Trong giao thức truy cập ngẫu nhiên, một nút truyền luôn truyền ở tốc độ đầy đủ của kênh, cụ thể là R bps. Khi có xung đột, mỗi nút liên quan đến xung đột liên tục truyền lại khung của nó (tức là gói) cho đến khi khung của nó vượt qua mà khơng có xung đột. Nhưng khi một nút gặp va chạm, nó khơng nhất thiết phải truyền lại khung ngay lập tức. Thay vào đó, nó đợi một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên trước khi truyền lại khung hình. Mỗi nút tham gia vào một vụ va chạm chọn các độ trễ ngẫu nhiên độc lập. Bởi vì độ trễ ngẫu nhiên được chọn độc lập, có thể một trong các nút sẽ chọn độ trễ đủ nhỏ hơn độ trễ của các nút xung đột khác và do đó sẽ có thể đưa khung của nó vào kênh mà khơng có va chạm.
Slotted ALOHA:
*Trong Slotted ALOHA (ALOHA có rãnh), chúng ta giả định như sau:
• Tất cả các khung bao gồm chính xác L bit.
• Thời gian được chia thành các khe có kích thước L / R giây (nghĩa là một khe tương đương với thời gian truyền một khung hình).
• Các nút chỉ bắt đầu truyền các khung ở đầu các khe.
• Các nút được đồng bộ hóa để mỗi nút biết khi nào các khe bắt đầu.
• Nếu hai hoặc nhiều khung xung đột trong một khe, thì tất cả các nút sẽ phát hiện sự kiện xung đột trước khi khe kết thúc.
*Gọi p là xác suất, 0 < p < 1. Hoạt động của Slotted ALOHA trong mỗi nút rất đơn giản:
• Khi nút có một khung mới để gửi, nó sẽ đợi cho đến đầu của rãnh tiếp theo và truyền tồn bộ khung trong rãnh.
• Nếu khơng có xung đột, nút đã truyền thành cơng khung của nó và do đó khơng cần xem xét việc truyền lại khung. (Nút có thể chuẩn bị một khung mới để truyền, nếu
nó có
một khung.)
• Nếu có xung đột , nút phát hiện xung đột trước khi kết thúc khe. Nút truyền lại khung của nó trong mỗi khe tiếp theo với xác suất p cho đến khi khung được truyền mà
khơng có
xung đột.
Slotted ALOHA sẽ có nhiều lợi thế. Không giống như phân vùng kênh, Slotted ALOHA cho phép một nút truyền liên tục ở tốc độ đầy đủ, khi nút đó là nút hoạt động duy nhất. (Một nút được cho là đang hoạt động nếu nó có khung để gửi.). Slotted ALOHA cũng được phân cấp cao, bởi vì mỗi nút phát hiện xung đột và quyết định độc lập khi nào sẽ truyền lại. (Tuy nhiên, Slotted ALOHA yêu cầu các khe cắm phải được đồng bộ hóa trong các nút). Slotted ALOHA cũng là một cực kỳ giao thức đơn giản. Slotted ALOHA hoạt động tốt khi chỉ có một nút hoạt động, nhưng nó hiệu quả như thế nào khi có nhiều nút hoạt động? Node 1 1 1 1 1 Node 2 2 2 2 Node 3 ra ra ra ỉ”c”ỉ* E r c”‘ ” s” E í c I E s ì’* s’T Time Key: c = Collision Slot E = Empty slot s = Successíul Slot Hình 2.10: Sự va chạm của các nút
Đầu tiên, như thể hiện trong Hình 2.10, khi có nhiều nút đang hoạt động, một phần nhất định của các khe sẽ có xung đột và do đó sẽ bị “lãng phí”. Mối quan tâm thứ hai là một phần khác của các vị trí sẽ trống vì tất cả các nút đang hoạt động không truyền do kết quả của việc truyền theo xác suất. Một vị trí trong đó chính xác một nút truyền được cho là một vị trí thành cơng. Hiệu quả của giao thức đa truy cập có rãnh được định nghĩa làphần dài hạn của các vùng thành cơng trong trường hợp có một số lượng lớn các nút đang hoạt động, mỗi nút ln có một số lượng lớn các khung để gửi.
Giả sử có N nút. Khi đó xác suất để một khe đã cho là một khe thành công là xác suất để một trong các nút truyền và N - 1 nút cịn lại khơng truyền. Xác suất mà một nút đã cho truyền là p; xác suất để các nút cịn lại khơng truyền là (1 - pXw-1., Dọ đó, xác suất một nút đã chỌ thành công là p (1 - p)N -1. Bởi Vì có N nút, xác suất để bất kỳ một trọng N nút thành công là Np(1 - p)N-1.
