ALOHAnet

ALOHAnet er det første pakkekoblede computerdatanetværk, der bruger trådløs teknologi som adgangsmedie. Det blev udviklet og sat i drift i 1968-1970'erne af en gruppe videnskabsmænd ved University of Hawaii ledet af Norman Abramson som en del af forskningsprojektet THE ALOHA SYSTEM, hvis hovedformål var at undersøge mulighederne for bruge radiotransmission som et alternativ til kablet kommunikation. De konceptuelle udviklinger og løsninger, der blev implementeret under dette projekt, dannede i vid udstrækning grundlaget for sådanne teknologier og protokoller som Ethernet , Wi-Fi og cellulære netværk [1] . I 1973 blev computercentrene fra University of Hawaii, Ames Research Center (NASA), University of Alaska , University of Tohoku , University of Electrical Communications (Tokyo) [da] kombineret til et netværk vha . satellitkommunikationskanaler NASA ATS-1 og University of Sydney [2] .

Historie

I 1968 begyndte professor Norman Abramson ved Stanford University at arbejde ved University of Hawaii, hvor han ledede et forskerhold, der omfattede Thomas Gaarder , Franklin Kuo , Chu Lin , Shu Lin , Wesley Peterson og Edward Weldon , som begyndte at forske i Aloha System - muligheden for at bruge radio til at interagere med brugere af store computersystemer i stedet for kablede forbindelser [1] . Oprindeligt skulle det kombinere hovedcampus for University of Hawaii, beliggende i Manoa Valley - ikke langt fra Honolulu , med et kollegium i Hilo og colleges på øerne Oahu , Kauai , Maui og Hawaii i ét netværk . Alle var de placeret i en afstand af omkring 300 km fra computercentret. I fremtiden skulle den bruge netværket på tværs af landet [1] [3] .

Computercentret på universitetets hovedcampus bestod af en IBM 360/65 computer med 750 KB RAM og flere mindre maskiner. For at interagere med dem planlagde universitetsmaskiner at bruge decimeterradiofrekvensbåndet som et datatransmissionsmedium. Udviklingen af et eksperimentelt computernetværk begyndte i september 1968, og ALOHAnet gik live i 1971 [1] (ordet " aloha " betyder hej på hawaiisk ) [4] .

ALOHAnet teknologi

I ALOHAnet-netværket blev der brugt en radioforbindelse i decimeterbølgeområdet [3] til at forbinde computere med det primære computercenter . To radiokanaler med en bredde på 100 kHz [1] blev tildelt med en dataoverførselshastighed på 24.000 baud [3] . En radiokanal med en frekvens på 407.350 MHz [1] blev brugt til at transmittere data fra terminaler til den centrale computer [5] i Honolulu, og den anden kanal med en frekvens på 413.475 MHz [1] blev brugt til at sende broadcast- meddelelser fra central computer til terminaler [5] (til dette blev der i nærheden af en udsendelsesantenne installeret på den centrale computer , og retningsbestemte antenner blev installeret på fjerntliggende øer , der ikke tillod at modtage beskeder fra hinanden - stjernenetværkstopologien blev brugt i ALOHA-systemet ) [6] .

Da der, når man forsøgte at sende på samme frekvensbånd fra flere stationer på samme tid, opstod kollisioner , der førte til forvrængning af de transmitterede data, blev der truffet en innovativ beslutning om at bruge metoden til random access til kanalen, senere kaldet ALOHA random access , som blev en nøgleteknologisk innovation [1] , og også for første gang blev det besluttet at opdele den transmitterede information i "pakker" (704 bit hver: 80 8-bit tegn + 64 kontrolbit) [7] .

Ren ALOHA

Den første version af ALOHA random access kaldes også ren ALOHA ( ren ALOHA ) . Med denne metode til kanaladgang begynder brugercomputere at sende datapakker til centralen umiddelbart efter, at informationen, der skal sendes, er tilgængelig. Hvis transmissionen af to eller flere stationer falder sammen i tid (i det mindste delvist), kan den centrale computer ikke modtage dataene korrekt. For at gøre det muligt for afsendere at registrere en kollision, sender værten den modtagne datapakke ud ved modtagelse. Ved at sammenligne den transmitterede pakke og den modtagne kan afsenderen forstå, om hans data blev modtaget korrekt eller med fejl. Hvis dataene blev transmitteret forkert, venter afsenderen et tilfældigt tidsinterval og prøver at sende igen [6] .

