ALOHAnet

Az ALOHAnet az első csomagkapcsolt számítógépes adathálózat , amely vezeték nélküli technológiát használ hozzáférési médiumként. Az 1968-1970-es években fejlesztette ki és helyezte üzembe a Hawaii Egyetem tudósainak egy csoportja Norman Abramson vezetésével a THE ALOHA SYSTEM kutatási projekt részeként, melynek fő célja az volt, hogy tanulmányozzák az ún. rádiós átvitel a vezetékes kommunikáció alternatívájaként. A projekt során megvalósított koncepcionális fejlesztések és megoldások nagyrészt olyan technológiák és protokollok alapját képezték, mint az Ethernet , a Wi-Fi és a mobilhálózatok [1]. 1973-ban a Hawaii Egyetem, az Ames Research Center (NASA), az Alaszkai Egyetem , a University of Tohoku , a University of Electrical Communications (Tokiói) [en] számítási központjait hálózatba egyesítették műholdas kommunikációs csatornák NASA ATS-1 és a University of Sydney [2] .

Történelem

1968-ban a Stanford Egyetem professzora, Norman Abramson a Hawaii Egyetemen kezdett dolgozni, ahol Thomas Gaarder , Franklin Kuo , Chu Lin , Shu Lin , Wesley Peterson és Edward Weldon kutatócsoportot vezetett , akik a Aloha System – a vezetékes kapcsolatok helyett rádiós kommunikáció lehetősége nagy számítógépes rendszerek felhasználóival [1] . Kezdetben a Hawaii Egyetem fő campusát, a Manoa-völgyben - nem messze Honolulutól - egy hilói főiskolával, valamint Oahu , Kauai , Maui és Hawaii szigetén lévő főiskolákkal kellett volna egyesíteni egy hálózatba . Mindegyik körülbelül 300 km-re volt a számítógépközponttól. A jövőben a hálózatot az egész országban kellett volna használnia [1] [3] .

Az egyetem fő campusának számítástechnikai központja egy IBM 360/65 számítógépből , 750 KB RAM-mal és több kisebb gépből állt. A velük való interakcióhoz a főiskolai gépek a deciméteres rádiófrekvenciás sávot tervezték adatátviteli közegként használni. Egy kísérleti számítógépes hálózat fejlesztése 1968 szeptemberében kezdődött, az ALOHAnet pedig 1971-ben indult [1] (az „ aloha ” szó hawaii nyelven „hellót” jelent ) [4] .

ALOHAnet technológia

Az ALOHAnet hálózatban egy deciméteres hullámtartományú rádiókapcsolattal [3] kapcsolták össze a számítógépeket a fő számítástechnikai központtal . Két 100 kHz [1] szélességű rádiócsatornát 24 000 baud adatátviteli sebességgel osztottak ki [3] . Az egyik 407,350 MHz-es [1] rádiócsatornát a terminálokról a központi számítógépre [5] továbbították Honoluluban, a második 413,475 MHz-es [1] csatornát pedig a sugárzott üzenetek küldésére használták. központi számítógép a terminálokhoz [5] (ehhez közel egy sugárzóantennát telepítettek a központi számítógépre , és irányított antennákat telepítettek távoli szigetekre , amelyek nem tették lehetővé az üzenetek fogadását egymástól - a csillag hálózati topológiát használták az ALOHA rendszerben ) [6] .

Mivel az azonos frekvenciasávon több állomásról egyidejűleg történő adás során ütközések történtek , amelyek a továbbított adatok torzulásához vezettek, újszerű döntés született a csatornához való véletlenszerű hozzáférés módszere, később ALOHA random néven. hozzáférés , amely kulcsfontosságú technológiai innovációvá vált [1] , és szintén először döntöttek úgy, hogy a továbbított információkat „csomagokra” osztják (egyenként 704 bit: 80 8 bites karakter + 64 vezérlőbit) [7] .

