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ALOHA 协议 ​

考情分析 ​

ALOHA 协议是随机访问协议的开创者，408 中主要以选择题形式考查纯 ALOHA 和时隙 ALOHA 的吞吐量公式、易受攻击时间的区别。偶尔会出计算题要求根据公式算最大吞吐量。

考频：★★☆

随机访问协议概述 ​

信道访问控制协议分为三大类：

类型思路代表协议
信道划分预先分配信道资源，无冲突FDM、TDM、CDM
随机访问不预分配，竞争使用，可能冲突ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA
轮询访问轮流使用信道，无冲突令牌传递

随机访问协议的核心思想：任何站点在有数据时都可以直接发送，如果发生冲突则通过某种机制解决。ALOHA 协议是最早、最简单的随机访问协议。

纯 ALOHA 协议 ​

工作原理 ​

纯 ALOHA 的规则极其简单：

  1. 想发就发：任何站点有数据要发送时，立即发送，不需要侦听信道
  2. 冲突检测：发送后等待接收方的确认（ACK）
  3. 超时重传：如果在规定时间内没收到 ACK，就认为发生了冲突，等待一个随机时间后重发

易受攻击时间 ​

"易受攻击时间"是指一个帧在发送过程中可能与其他帧发生冲突的时间窗口。

设帧的传输时间为 T0。某站在 t0 时刻开始发送一帧：

  • 任何其他站在 t0−T0 到 t0 之间开始发送的帧，其尾部会与当前帧的头部重叠
  • 任何其他站在 t0 到 t0+T0 之间开始发送的帧，其头部会与当前帧的尾部重叠

因此，纯 ALOHA 的易受攻击时间 = 2T0。

时间轴：
        |← T₀ →|← T₀ →|
        --------+-------+--------
     t₀-T₀     t₀    t₀+T₀
        |←  易受攻击时间  →|
        |     = 2T₀       |

吞吐量分析 ​

设 G 为单位帧传输时间内所有站尝试发送（包括新帧和重传帧）的平均帧数（即信道负载）。

一帧成功传输的条件：在 2T0 的易受攻击时间内没有其他帧发送。假设帧的到达服从泊松分布，则：

S=G⋅e−2G

其中 S 是吞吐量（单位时间内成功传输的帧数）。

对 S 关于 G 求导，令 S′=0，得到 G=0.5 时吞吐量最大：

Smax=0.5×e−1≈0.184

纯 ALOHA 的最大信道利用率约为 18.4%。

时隙 ALOHA 协议 ​

工作原理 ​

时隙 ALOHA 对纯 ALOHA 做了一个改进：将时间划分为等长的时隙（Slot），每个时隙刚好能传输一帧。站点只能在时隙的起始时刻发送帧。

这个简单的限制将冲突要么完全重叠、要么完全不重叠——不会出现部分重叠的情况。

易受攻击时间 ​

由于帧只能在时隙开始时发送，一个帧只会与同一时隙内的其他帧冲突。

易受攻击时间 = T0（只有当前时隙，不包括前一个时隙）。

吞吐量分析 ​

易受攻击时间减半，冲突概率降低：

S=G⋅e−G

G=1 时吞吐量最大：

Smax=1×e−1≈0.368

时隙 ALOHA 的最大信道利用率约为 36.8%，是纯 ALOHA 的两倍。

两种 ALOHA 协议对比 ​

对比项纯 ALOHA时隙 ALOHA
发送时机随时可发只能在时隙开始时发
时间是否分隙否是
易受攻击时间2T0T0
吞吐量公式S=Ge−2GS=Ge−G
最大吞吐量0.184（G=0.5）0.368（G=1）
需要时钟同步不需要需要
实现复杂度最简单稍复杂（需同步）

计算示例 ​

题目： 在一个使用时隙 ALOHA 协议的系统中，共有 100 个活跃站点，每个站点在每个时隙中发送帧的概率为 0.01。求信道吞吐量。

解答：

G（每个时隙的平均发送帧数）=100×0.01=1

S=G⋅e−G=1×e−1≈0.368

信道吞吐量约为 36.8%，恰好达到时隙 ALOHA 的最大吞吐量。

随机访问协议的演进 ​

ALOHA 协议虽然简单，但效率较低。后续的随机访问协议在 ALOHA 的基础上逐步改进：

核心改进思路：发送前先侦听信道（CSMA），从"想发就发"变为"先听后发"，大幅减少了冲突概率。

易错点 ​

1. 纯 ALOHA 的易受攻击时间是 2T0，不是 T0

因为纯 ALOHA 不分时隙，帧的发送时刻是随机的，前后各 T0 的范围内都可能产生冲突。时隙 ALOHA 才是 T0。

2. 最大吞吐量对应的 G 值不同

纯 ALOHA 在 G=0.5 时达到最大，时隙 ALOHA 在 G=1 时达到最大。不要搞混。

3. G 不是发送成功的帧数

G 是信道负载（包括新帧和重传帧的总尝试次数），S 才是成功传输的帧数。G 可以大于 1，但 S 的最大值远小于 1。

4. 时隙 ALOHA 需要全局时钟同步

这是它比纯 ALOHA 复杂的地方。所有站点必须知道时隙的边界，才能在正确的时刻发送。

高频考点清单 ​

  • 纯 ALOHA 和时隙 ALOHA 的工作原理区别
  • 易受攻击时间：纯 ALOHA 2T0，时隙 ALOHA T0
  • 吞吐量公式：S=Ge−2G vs S=Ge−G
  • 最大吞吐量：18.4% vs 36.8%，对应的 G 值
  • ALOHA → CSMA → CSMA/CD/CA 的演进关系

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真题练习 ​