void record_stats(void)

{

double cur_time;

FIN(record_stats());

cur_time=op_sim_time();

/*Record final statistics*/

op_stat_scalar_write("Channel Traffic G",(double)subm_pkts/cur_time);

op_stat_scalar_write("Channel Throughput S",(double)rcvd_pkts/cur_time);

FOUT;

}

(3)编辑进程状态对象的代码

Aloha的信道性能可以通过成功接收到得数据量随发送数据包变化的函数来度量，即在本网络中，信道吞吐量是表征网络性能的典型参数。

    在仿真完成后，OPNET将在标量文件cct_a中记录每次仿真^[6]的结果。标量文件使用Analysis Configuration编辑器来分析查看。

图3 OPNET 在图一窗口中同时绘制两个仿真结果图形

从图3中可以看出，在信道流量较低的时候，信道吞吐量也较低，数据包冲突少；随着流量的增加，吞吐量逐渐增加，并在G=0.5左右出现峰值约为0.184。此后，随着冲突加剧，吞吐量反而不断下降。

计算机通信网络的相关理论分析^[7]指出，在纯Aloha系统中，信道吞吐量S是信道流量G的函数，并且有：

S=Ge^-2G    (1)

且S有极限：

 (2)

可见，实际仿真结果与理论分析是基本一致的。

CSMA协议在Aloha随机信道访问的基础上增加了载波监听的功能，从而显著提高了Aloha协议的性能。在CSMA协议中，源节点的发送数据包之前先监听信道，只有当信道空闲时才发送，否则采取一定的策略延迟发送数据包。

由图3我们可以得出一下结论：在任意信道流量复合下，CSMA协议都表现出比Aloha协议更加优越的性能。

CSMA协议是在Aloha随机信道访问的基础上增加了载波监听的功能，从而显著提高了Aloha协议的性能。在CSMA协议中，源节点的发送数据包之前先监听信道，只有当信道空闲时才发送，否则采取一定的策略延迟发送数据包。由仿真结果得知：在任意信道流量复合下，CSMA协议都表现出比Aloha协议更优越的性能。

吴志玲（1987-）女 硕士研究生，就读于中北大学，研究方向为动态测试与智能仪器。

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