ALOHAnet

ALOHAnet este prima rețea de date de calculatoare cu comutare de pachete care utilizează tehnologia wireless ca mediu de acces. A fost dezvoltat și pus în funcțiune în anii 1968-1970 de un grup de oameni de știință de la Universitatea din Hawaii condus de Norman Abramson , ca parte a proiectului de cercetare THE ALOHA SYSTEM, al cărui scop principal era studierea posibilităților de folosind transmisia radio ca alternativă la comunicațiile prin cablu. Dezvoltarile conceptuale și soluțiile implementate în timpul acestui proiect au stat în mare parte la baza unor astfel de tehnologii și protocoale precum Ethernet , Wi-Fi și rețele celulare [1] . În 1973, centrele de calcul ale Universității din Hawaii, Centrul de Cercetare Ames (NASA), Universitatea din Alaska , Universitatea din Tohoku , Universitatea de Comunicații Electrice (Tokyo) [en] au fost combinate într-o rețea folosind canale de comunicații prin satelit NASA ATS-1 și Universitatea din Sydney [2] .

Istorie

În 1968, profesorul de la Universitatea Stanford Norman Abramson a început să lucreze la Universitatea din Hawaii, unde a condus o echipă de cercetare care includea Thomas Gaarder , Franklin Kuo , Chu Lin , Shu Lin , Wesley Peterson și Edward Weldon , care a început cercetările despre The Aloha System - posibilitatea de a folosi radioul pentru a interacționa cu utilizatorii sistemelor informatice mari în loc de conexiuni prin cablu [1] . Inițial, trebuia să combine campusul principal al Universității din Hawaii, situat în Valea Manoa - nu departe de Honolulu , cu un colegiu în Hilo și colegii de pe insulele Oahu , Kauai , Maui și Hawaii într-o singură rețea . Toate erau amplasate la o distanță de aproximativ 300 km de centrul de calcul. În viitor, trebuia să folosească rețeaua în toată țara [1] [3] .

Centrul de calcul al campusului principal al universității a constat dintr- un computer IBM 360/65 cu 750 KB de RAM și mai multe mașini mai mici. Pentru a interacționa cu ei, aparatele de la facultate au planificat să folosească banda de frecvență radio decimetrică ca mediu de transmisie a datelor. Dezvoltarea unei rețele de calculatoare experimentale a început în septembrie 1968, iar ALOHAnet a intrat în funcțiune în 1971 [1] (cuvântul „ aloha ” înseamnă salut în hawaiană ) [4] .

Tehnologia ALOHAnet

În rețeaua ALOHAnet, a fost utilizată o conexiune radio în domeniul undelor decimetrice [3] pentru a conecta computerele la centrul de calcul principal . Două canale radio cu o lățime de 100 kHz [1] au fost alocate cu o rată de transfer de date de 24.000 baud [3] . Un canal radio la o frecvență de 407,350 MHz [1] a fost folosit pentru a transmite date de la terminale la computerul central [5] din Honolulu, iar al doilea canal la o frecvență de 413,475 MHz [1] a fost folosit pentru a trimite mesaje difuzate de la computer central la terminale [5] (pentru aceasta, lângă computerul central a fost instalată o antenă și antene direcționale au fost instalate pe insule îndepărtate care nu permiteau primirea de mesaje unul de la celălalt - în sistemul ALOHA a fost folosită topologia rețelei stea ) [6] .

Întrucât la încercarea de a transmite pe aceeași bandă de frecvență de la mai multe stații în același timp, s-au produs coliziuni care au dus la distorsiunea datelor transmise, s-a luat o decizie inovatoare de a folosi metoda de acces aleatoriu la canal, denumită ulterior ALOHA random . access , care a devenit o inovație tehnologică cheie [1] , și tot pentru prima dată s-a decis împărțirea informațiilor transmise în „pachete” (704 biți fiecare: 80 caractere de 8 biți + 64 de biți de control) [7] .