Net ALOHA båndbreddevurdering

Båndbreddeestimatet for et rent ALOHA-system bestemmes under følgende antagelser [6] [7] :

Brugerdataene, der skal transmitteres, ankommer til terminalerne tilfældigt og danner en Poisson-strøm;
Pakker, der kasseres på grund af transmissionsfejl, gentransmitteres og danner også en Poisson-strøm;
Alle datapakker har samme længde og transmitteres på samme tid ; $\tau$
Der er et uendeligt antal fjernterminaler i netværket (det vil sige, hvis en bestemt terminal allerede transmitterer data, påvirker dette ikke sandsynligheden for datatransmission fra andre terminaler).

Under ovenstående antagelser er det samlede pakkeflow til terminalerne Poisson. Lad det gennemsnitlige antal pakker, der vises på alle terminaler i løbet af tiden (inklusive dem, der er gentransmitteret) være lig med . Følgelig er det gennemsnitlige tidsinterval mellem tidspunkterne for modtagelse af på hinanden følgende pakker . $\tau$ $G$ ${\frac {\tau }{G))$

Overvej overførsel af en dedikeret dataramme. Pakken modtages forkert, hvis en anden station sendte i begyndelsen af sin udsendelse, eller hvis en anden station begyndte at sende før udsendelsens afslutning. For en vellykket transmission af enhver allokeret datablok er det således nødvendigt, at ingen anden station i løbet af tidsintervallet starter transmissionen. Sandsynligheden for denne hændelse er . Det gennemsnitlige antal af succesfulde transmitterede pakker pr. gang, det vil sige netværkets gennemstrømning , er [6] . $2\tau$ ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-2G))$ $\tau$ ${\displaystyle \lambda _{pure}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-2G))$

Slotted ALOHA

I 1972 foreslog Lawrence Roberts en anden version af ALOHA-systemet kaldet slotted ALOHA [ 8 ] . Hovedforskellen mellem spaltet ALOHA og ren ALOHA var ideen om at opdele tidsaksen i diskrete intervaller af samme varighed , kaldet slots. Hver terminal målte sekventielt grænserne for spalterne. For at synkronisere grænserne for slots blev der brugt et specielt synkroniseringssignal, transmitteret fra udsendelsesantennen til alle terminaler. Når der var datapakker, der skulle transmitteres, forsinkede terminalen transmissionen indtil starten af næste slot. Varigheden af slots blev valgt således, at terminalen i løbet af et slot havde tid til at transmittere sin datapakke og modtage bekræftelse på vellykket transmission fra den centrale computer [6] . $\tau$

Slotted ALOHA Bandwidth Estimation

Med ovenstående antagelser bestemmes det spaltede ALOHA-gennemløbsestimat som følger. Da datapakker udelukkende transmitteres inden for slotgrænser, for at flere terminaler kan begynde at transmittere på samme tid, skal de modtage data for at transmittere inden for samme slot. Sandsynligheden for denne hændelse er . Så er sandsynligheden for succesfuld transmission af en datapakke , og netværkets gennemstrømning er [6] . ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {fail} }=1-e^{-G))$ ${\displaystyle \mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-G))$ ${\displaystyle \lambda _{slot}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-G))$

Båndbredde sammenligning

Den følgende graf viser gennemløbet af et rent og spaltet ALOHA-system i forhold til den trafik, der ankommer til terminalerne . $G$

Den maksimale gennemstrømning af ALOHA-systemet bestemmes som følger:

Udleder maksimal gennemstrømning for ren og slidset ALOHA

For ren ALOHA afhænger gennemløbet af belastningen som:

