1. 简介
在多节点共享通信信道的网络环境中，随机访问协议（Random Access Protocols）是一种非常基础且重要的通信机制。它允许网络中的各个节点在不需事先授权或轮询的情况下，自主决定是否发送数据。
本文将聚焦于最早期的随机访问协议之一：纯ALOHA协议（Pure ALOHA）。我们将从整体的随机访问协议入手，逐步深入讲解Pure ALOHA的工作机制、吞吐量模型及其优缺点。
2. 随机访问协议概述
随机访问协议的核心思想是：多个节点共享一个通信信道，并通过某种机制竞争使用该信道。它们并不按照固定顺序发送数据，而是根据自身需求随机发送，因此可能会发生数据冲突（collision）。
常见的随机访问协议包括：
- ALOHA
- CSMA/CD
- CSMA/CA
- TDMA
- FDMA
- 802.11
我们简要说明每个协议的核心机制。
2.1 ALOHA
ALOHA 是最早期的随机访问协议之一，诞生于上世纪70年代的夏威夷大学 ALOHAnet 网络中。它的核心规则非常简单：
✅ 节点可以随时发送数据
❌ 无冲突检测机制
✅ 若发送失败（检测到冲突），则等待一段随机时间后重传
ALOHA 有两个变种：
- Pure ALOHA：节点可随时发送，无时间同步
- Slotted ALOHA：将时间划分为“时隙”，只能在时隙开始时发送，从而降低冲突概率
2.2 CSMA/CD
CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）主要用于有线以太网。其核心机制是：
✅ 发送前先监听信道是否空闲
✅ 若空闲则发送数据
✅ 发送过程中持续监听，检测是否发生冲突
✅ 若冲突则发送“拥塞信号”并暂停发送，等待随机时间后重试
这种机制在局域网中非常有效，因为冲突容易检测。
2.3 CSMA/CA
CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）主要用于无线网络（如Wi-Fi）。由于无线信道中冲突难以检测，因此引入了“请求发送/允许发送”机制：
✅ RTS（Request to Send）
✅ CTS（Clear to Send）
✅ 数据传输
✅ ACK确认机制
这种机制通过预约信道来避免冲突，但增加了协议开销。
2.4 TDMA
TDMA（时分多址）将时间划分为多个“时隙”，每个用户在固定时隙内发送数据。优点是冲突几乎为零，适用于蜂窝网络和卫星通信。
2.5 FDMA
FDMA（频分多址）将频率带宽划分为多个子频段，每个用户在自己的频段上通信。也常用于无线通信系统中。
2.6 802.11
IEEE 802.11 是Wi-Fi的物理层和MAC层标准，其MAC机制主要基于 CSMA/CA，是现代无线局域网的基础。
3. 纯ALOHA协议详解
3.1 基本机制
纯ALOHA（Pure ALOHA）是一种非常早期、简单的随机访问协议。其核心思想是：
✅ 节点可以随时发送数据帧
❌ 无需检查信道状态
✅ 若发送失败（即发生冲突），则等待随机时间后重传
它没有同步机制，也没有冲突检测，因此效率较低，但其思想为后续协议提供了重要基础。
下图展示了纯ALOHA中数据帧的发送与冲突示意图：
3.2 协议流程
以下是纯ALOHA协议的典型工作流程：
- 节点监听信道，若信道空闲则发送数据帧
- 发送完成后等待一段随机时间
- 检测是否收到接收方的ACK确认
- 若收到ACK → 成功发送
- 若未收到ACK → 假设发生冲突
- 若冲突，等待随机时间后重传
- 重复步骤4直到成功或达到最大重试次数
3.3 吞吐量模型
纯ALOHA的吞吐量（Throughput）可以用如下公式表示：
$$ S = G e^{-2G} $$
其中：
- $ S $：吞吐量（即成功传输的数据量）
- $ G $：单位时间内的平均发送尝试次数
- $ e $：自然对数的底（约等于2.71828）
当 $ G = 0.5 $ 时，吞吐量达到最大值：
$$ S_{\text{max}} = 0.184 $$
这意味着，纯ALOHA协议的最大吞吐量仅为信道容量的约18.4%。
下图展示了吞吐量随 $ G $ 变化的趋势：
虽然这个效率很低，但它的提出为后续更高效的协议（如 Slotted ALOHA、CSMA 系列）奠定了基础。
4. 小结
纯ALOHA是一种早期的随机访问协议，虽然实现简单，但由于其无冲突检测机制和高冲突概率，导致其吞吐效率较低（最大仅18.4%）。
✅ 优点：实现简单，适合低负载场景
❌ 缺点：冲突频繁，效率低下
✅ 意义：为后续更高效协议（如 Slotted ALOHA、CSMA/CD）提供了理论基础
在实际应用中，纯ALOHA已基本被更高效的协议所取代，但理解它的机制对学习网络协议的发展脉络仍然具有重要意义。