Dọ đó, khi có N nút hoạt động, hiệu suất của ALOHA có rãnh là N.p (1 - p)N-1. Và
để đạt được hiệu quả tối đa chọ một số lượng lớn các nút đang hoạt động, chúng ta lấy giới hạn Np*(1 - p :;)^ 1khi N tiến tới vô cùng (p * cực đại).
Sau khi thực hiện các phép tính này, chúng ta sẽ thấy rằng hiệu suất tối đa của giao thức được cho bởi 1 / e = 0,37.
Có nghĩa là, khi một số lượng lớn các nút có nhiều khung để truyền, thì chỉ có 37phần trăm các vị trí thực hiện cơng việc hữu ích.
Như vậy, tốc độ truyền dẫn hiệu quả của kênh không phải là R bps mà chỉ là 0,37 R bps!
ALOHA
Trong ALOHA thuần túy, khi một khung đến lần đầu tiên (tức là một sơ đồ lớp mạng được truyền xuống từ lớp mạng tại nút gửi), nút ngay lập tức truyền tồn bộ khung đó vào kênh quảng bá. Nếu một khung được truyền gặp va chạm với một hoặc nhiều quá trình truyền khác, nút sẽ ngay lập tức (sau khi truyền hoàn tồn khung bị va chạm của nó) truyền lại khung với xác suất p. Nếu không, nút sẽ đợi thời gian truyền khung. Sau khoảng thời gian chờ này, nó sẽ truyền khung với xác suất p, hoặc đợi (không hoạt động) cho một khung thời gian khác với xác suất 1 - p.
Node i írame Will overlap with start of ý's frame Will overlap with end of /■'s írame
Tại bất kỳ thời điểm nào, xác suất một nút đang truyền một khung là p. Giả sử khung này bắt đầu truyền tại thời điểm t0. Như trong Hình 2.11, để khung này được truyền thành cơng, khơng có nút nào khác có thể bắt đầu q trình truyền của chúng trong khoảng thời gian [Ế0 - 1 , Í0]. Q trình truyền như vậy sẽ trùng lặp với thời điểm bắt đầu truyền khung của nút i. Khả năng xác suất mà tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong khoảng thời gian này là (1 - p}N-1.
Tương tự, khơng có nút nào khác có thể bắt đầu truyền trong khi nút i đang truyền, vì quá trình truyền như vậy sẽ chồng chéo với phần sau của quá trình truyền của nút i. Xác suất mà tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong khoảng thời gian này cũng là
(1 -p)^ 1 Do đó, xác suất mà một nút đã cho có một lần truyền thành công là
p (1 - p)2(N-1) .
Bằng cách lấy các giới hạn như trong trường hợp Slotted ALOHA, chúng ta thấy rằng hiệu suất tối đa của giao thức ALOHA thuần túy chỉ bằng 1 / (2e) —chính xác một nửa so với Slotted ALOHA.
CSMA:
Trong thế giới mạng:
> Cảm biến sóng mang - một nút lắng nghe kênh trước khi truyền. Nếu một khung từ một nút khác hiện đang được truyền vào kênh, một nút sau đó sẽ đợi cho đến khi nó phát hiện khơng có đường truyền nào trong một khoảng thời gian ngắn và sau đó bắt đầu truyền.
> Phát hiện xung đột — một nút truyền sẽ lắng nghe kênh trong khi nó đang truyền. Nếu nó phát hiện thấy một nút khác đang truyền một khung giao thoa, nó sẽ ngừng truyền và đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi lặp lại chu kỳ cảm nhận và truyền khi không hoạt động.
□ Hai quy tắc này được thể hiện trong họ giao thức CSMA (carrier sense multiple access) và CSMA/CD (CSMA with collision detection).
Hình 2.12 cho thấy một biểu đồ khơng-thời gian của bốn nút (A, B, C, D) được gắn vào một bus quảng bá tuyến tính. Trục hồnh thể hiện vị trí của mỗi nút trong khơng gian; trục tung thể hiện thời gian.