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

Lad os finde sådan , hvor den maksimale gennemstrømning opnås: $G$

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

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

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

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

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

For slidsede ALOHA afhænger gennemløbet af belastningen som:

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

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

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

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

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

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

Brugen af en slidset ALOHA i stedet for en ren gjorde det således muligt at fordoble den maksimale netværksgennemstrømning. Som det fremgår af graferne, så længe belastningsværdien er mindre end den kritiske værdi, hvor maksimum er nået, vokser netværkets gennemstrømning med en stigning i trafikken - systemet bruges ikke på 100%. Men efter at have overskredet den kritiske belastningsværdi falder systemets gennemløb - for mange pakker kommer i kollisioner og transmitteres med fejl.

For ren ALOHA er den kritiske belastningsværdi, det vil sige , at der i gennemsnit vises én datapakke pr. gang . For en spaltet ALOHA er den kritiske belastningsværdi , det vil sige , at der i gennemsnit vises én dataramme pr. gang [6] . $G^{*}={\frac {1}{2))$ $2\tau$ $G^{*}=1$ $\tau$

Udvikling og anvendelse

Fremkomsten af radiorepeatere i ALOHAnet-netværket gjorde det muligt at udvide og strømline dets struktur [5] . I 1973 blev ALOHAnet forbundet til ARPAnet ved hjælp af en satellitforbindelse [3] .

Som en udvikling af ideen om tilfældig samtidig adgang til en kommunikationskanal, som først blev brugt i ALOHA-systemet, blev CSMA - metoden skabt . Ændringer af denne metode CSMA/CA og CSMA/CD dannede grundlaget for linklagsprotokollerne for Ethernet- og Wi-Fi-netværk [ 1] .

ALOHA random access bruges i mobile tale- og pakkenetværk. Især når der etableres en stemme-, SMS- eller internetforbindelse, sendes den første pakke af den mobile enhed ved hjælp af ALOHA random access. ALOHA random access er også blevet brugt i satellitnetværk [1] .

En stærkt modificeret version af den slidsede ALOHA bruges til at kommunikere flere RFID- tags med en enkelt læser [6] .

Noter

↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Schwartz, Abramson, 2009 .
↑ 2011 Modtagere af C&C-prisen . NEC C&C Foundation. Dato for adgang: 3. januar 2016. Arkiveret fra originalen 4. juni 2015. (ubestemt)
↑ 1 2 3 4 Kuo, 1995 .
↑ Semenov Yu.A. Trådløse (radio)kanaler og netværk // Telekommunikationsteknologier - Telekommunikationsteknologier. – 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 .

Litteratur

Abramson N. THE ALOHA SYSTEM (engelsk) : Another Alternative for Computer Communications // AFIPS '70 (Fall) : Proceedings of the November 17-19, 1970, Fall Joint Computer Conference - New York, NY, USA : ACM , 1970. — S. 281-285. doi : 10.1145/1478462.1478502
Roberts L. ALOHA pakkesystem med og uden slots og opsamling // SIGCOMM Comput . commun. Rev. - New York, NY, USA : ACM , 1975. - Vol. 5, Iss. 2. - S. 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 19-22 maj 1975, national computer conference and exposition - New York, NY , USA : ACM , 1975. - S. 203-215. doi : 10.1145/1499949.1499985
Kuo F. F. ALOHA-systemet // SIGCOMM Comput . commun. Rev. - New York, NY, USA : ACM , 1995. - Vol. 25, Iss. 1. - S. 41-44. — ISSN 0146-4833 ; 1943-5819 - doi:10.1145/205447
Schwartz M. , Abramson N. Alohanet - surfing efter trådløse data (engelsk) : History of Communications // IEEE Communications Magazine - IEEE , 2009. - Vol. 47, Iss. 12. - S. 21-25. — ISSN 0163-6804 ; 1558-1896 - doi:10.1109/MCOM.2009.5350363
Tanenbaum E. , Weatherall D. Computernetværk - 5. udg. - Sankt Petersborg. : Peter , 2012. - S. 286-290. — 960 s. — ISBN 978-5-459-00342-0