Pure ALOHA

Az ALOHA véletlen hozzáférés első verzióját tiszta ALOHA-nak ( tiszta ALOHA ) is hívják . Ezzel a csatornaelérési módszerrel a felhasználói számítógépek azonnal megkezdik az adatcsomagok küldését a központinak, miután az elküldendő információ rendelkezésre áll. Ha két vagy több állomás adása időben (legalábbis részben) egybeesik, akkor a központi számítógép nem tudja megfelelően fogadni az adatokat. Annak érdekében, hogy a feladók észleljék az ütközést, a gazdagép a fogadott adatcsomagot kézhezvételkor kiküldi. A továbbított és a fogadott csomag összehasonlításával a küldő megértheti, hogy az adatait megfelelően vagy hibásan fogadták-e. Ha az adatok továbbítása helytelenül történt, a küldő véletlenszerű időintervallumot vár, és újra próbálkozik az átvitellel [6] .

Nettó ALOHA sávszélesség becslés

Egy tiszta ALOHA rendszer sávszélesség-becslését a következő feltevésekkel határozzuk meg [6] [7] :

A továbbítandó felhasználói adatok véletlenszerűen érkeznek a terminálokhoz, Poisson-folyamot alkotva;
Az átviteli hibák miatt eldobott csomagok újraküldésre kerülnek, szintén Poisson-folyamot képezve;
Minden adatcsomag azonos hosszúságú, és egy időben kerül továbbításra ; $\tau$
A hálózatban végtelen számú távoli terminál található (vagyis ha egy bizonyos terminál már továbbít adatot, ez nem befolyásolja a többi terminál adatátvitelének valószínűségét).

A fenti feltételezések szerint a terminálokhoz tartó teljes csomagfolyam Poisson. Legyen egyenlő az idő alatt az összes terminálon megjelenő csomagok átlagos száma (beleértve az újraküldötteket is) . Ennek megfelelően az egymást követő csomagok fogadásának pillanatai közötti átlagos időintervallum . $\tau$ $G$ ${\frac {\tau }{G))$

Fontolja meg néhány dedikált adatkeret átvitelét. A csomag vétele helytelenül történik, ha egy másik állomás sugárzott az adás kezdetekor, vagy ha egy másik állomás az adás vége előtt kezdett el adni. Így bármely lefoglalt adatblokk sikeres átviteléhez szükséges, hogy az időintervallumban más állomás ne kezdje el az adást. Ennek az eseménynek a valószínűsége . Az egy időben sikeresen továbbított csomagok átlagos száma , azaz a hálózati átviteli sebesség [ 6] . $2\tau$ ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-2G))$ $\tau$ ${\displaystyle \lambda _{pure}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-2G))$

Slotted ALOHA

Lawrence Roberts 1972-ben javasolta az ALOHA rendszer egy másik változatát , úgynevezett slotted ALOHA-t [ 8 ] . A fő különbség a hasított ALOHA és a tiszta ALOHA között az volt, hogy az időtengelyt egyenlő időtartamú diszkrét intervallumokra osztják , amelyeket réseknek neveznek. Mindegyik terminál egymás után mérte a rések határait. A rések határainak szinkronizálásához egy speciális szinkronizáló jelet használtak, amelyet a műsorszóró antennáról az összes terminálra továbbítottak. Amikor adatcsomagokat kellett továbbítani, a terminál késleltette az átvitelt a következő rés kezdetéig. A rések időtartamát úgy választottuk meg, hogy egy időköz alatt a terminálnak legyen ideje elküldeni az adatcsomagját, és megkapja a sikeres átvitel visszaigazolását a központi számítógéptől [6] . $\tau$

Slotted ALOHA sávszélesség becslés

A fenti feltevésekkel a hasított ALOHA átviteli becslést a következőképpen határozzuk meg. Mivel az adatcsomagokat kizárólag a réshatárokon belül továbbítják, ahhoz, hogy több terminál egyszerre kezdje meg az adást, adatokat kell fogadniuk az ugyanazon a résen belüli továbbításhoz. Ennek az eseménynek a valószínűsége . Ekkor az adatcsomag sikeres továbbításának valószínűsége , a hálózati átviteli sebesség pedig [6] . ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {fail} }=1-e^{-G))$ ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-G))$ ${\displaystyle \lambda _{slot}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-G))$