Pure ALOHA

Prima versiune de acces aleatoriu ALOHA se mai numește și ALOHA pur ( ALOHA pur ) . Cu această metodă de acces la canal, computerele utilizatorului încep să trimită pachete de date către centrală imediat după ce informațiile de trimis sunt disponibile. Dacă transmiterea a două sau mai multe stații coincide în timp (cel puțin parțial), atunci computerul central nu poate primi corect datele. Pentru a permite expeditorilor să detecteze o coliziune, gazda trimite pachetul de date primit la primire. Comparând pachetul transmis cu cel primit, expeditorul poate înțelege dacă datele sale au fost primite corect sau cu erori. Dacă datele au fost transmise incorect, expeditorul așteaptă un interval de timp aleator și reîncearcă transmiterea [6] .

Estimarea lățimii de bandă ALOHA netă

Estimarea lățimii de bandă a unui sistem ALOHA pur este determinată în baza următoarelor ipoteze [6] [7] :

Datele utilizator care urmează să fie transmise ajung la terminale aleatoriu, formând un flux Poisson;
Pachetele aruncate din cauza erorilor de transmisie sunt retransmise, formând de asemenea un flux Poisson;
Toate pachetele de date au aceeași lungime și sunt transmise în același timp ; $\tau$
Există un număr infinit de terminale la distanță în rețea (adică, dacă un anumit terminal transmite deja date, acest lucru nu afectează probabilitatea transmiterii datelor de către alte terminale).

În ipotezele de mai sus, fluxul total de pachete către terminale este Poisson. Fie numărul mediu de pachete care apar la toate terminalele în timpul perioadei (inclusiv cele retransmise) să fie egal cu . În consecință, intervalul de timp mediu dintre momentele de primire a pachetelor succesive este . $\tau$ $G$ ${\frac {\tau {G}}$

Luați în considerare transmiterea unui cadru de date dedicat. Pachetul este primit incorect dacă o altă stație transmitea în momentul începerii difuzării sau dacă o altă stație a început să transmită înainte de sfârșitul difuzării. Astfel, pentru transmiterea cu succes a oricărui bloc de date alocat, este necesar ca în intervalul de timp să nu înceapă transmisia nicio altă stație. Probabilitatea acestui eveniment este . Numărul mediu de pachete transmise cu succes pe timp, adică debitul rețelei , este [6] . $2\tau$ $\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-2G)$ $\tau$ $\lambda _{pur}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-2G)$

Slotted ALOHA

În 1972, Lawrence Roberts a propus o altă versiune a sistemului ALOHA numită slotted ALOHA [ 8 ] . Principala diferență dintre ALOHA slotted și ALOHA pur a fost ideea de a împărți axa timpului în intervale discrete de durată egală , numite sloturi. Fiecare terminal a măsurat secvenţial limitele sloturilor. Pentru a sincroniza limitele sloturilor, a fost folosit un semnal de sincronizare special, transmis de la antena de difuzare la toate terminalele. Când urmau să fie transmise pachete de date, terminalul a întârziat transmisia până la începutul următorului slot. Durata sloturilor a fost aleasă astfel încât pe parcursul unui slot terminalul să aibă timp să-și transmită pachetul de date și să primească confirmarea transmisiei cu succes de la computerul central [6] . $\tau$

Estimarea lățimii de bandă ALOHA cu fante

Cu ipotezele de mai sus, estimarea ratei de debit ALOHA este determinată după cum urmează. Deoarece pachetele de date sunt transmise exclusiv în limitele slotului, pentru ca mai multe terminale să înceapă să transmită în același timp, ele trebuie să primească date pentru a le transmite în același slot. Probabilitatea acestui eveniment este . Atunci probabilitatea de a transmite cu succes un pachet de date este , iar debitul rețelei este [6] . $\mathbb {P} _{\mathrm {eșuare} }=1-e^{-G)$ $\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=e^{-G)$ $\lambda _{slot}(G)=G\mathbb {P} _{\mathrm {suc} }=Ge^{-G)$

Comparația lățimii de bandă

Următorul grafic arată debitul unui sistem ALOHA pur și cu fante față de traficul care sosește la terminale . $G$

Debitul maxim al sistemului ALOHA este determinat după cum urmează:

Obținerea debitului maxim pentru ALOHA pur și cu fante

Pentru ALOHA pur, debitul depinde de sarcină ca:

