ALOHAnet
ALOHAnet, también conocido como Sistema ALOHA, o simplemente ALOHA, fue un sistema pionero de redes informáticas desarrollado en la Universidad de Hawái. ALOHAnet entró en funcionamiento en junio de 1971, proporcionando la primera demostración pública de una red inalámbrica de paquetes de datos. ALOHA originalmente significaba Additive Links On-line Hawaii Area.
ALOHAnet utilizó para su funcionamiento un nuevo método de acceso al medio, denominado ALOHA random access, y ultra alta frecuencia (UHF) experimental. En la década de 1970, el acceso aleatorio ALOHA se empleó en la naciente red basada en cable Ethernet y luego en la red satelital Marisat (ahora Inmarsat).
A principios de la década de 1980, las frecuencias para redes móviles estuvieron disponibles y, en 1985, se asignaron frecuencias adecuadas para lo que se conoció como Wi-Fi en EE. UU. Estos desarrollos regulatorios hicieron posible el uso de las técnicas de acceso aleatorio ALOHA tanto en Wi-Fi como en redes de telefonía móvil.
Los canales ALOHA se utilizaron de forma limitada en la década de 1980 en teléfonos móviles 1G con fines de señalización y control. A fines de la década de 1980, el grupo de normalización europeo GSM, que trabajó en el sistema de comunicación móvil digital paneuropeo GSM, amplió enormemente el uso de canales ALOHA para acceder a canales de radio en telefonía móvil. Además, se implementaron mensajes de texto SMS en teléfonos móviles 2G. A principios de la década de 2000, se agregaron canales ALOHA adicionales a los teléfonos móviles 2.5G y 3G con la introducción generalizada del Servicio general de radio por paquetes (GPRS), utilizando un canal de acceso aleatorio ALOHA ranurado combinado con una versión del esquema ALOHA de reserva analizado por primera vez por un grupo en BBN Technologies.
Resumen
Uno de los primeros diseños de redes informáticas, el desarrollo de la red ALOHA se inició en septiembre de 1968 en la Universidad de Hawái bajo la dirección de Norman Abramson y Franklin Kuo, junto con Thomas Gaarder, Shu Lin, Wesley Peterson y Edward (& #34;Ned") Weldon. El objetivo era utilizar equipos de radio comerciales de bajo costo para conectar a los usuarios en Oahu y las otras islas hawaianas con una computadora central de tiempo compartido en el campus principal de Oahu. La primera unidad de transmisión de paquetes entró en funcionamiento en junio de 1971. Los terminales se conectaron a una unidad de conexión de terminal de propósito especial mediante RS-232 a 9600 bit/s.
La versión original de ALOHA usaba dos frecuencias distintas en una configuración de concentrador, con la máquina concentradora transmitiendo paquetes a todos en el canal saliente, y las diversas máquinas cliente enviando paquetes de datos al concentrador en el canal. canal entrante. Si los datos se recibieron correctamente en el concentrador, se envió un breve paquete de reconocimiento al cliente; si una máquina cliente no recibió un reconocimiento después de un breve tiempo de espera, retransmitiría automáticamente el paquete de datos después de esperar un intervalo de tiempo seleccionado al azar. Este mecanismo de reconocimiento se usó para detectar y corregir colisiones creadas cuando dos máquinas cliente intentaron enviar un paquete al mismo tiempo.
La principal importancia de ALOHAnet era el uso de un medio compartido para las transmisiones de los clientes. A diferencia de ARPANET, donde cada nodo solo podía hablar con un solo nodo en el otro extremo de un circuito de cable o satélite, en ALOHAnet todos los nodos clientes se comunicaban con el concentrador en la misma frecuencia. Esto significaba que se necesitaba algún tipo de mecanismo para controlar quién podía hablar en qué momento. La solución de ALOHAnet fue permitir que cada cliente enviara sus datos sin controlar cuándo se enviaban e implementar un esquema de reconocimiento/retransmisión para tratar las colisiones. Este enfoque redujo radicalmente la complejidad del protocolo y el hardware de red, ya que los nodos no necesitan negociar quién puede hablar.
Esta solución se conoció como ALOHA puro, o canal de acceso aleatorio, y fue la base para el desarrollo posterior de Ethernet y redes Wi-Fi posteriores. Varias versiones del protocolo ALOHA (como Slotted ALOHA) también aparecieron más tarde en las comunicaciones por satélite y se utilizaron en redes de datos inalámbricas como ARDIS, Mobitex, CDPD y GSM.
La red Aloha introdujo el mecanismo de acceso múltiple aleatorio, que resolvió las colisiones de transmisión de dispositivos al transmitir un paquete inmediatamente si no hay acuse de recibo, y si no se recibió acuse de recibo, la transmisión se repitió después de un tiempo de espera aleatorio.
También fue importante el uso de ALOHAnet del canal central saliente para transmitir paquetes directamente a todos los clientes en una segunda frecuencia compartida y usando una dirección en cada paquete para permitir la recepción selectiva en cada nodo de cliente. Se usaron frecuencias separadas para las comunicaciones entrantes y salientes al concentrador para que los dispositivos pudieran recibir reconocimientos independientemente de las transmisiones.