Sávszélesség összehasonlítás

A következő grafikon egy tiszta és réses ALOHA rendszer átviteli teljesítményét mutatja a terminálokra érkező forgalom függvényében . $G$

Az ALOHA rendszer maximális áteresztőképességét a következőképpen határozzuk meg:

Maximális áteresztőképesség elérése a tiszta és hornyolt ALOHA-hoz

A tiszta ALOHA esetében az áteresztőképesség a terheléstől függ:

${\displaystyle \lambda _{pure}(G)=Ge^{-2G))$

Keressünk olyat , amelynél a maximális átviteli sebesség érhető el: $G$

${\displaystyle G_{pure}^{*}=\arg \max _{G\in \mathbb {R} ^{+}}~{\lambda _{pure}(G)))$ .

$\lambda _{pure}(0)=\lim _{G\to +\infty }{\lambda _{pure}(G)}=0$ .

${\frac {d\lambda _{pure}(G)}{dG}}=e^{-2G}-2Ge^{-2G}$ .

${\Bigl .}{\frac {d\lambda _{pure}(G)}{dG)){\Bigr |}_{G_{pure}^{*}}=e^{-2G_{ tiszta}^{*}}-2G_{tiszta}^{*}e^{-2G_{pure}^{*}}=0\Rightarrow G_{pure}^{*}={\frac {1}{2 }}$ .

$\lambda _{pure}(G_{pure}^{*})={\frac {1}{2e))\körülbelül 0,18393972...$ .

A hornyolt ALOHA esetében az átviteli sebesség a terheléstől függ:

${\displaystyle \lambda _{slot}(G)=Ge^{-G))$ .

${\displaystyle G_{slot}^{*}=\arg \max _{G\in \mathbb {R} ^{+}}~{\lambda _{slot}(G)))$ .

$\lambda _{slot}(0)=\lim _{G\to +\infty }{\lambda _{slot}(G)}=0$ .

${\frac {d\lambda _{slot}(G)}{dG}}=e^{-G}-Ge^{-G}$ .

${\Bigl .}{\frac {d\lambda _{slot}(G)}{dG)){\Bigr |}_{G_{slot}^{*}}=e^{-G_{ slot}^{*}}-G_{slot}^{*}e^{-G_{slot}^{*}}=0\Rightarrow G_{slot}^{*}=1$ .

$\lambda _{slot}(G_{slot}^{*})={\frac {1}{e}}=2\lambda _{pure}(G_{pure}^{*})\kb. 0,36787944...$ .

Így a réselt ALOHA használata a tiszta helyett lehetővé tette a maximális hálózati átviteli sebesség megduplázását. A grafikonokon látható, hogy amíg a terhelési érték kisebb, mint az a kritikus érték, amelynél a maximumot elérjük, addig a forgalom növekedésével nő a hálózati áteresztőképesség - a rendszer nincs 100%-osan kihasználva. A kritikus terhelési érték túllépése után azonban a rendszer átviteli sebessége csökken - túl sok csomag kerül ütközésbe, és a továbbítás hibásan történik.

A tiszta ALOHA esetében a kritikus terhelési érték , azaz átlagosan egy adatcsomag jelenik meg egy alkalommal . Egy réses ALOHA esetében a kritikus terhelési érték , azaz átlagosan egy adatkeret jelenik meg időnként [6] . $G^{*}={\frac {1}{2))$ $2\tau$ $G^{*}=1$ $\tau$

Fejlesztés és alkalmazás

A rádiós átjátszók megjelenése az ALOHAnet hálózatban lehetővé tette annak szerkezetének bővítését, ésszerűsítését [5] . 1973-ban az ALOHAnet egy műholdas kapcsolaton keresztül csatlakozott az ARPAnethez [ 3 ] .