hiện
đang truyền. Do đó, nút B bắt đầu truyền, với các bit của nó truyền theo cả hai hướng dọc theo phương tiện phát sóng. Sự lan truyền đi xuống của các bit B trong Hình 2.12 với thời gian tăng dần cho thấy rằng cần một khoảng thời gian khác không để các bit B thực sự lan truyền (mặc dù ở gần tốc độ ánh sáng) dọc theo phương tiện phát sóng. Tại thời điểm t1 (t1
> t0), nút D có khung gửi. Mặc dù nút B hiện đang truyền tin tại thời điểm t1, các bit được B truyền vẫn chưa đến được D, và do đó D cảm nhận được kênh khơng hoạt động tại t1. Theo giao thức CSMA, D do đó bắt đầu truyền khung của nó. Một thời gian ngắn sau, đường truyền của B bắt đầu cản trở đường truyền của D tại D. Từ Hình 2.12, ta thấy rằng
độ trễ lan truyền kênh đầu cuối của một kênh quảng bá là thời gian để tín hiệu truyền từ một trong các các nút khác — sẽ đóng một vai trị quan trọng trong việc xác định hiệu suấtcủa nó. Độ trễ lan truyền này càng dài thì khả năng nút cảm nhận sóng mang vẫn
chưa thể
cảm nhận được quá trình truyền đã bắt đầu ở một nút khác trong mạng càng lớn.
CSMA / CD:
Trong hình 2.12, các nút không thực hiện phát hiện xung đột; cả B và D tiếp tục truyền
toàn bộ khung của chúng mặc dù đã xảy ra xung đột. Khi một nút thực hiện phát hiện xung đột, nó sẽ ngừng truyền ngay khi phát hiện ra xung đột.
hai nút mỗi nút ngừng truyền một thời gian ngắn sau khi phát hiện xung đột. Rõ ràng, việc thêm tính năng phát hiện xung đột vào giao thức đa truy cập sẽ giúp giao thức hoạt động tốt hơn bằng cách khơng truyền tồn bộ khung bị hỏng (do can thiệp với khung từ nút khác).
Hoạt động CSMA/CD:
1. Bộ điều hợp lấy một sơ đồ từ lớp mạng, chuẩn bị khung lớp liên kết và đặt bộ đệm bộ điều hợp khung.
2. Nếu bộ điều hợp nhận thấy rằng kênh khơng hoạt động (nghĩa là khơng có năng
lượng tín hiệu đi vào bộ điều hợp từ kênh), nó bắt đầu truyền khung. Mặt khác, nếu
bộ điều
hợp nhận thấy rằng kênh đang bận, nó sẽ đợi cho đến khi khơng cảm nhận được
năng lượng
các bộ điều hợp khác bằng kênh quảng bá.
4. Nếu bộ điều hợp truyền tồn bộ khung hình mà khơng phát hiện năng lượng tín
hiệu
từ các bộ điều hợp khác, bộ điều hợp đã kết thúc với khung. Mặt khác, nếu bộ điều hợp
phát hiện năng lượng tín hiệu từ các bộ điều hợp khác trong khi truyền, nó sẽ hủy truyền
(nghĩa là nó ngừng truyền khung của nó).
5. Sau khi hủy bỏ, bộ điều hợp đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên và sau đó quay
lại bước 2.
Chúng ta cũng lưu ý rằng mỗi khi một nút chuẩn bị một khung mới để truyền, nó sẽ chạy thuật tốn CSMA / CD, khơng tính đến bất kỳ xung đột nào có thể đã xảy ra trong q
khứ gần đây. Vì vậy, có thể một nút với một khung mới sẽ ngay lập tức có thể lén lút truyền
thành cơng trong khi một số nút khác đang ở trạng thái lùi theo cấp số nhân.
Hiệu suất CSMA / CD:
Khi chỉ có một nút có khung để gửi, nút có thể truyền ở tốc độ kênh đầy đủ (ví dụ: đối với tốc độ thơng thường của Ethernet là 10 Mbps, 100 Mbps hoặc 1 Gbps). Tuy nhiên, nếu nhiều nút có khung để truyền, tốc độ truyền của kênh có thể ít hơn nhiều.
Định nghĩa hiệu suất của CSMA / CD: là phần thời gian dài hạn trong đó các khung đang được truyền trên kênh mà khơng có xung đột khi có một số lượng lớn các nút đang hoạt động, với mỗi nút có một số lượng lớn các khung để gửi.
Đặt dprop biểu thị thời gian tối đa cần năng lượng tín hiệu để truyền giữa hai bộ điều hợp bất kỳ. Gọi dtrans là thời gian để truyền một khung kích thước tối đa (khoảng 1,2 msec đối với Ethernet 10 Mbps).
Ta có công thức:
Hiệu suất =---------1-------------
1+ 5dprOp/dt
rans
Từ công thức này, chúng ta thấy rằng:
• Khi dprop tiến tới 0, thì hiệu suất tiến tới 1.
• Nếu độ trễ lan truyền bằng 0, các nút xung đột sẽ ngừng hoạt động ngay lập
kênh sẽ hoạt động hiệu quả trong hầu hết thời gian.