無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下CSMA協(xié)議性能特征分析

王 雪

（大慶油田信息技術(shù)公司有線電視分公司，黑龍江大慶 163000）

在目前的信息技術(shù)發(fā)展環(huán)境之下，無(wú)線通信已經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活過(guò)程中不能忽視重要支持力量。從技術(shù)發(fā)展的角度看，人們對(duì)于無(wú)線通信的需求甚至于超過(guò)了相關(guān)技術(shù)體系的供給，這種狀態(tài)一方面推動(dòng)著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，另一個(gè)方面也從客觀上要求對(duì)當(dāng)前既有的無(wú)線通信資源展開(kāi)更為合理的利用，切實(shí)提升整個(gè)無(wú)線通信環(huán)境中相關(guān)資源利用率。

1 CSMA協(xié)議相關(guān)概念與發(fā)展

從無(wú)線通信的工作基礎(chǔ)角度看，無(wú)線通信的傳輸媒介屬于廣播信道類(lèi)型，在這樣的傳輸框架中，每一個(gè)展開(kāi)無(wú)線信號(hào)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)展開(kāi)工作的時(shí)候，相鄰的覆蓋區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都能夠接收到該信號(hào)。在這樣的環(huán)境之下，如果在同一個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)，如果存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送無(wú)線信號(hào)，彼此之間就會(huì)產(chǎn)生疊加，從而在信號(hào)的接受節(jié)點(diǎn)上形成相互之間的干擾，影響節(jié)點(diǎn)無(wú)法展開(kāi)正常的信號(hào)接收，降低整個(gè)信息傳輸過(guò)程的工作質(zhì)量。這種狀況進(jìn)一步危害到對(duì)于通信資源的利用狀況問(wèn)題，信道使用方面的沖突以及無(wú)效的信號(hào)接收直接造成了資源的浪費(fèi)，因此就目前的情況看，如何能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)通信過(guò)程的優(yōu)化，以及對(duì)于無(wú)線通信利用率的優(yōu)化，成為了突出的需求之一。

在通信協(xié)議棧中，MAC層的職責(zé)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)于節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線信道的時(shí)機(jī)的控制，從根本上說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線信道資源使用權(quán)的分配，是分組在信道上發(fā)送和接收過(guò)程的直接控制角色。MAC層相關(guān)協(xié)議以及算法的合理設(shè)置，對(duì)于無(wú)線信道帶寬的有效利用有著直接價(jià)值，并且進(jìn)一步關(guān)系到整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和有效性。在這樣的背景之下，MAC層的協(xié)議需要在多個(gè)問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)有效的均衡，其中包括提升信道利用率、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的等待時(shí)間、避免節(jié)點(diǎn)之間的信道占用沖突等。

ALOHA是第一個(gè)面向無(wú)線傳輸服務(wù)的MAC層面協(xié)議，其運(yùn)行機(jī)制比較原始，采用了一種隨機(jī)的態(tài)度展開(kāi)接入控制。即在ALOHA協(xié)議的指導(dǎo)之下，當(dāng)通信環(huán)境中存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，立即就會(huì)展開(kāi)數(shù)據(jù)的發(fā)送動(dòng)作，如果這個(gè)時(shí)候通信環(huán)境中存在信道占用的沖突，則隨機(jī)等待一個(gè)時(shí)間之后再次展開(kāi)數(shù)據(jù)發(fā)送動(dòng)作。此種協(xié)議的工作方式在節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少的通信環(huán)境中較為適用，隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及實(shí)際工作環(huán)境中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，ALOHA協(xié)議工作方式的適用性越來(lái)越低。實(shí)際上，ALOHA即便是在面對(duì)固定長(zhǎng)度分組傳輸?shù)臅r(shí)候，其最大吞吐量也僅為信道容量的18.4%，嚴(yán)重阻礙了信道利用率的提升。

在這樣的情況之下，CSMA協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。其同ALOHA一樣均屬于競(jìng)爭(zhēng)性的MAC層協(xié)議，但是CSMA協(xié)議在展開(kāi)數(shù)據(jù)發(fā)送工作之前首先對(duì)通信環(huán)境展開(kāi)監(jiān)聽(tīng)，并且依據(jù)監(jiān)聽(tīng)結(jié)果來(lái)確定是否展開(kāi)數(shù)據(jù)發(fā)送，以及在信道繁忙的時(shí)候采取何種策略實(shí)現(xiàn)等待。對(duì)于CSMA協(xié)議而言，既然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于ALOHA協(xié)議的改進(jìn)，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮展開(kāi)對(duì)于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送分組頻率、分組大小等參數(shù)對(duì)CSMA協(xié)議性能的影響，以期能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于通信資源以及用戶(hù)體驗(yàn)的多角度優(yōu)化。