A kommunikációs csatornához való véletlenszerű egyidejű hozzáférés ötletének továbbfejlesztéseként, amelyet először az ALOHA rendszerben használtak, megalkották a CSMA módszert . Ennek a módszernek a módosításai A CSMA/CA és a CSMA/CD képezték az Ethernet és Wi-Fi hálózatok kapcsolati rétegbeli protokolljainak alapját [ 1] .

Az ALOHA véletlen hozzáférést a mobil hang- és csomaghálózatokban használják. Különösen hang-, SMS- vagy internetkapcsolat létesítésekor az első csomagot a mobileszköz ALOHA véletlen hozzáféréssel küldi el. Az ALOHA véletlen hozzáférést a műholdas hálózatokban is alkalmazták [1] .

A réselt ALOHA erősen módosított változatát használják több RFID -címke egyetlen olvasóval történő kommunikálásakor [6] .

Jegyzetek

↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Schwartz, Abramson, 2009 .
↑ 2011. évi C&C-díjasok . NEC C&C Alapítvány. Hozzáférés dátuma: 2016. január 3. Az eredetiből archiválva : 2015. június 4. (határozatlan)
↑ 1 2 3 4 Kuo, 1995 .
↑ Semenov Yu.A. Vezeték nélküli (rádió) csatornák és hálózatok // Távközlési technológiák - Távközlési technológiák. — 2014.
↑ 1 2 3 Binder, Abramson, Kuo et al., 1975 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Tanenbaum, Weatherall, 2012 .
↑ 12 Abramson , 1970 .
↑ Roberts, 1975 .

Irodalom

Abramson N. THE ALOHA SYSTEM (angolul) : Egy másik alternatíva a számítógépes kommunikációhoz // AFIPS '70 (ősz) : Proceedings of the November 17-19, 1970, Fall Joint Computer Conference - New York, NY, USA : ACM , 1970. —P. 281-285. doi : 10.1145/1478462.1478502
Roberts L. ALOHA csomagrendszer slottal és rögzítéssel és anélkül // SIGCOMM Comput . kommun. Fordulat. - New York, NY, USA : ACM , 1975. - Vol. 5, Iss. 2. - P. 28-42. — ISSN 0146-4833 ; 1943-5819 – doi:10.1145/1024916.1024920
Binder R. , Abramson N. , Kuo F. F. , Okinaka A. , Wax D. ALOHA Packet Broadcasting: A Retrospect // AFIPS '75 : Proceedings of the May 19-22, 1975, National Computer Conference and Exposition – New York, NY , USA : ACM , 1975. - P. 203-215. doi : 10.1145/1499949.1499985
Kuo F. F. Az ALOHA rendszer // SIGCOMM Comput . kommun. Fordulat. - New York, NY, USA : ACM , 1995. - Vol. 25, Iss. 1. - P. 41-44. — ISSN 0146-4833 ; 1943-5819 – doi:10.1145/205447
Schwartz M. , Abramson N. The Alohanet - surfing for wireless data (angolul) : History of Communications // IEEE Communications Magazine - IEEE , 2009. - Vol. 47, Iss. 12. - P. 21-25. — ISSN 0163-6804 ; 1558-1896 - doi:10.1109/MCOM.2009.5350363
Tanenbaum E. , Weatherall D. Számítógépes hálózatok - 5. kiadás. - Szentpétervár. : Péter , 2012. - S. 286-290. — 960 p. — ISBN 978-5-459-00342-0

Linkek

James Pelkey. ALOHANET és Norm Abramson: 1966 - 1972 // Vállalkozói kapitalizmus és innováció: A számítógépes kommunikáció története 1968-1988.
2011. évi C&C-díjasok . NEC C&C Alapítvány. Letöltve: 2016. január 3. (határozatlan)
Aganesov Artur Valerievich. MŰHOLDAS KOMMUNIKÁCIÓS HÁLÓZATI MODELL, AZ S-ALOHA VÉLETLENSZERŰ TÖBBSZÖRÖS HOZZÁFÉRÉSI PROTOKOLL ALAPJÁN // Vezérlőrendszerek, kommunikáció és biztonság. - 2015. - 2. sz .