基于CSMA协议的载波监听多路访问仿真分析系统

资 源 简 介

该项目是一个用于模拟和评估计算机网络中CSMA协议性能的MATLAB仿真工具。系统核心功能是建立一个多节点共享信道的通信模型，支持对非坚持CSMA、1-坚持CSMA以及p-坚持CSMA等多种变体协议进行建模仿真。通过模拟各节点在发送数据前的信道监听状态、数据冲突后的随机退避机制以及信号在物理介质上的传播延迟，该系统能够深入分析网络在不同通信负载下的运行表现。具体实现包括了离散事件驱动的仿真逻辑、基于泊松分布的数据包产生模型、以及处理信道冲突的二进制指数退避算法。该代码不仅可以帮助用户理解CSMA/CD或C

详 情 说 明

CSMA载波监听多路访问协议仿真分析系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的计算机网络协议仿真工具，专门用于模拟和评估载波监听多路访问（CSMA）协议及其多种变体的性能。系统通过构建离散事件驱动模型，模拟了多节点在共享信道环境下竞争通信的过程。该工具能够直观展示非坚持CSMA、1-坚持CSMA以及p-坚持CSMA在不同网络负载条件下的吞吐量、延迟和碰撞概率等核心指标，为理解MAC层协议机制和网络性能优化提供定量分析支持。

功能特性

1. 多协议支持：实现了非坚持（Non-persistent）、1-坚持（1-persistent）以及p-坚持（p-persistent）三种典型的CSMA调度策略。
2. 动态负载模拟：支持通过调整数据包到达率（Lambda）来模拟从轻量到饱和的不同网络通信负载。
3. 碰撞与退避机制：集成二进制指数退避算法（BEB），模拟节点在检测到冲突后的随机重试逻辑及最大重传限制。
4. 传播延迟模型：考虑了信号在物理介质上的传播延迟（Propagation Delay），能够准确还原由于传播延迟导致的信道空闲错觉及随之引发的碰撞。
5. 全方位指标评估：系统自动计算并产出吞吐量（Throughput）、平均延迟（Average Delay）、冲突概率（Collision Probability）以及网络负载与归一化吞吐量关系曲线（S-G曲线）。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 硬件要求：标准PC配置，仿真大规模事件流时建议分配不少于4GB运行内存。

运行机制与逻辑实现

系统采用离散事件驱动（Discrete Event Driven）的仿真架构，而非固定步长的时钟步进，这极大提高了高负载场景下的计算效率。主要逻辑流程如下：

1. 初始环境构建

系统首先初始化20个网络节点，并根据泊松分布（Poisson Distribution）为每个节点预设第一个数据包的到达时间。设定信道速率为1Mbps，定义标准数据包长度及物理层传播时延。

1. 事件调度核心

仿真引擎维护一个全局的时间轴，通过寻找所有节点中最近的事件发生时刻（如包到达、退避结束或传输完成）来驱动时间跳转。

1. 载波监听逻辑

当节点准备发送数据时，会根据设定的协议类型检查信道状态：

• 非坚持模式：若信道忙，节点立即进入随机退避状态。
• 1-坚持模式：若信道忙，节点持续监听，一旦发现空闲立即发送。
• p-坚持模式：若信道忙则持续监听，待空闲后以概率p发送，以1-p概率延迟一个时隙（Slot Time）再次决定。

1. 冲突判定与处理

系统通过追踪同一时间段内占用信道的节点数量来判断冲突。如果在某一节点的信号传输期间有其他节点尝试启动发送（通常发生在传播延迟的时间窗内），则标记为冲突。所有参与冲突的节点将增加重传计数，并执行二进制指数退避。当重试次数超过最大值（10次）时，该包被视为丢弃，转而处理下一个新产生的任务。

1. 数据采样与统计

在仿真运行周期（10秒）内，系统持续累加成功发送的比特数、总衝突次数以及数据包从产生到完成的停留时间，最终换算成宏观性能指标。

关键函数与算法分析

1. 泊松过程模拟

系统利用负指数分布公式处理随机变量，模拟数据包在时间轴上随机且独立的到达特性，确保仿真符合真实网络流量特征。

1. 二进制指数退避算法（BEB）

在处理冲突或退避请求时，算法根据当前重试次数k，在[0, 2^k - 1]范围内随机抽取时隙数。这种动态调整竞争窗口的方法有效地平衡了低负载下的快速响应能力和高负载下的碰撞规避能力。

1. 信道占用模型

系统引入了动态的信道繁忙截止时间（channelBusyUntil）概念。通过比较当前仿真时间与该截止时间，精准模拟节点对于载波信号的感知结果。

1. 性能可视化引擎

仿真结束后，系统调用绘图模块生成四组对比图表，直观展示三种协议在性能上的优劣差异，特别是展示负载饱和点后吞吐量下降的性能拐点。

使用方法

1. 启动MATLAB并进入本项目代码目录。
2. 在命令行窗口输入 main 并回车。
3. 系统将自动执行三个协议维度、二十个负载等级的交叉仿真分析。
4. 仿真结束后，程序将自动弹出可视化分析窗口，生成包含吞吐量、延迟、冲突率及S-G关系的四个子图。
5. 用户可根据需要修改代码顶部的参数（如节点数、p概率、包长度等）进行自定义研究。