2 CSMA協(xié)議的工作特征

CSMA協(xié)議經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)完善的協(xié)議簇。依據(jù)CSMA協(xié)議簇中不同協(xié)議的工作特征，形成了對(duì)應(yīng)的信道利用特征和相應(yīng)的方式，并且可以依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CSMA協(xié)議加以分類(lèi)和辨識(shí)。常規(guī)來(lái)看，依據(jù)信道劃分方式不同，可以分為時(shí)隙CSMA協(xié)議與非時(shí)隙CSMA協(xié)議兩種，而對(duì)于非時(shí)隙CSMA協(xié)議而言，則可以進(jìn)一步可以依據(jù)其面對(duì)信道忙碌時(shí)所采取的處理方式以及態(tài)度，而分為堅(jiān)持CSMA協(xié)議和非堅(jiān)持CSMA協(xié)議。并且考慮到堅(jiān)持CSMA協(xié)議在實(shí)際工作中的表現(xiàn)相對(duì)而言更加利于通信資源的利用，因此對(duì)其展開(kāi)更深一步的研究，依據(jù)其在工作過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)所展開(kāi)不同的處理方式，分為1堅(jiān)持CSMA和p堅(jiān)持CSMA兩種，并且當(dāng)前以p堅(jiān)持CSMA成為廣泛使用的CSMA協(xié)議。

從工作職能實(shí)現(xiàn)的角度看，堅(jiān)持以及非堅(jiān)持的CSMA協(xié)議在工作過(guò)程中的主要區(qū)別依據(jù)，在于堅(jiān)持CSMA協(xié)議在監(jiān)聽(tīng)信道繁忙占用的時(shí)候仍然會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道，一直到確定信道空閑才會(huì)展開(kāi)對(duì)應(yīng)的下一步動(dòng)作；而非堅(jiān)持CSMA協(xié)議則在發(fā)現(xiàn)信道繁忙的時(shí)候，則等待隨機(jī)時(shí)間段之后重新監(jiān)聽(tīng)信道，等待過(guò)程中不在監(jiān)聽(tīng)。因此相比之下，堅(jiān)持CSMA協(xié)議會(huì)表現(xiàn)得更有效率。而在堅(jiān)持CSMA協(xié)議體系之下的兩種協(xié)議細(xì)分，1堅(jiān)持CSMA協(xié)議在于一旦發(fā)現(xiàn)信道空閑就立即展開(kāi)數(shù)據(jù)發(fā)送的工作；而p堅(jiān)持CSMA協(xié)議則是在監(jiān)聽(tīng)到信道空閑的時(shí)候，以概率p展開(kāi)數(shù)據(jù)發(fā)送工作。p堅(jiān)持的CSMA協(xié)議也可以不采用以發(fā)送概率控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，而是采用隨機(jī)退避的方法，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑的時(shí)候，在允許的取值區(qū)間內(nèi)選擇隨機(jī)事件長(zhǎng)度進(jìn)行退避，聽(tīng)楊能過(guò)實(shí)現(xiàn)避免沖突的效果。

p堅(jiān)持CSMA協(xié)議作為該協(xié)議簇中的重要成員，已經(jīng)在應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可，就目前的情況看，如何選擇最優(yōu)的概率p值，成為直接關(guān)系整個(gè)通信體系工作狀態(tài)和效率，以及用戶(hù)接入體驗(yàn)的重要關(guān)鍵所在。Echelon公司的LonTalk協(xié)議采用了可預(yù)測(cè)的p堅(jiān)持CSMA算法，實(shí)現(xiàn)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整p的取值，并且進(jìn)一步確定隨機(jī)延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。基于該協(xié)議一貫以來(lái)的良好表現(xiàn)，在p的動(dòng)態(tài)調(diào)整方面，諸多業(yè)內(nèi)人士都給出了自己獨(dú)特的建議，并且為p的調(diào)整和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的優(yōu)化做出了不同程度的貢獻(xiàn)，切實(shí)推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，以及CSMA協(xié)議的進(jìn)化。

就目前而言，比較典型的p取值算法，為在發(fā)生第i次沖突重傳是發(fā)送概率pi，并且pi隨i的取值而發(fā)生變化，通過(guò)此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于p的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。通常而言是構(gòu)造一個(gè)關(guān)于i的遞減函數(shù)，采用分時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法加以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

對(duì)于CSMA協(xié)議而言，其存在對(duì)于推動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的優(yōu)化都有積極價(jià)值，尤其是當(dāng)前的p堅(jiān)持CSMA協(xié)議更是成為發(fā)展的趨勢(shì)和整個(gè)行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。實(shí)際工作中，只有深入了解CSMA協(xié)議運(yùn)行機(jī)制，合理選擇相關(guān)算法與參數(shù)，才能切實(shí)打造適合需求環(huán)境的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

[1]Bruno R,Conti M,Gregori E.Optimal Capacity of p-Persistent CSMA Protocols[J].IEEE Communications Letters,2003,7(3):139-141.

[2]Cali F,Conti M,Gregori E.Dynamic Tuning of the IEEE 802.11Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit[J].IEEE/ACM Trans. on Networking,2000,8(6):785-799.