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

Să găsim astfel de , la care este atins debitul maxim: $G$

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

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

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

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

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

Pentru ALOHA cu fante, debitul depinde de sarcină ca:

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

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

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

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

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

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

Astfel, utilizarea unui ALOHA cu fante în loc de unul pur a făcut posibilă dublarea debitului maxim al rețelei. După cum se poate observa din grafice, atâta timp cât valoarea de încărcare este mai mică decât valoarea critică la care este atins maximul, debitul rețelei crește odată cu creșterea traficului - sistemul nu este utilizat la 100%. Cu toate acestea, după depășirea valorii critice de încărcare, debitul sistemului scade - prea multe pachete intră în coliziuni și sunt transmise cu erori.

Pentru ALOHA pur, valoarea critică de încărcare este , adică un pachet de date apare în medie pe timp . Pentru un ALOHA slotted, valoarea critică de încărcare este , adică un cadru de date apare în medie pe timp [6] . $G^{*}={\frac {1}{2)}$ $2\tau$ $G^{*}=1$ $\tau$

Dezvoltare și aplicare

Apariția repetitoarelor radio în rețeaua ALOHAnet a făcut posibilă extinderea și eficientizarea structurii acesteia [5] . În 1973, ALOHAnet a fost conectat la ARPAnet folosind o legătură prin satelit [3] .

Ca o dezvoltare a ideii de acces concurent aleatoriu la un canal de comunicare, utilizat pentru prima dată în sistemul ALOHA, a fost creată metoda CSMA . Modificările acestei metode CSMA/CA și CSMA/CD au stat la baza protocoalelor stratului de legătură ale rețelelor Ethernet și Wi-Fi [ 1] .

Accesul aleatoriu ALOHA este utilizat în rețelele mobile de voce și de pachete. În special, la stabilirea unei conexiuni vocale, SMS sau Internet, primul pachet este trimis de dispozitivul mobil utilizând acces aleatoriu ALOHA. Accesul aleator ALOHA a fost folosit și în rețelele de satelit [1] .

O versiune puternic modificată a ALOHA cu fante este utilizată atunci când se comunică mai multe etichete RFID cu un singur cititor [6] .

Note

↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Schwartz, Abramson, 2009 .
↑ Beneficiarii Premiului C&C 2011 . Fundația NEC C&C. Data accesului: 3 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 4 iunie 2015. (nedefinit)
↑ 1 2 3 4 Kuo, 1995 .
↑ Semenov Yu.A. Canale și rețele (radio) fără fir // Tehnologii de telecomunicații - Tehnologii de telecomunicații. — 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 .

Literatură

Abramson N. THE ALOHA SYSTEM (Engleză) : Another Alternative for Computer Communications // AFIPS '70 (Toamna) : 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. Sistem de pachete ALOHA cu și fără sloturi și captură // SIGCOMM Comput . comun. Rev. - New York, NY, SUA : 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 , SUA : ACM , 1975. - P. 203-215. doi : 10.1145/1499949.1499985
Kuo F. F. Sistemul ALOHA // SIGCOMM Comput . comun. Rev. - New York, NY, SUA : ACM , 1995. - Vol. 25, Iss. 1. - P. 41-44. — ISSN 0146-4833 ; 1943-5819 - doi:10.1145/205447
Schwartz M. , Abramson N. The Alohanet - navigare pentru date fără fir (engleză) : 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. Rețele de calculatoare - a 5-a ed. - Sankt Petersburg. : Peter , 2012. - S. 286-290. — 960 p. — ISBN 978-5-459-00342-0

Link -uri

James Pelkey. ALOHANET și Norm Abramson: 1966 - 1972 // Capitalismul antreprenorial și inovația: o istorie a comunicațiilor computerizate 1968-1988.
2011 Beneficiarii Premiului C&C . Fundația NEC C&C. Preluat: 3 ianuarie 2016. (nedefinit)
Aganesov Artur Valerievici. MODEL DE REȚEA DE COMUNICARE SATELITĂ BAZAT PE PROTOCOL DE ACCES MULTIPLE ALEATORII S-ALOHA // Sisteme de control, comunicații și securitate. - 2015. - Nr 2 .