Protocolo ALOHA
ALOHA pura
(feminine)
La versión original del protocolo (ahora llamada Pure ALOHA, y la implementada en ALOHAnet) era bastante simple:
- Si tiene datos para enviar, envíe los datos
- Si, mientras usted está transmitiendo datos, usted recibe cualquier dato de otra estación, ha habido una colisión de mensaje. Todas las estaciones de transmisión tendrán que intentar reenviar más tarde.
Tenga en cuenta que el primer paso implica que Pure ALOHA no verifica si el canal está ocupado antes de transmitir. Debido a que pueden ocurrir colisiones y es posible que los datos deban enviarse nuevamente, ALOHA no puede usar eficientemente el 100% de la capacidad del canal de comunicaciones. El tiempo que una estación espera hasta que retransmite y la probabilidad de que ocurra una colisión están interrelacionados y ambos afectan la eficiencia con la que se puede utilizar el canal. Esto significa que el concepto de retransmitir más tarde es un aspecto crítico; La calidad del esquema de retroceso elegido influye significativamente en la eficiencia del protocolo, la capacidad final del canal y la previsibilidad de su comportamiento.
Para evaluar Pure ALOHA, es necesario predecir su rendimiento, la tasa de transmisión (exitosa) de tramas. Primero, hagamos algunas suposiciones simplificadoras:
- Todos los marcos tienen la misma longitud.
- Las estaciones no pueden generar un marco al transmitir o tratar de transmitir. (Es decir, mientras una estación está enviando o tratando de reenviar un marco, no se puede permitir generar más marcos para enviar.
- La población de estaciones que intentan transmitir (tanto nuevas transmisiones como retransmisiones) sigue una distribución Poisson.
Sea T el tiempo necesario para transmitir un cuadro en el canal y definamos tiempo de cuadro como una unidad de tiempo igual a T. Deje que G se refiera a la media utilizada en la distribución de Poisson sobre las cantidades de intentos de transmisión. Es decir, en promedio, hay G intentos de transmisión por fotograma.
Piense en lo que debe suceder para que una trama se transmita correctamente. Deje que t se refiera al momento en el que se pretende enviar un marco. Es preferible usar el canal para un marco de tiempo que comienza en t, y todas las demás estaciones se abstengan de transmitir durante este tiempo.
Para cualquier marco de tiempo, la probabilidad de que haya k intentos de transmisión durante ese marco de tiempo es:
Gke− − Gk!{fnMicrosoft Sans Serif}}}
La cantidad promedio de intentos de transmisión para dos marcos de tiempo consecutivos es 2G. Por lo tanto, para cualquier par de marcos de tiempo consecutivos, la probabilidad de que haya k intentos de transmisión durante esos dos marcos de tiempo es:
- ()2G)ke− − 2Gk!{displaystyle {frac {(2G)} {cH00}}}}
Por lo tanto, la probabilidad (Probpure{displaystyle Prob_{pure}}) de que hay cero intentos de transmisión entre t-T y t+T (y por lo tanto de una transmisión exitosa para nosotros) es:
- Probpure=e− − 2G{displaystyle Prob_{pure}=e^{-2G}
El rendimiento se puede calcular como la tasa de intentos de transmisión multiplicada por la probabilidad del éxito, y se puede concluir que el rendimiento (Spure{displaystyle S_{pure}) es:
- Spure=Ge− − 2G{displaystyle S_{pure}=Ge^{-2G}
El rendimiento máximo es 0.5/e frames por frame-time (reached cuando G=0.5{displaystyle G=0.5}), que es aproximadamente 0.184 marcos por marco-tiempo. Esto significa que, en Pure ALOHA, sólo alrededor del 18.4% del tiempo se utiliza para las transmisiones exitosas.
ALOHA ranurado
Una mejora del protocolo ALOHA original fue ALOHA ranurado, que introdujo intervalos de tiempo discretos y aumentó el rendimiento máximo. Una estación puede iniciar una transmisión solo al comienzo de un intervalo de tiempo y, por lo tanto, se reducen las colisiones. En este caso, solo se deben considerar los intentos de transmisión dentro de 1 marco de tiempo y no 2 marcos de tiempo consecutivos, ya que las colisiones solo pueden ocurrir durante cada intervalo de tiempo. Por lo tanto, la probabilidad de que haya cero intentos de transmisión por parte de otras estaciones en un solo intervalo de tiempo es:
Probslotted=e− − G{displaystyle Prob_{slotted}=e^{-G}
la probabilidad de que una transmisión requiera exactamente k intentos es (k-1 colisiones y 1 éxito):
Probslottedk=e− − G()1− − e− − G)k− − 1{displaystyle Prob_{slotted}k=e^{-G}(1-e^{-G})^{k-1}
El rendimiento es:
Sslotted=Ge− − G{displaystyle S_{slotted}=Ge^{-G}
El rendimiento máximo es 1/e fotogramas por fotograma (alcanzado cuando G = 1), que es aproximadamente 0,368 fotogramas por fotograma, o 36,8 %..
Las fuerzas militares utilizan ALOHA ranurado en redes de comunicaciones satelitales tácticas de baja tasa de datos, en redes de comunicaciones satelitales basadas en suscriptores, configuración de llamadas de telefonía móvil, comunicaciones de decodificadores y en tecnologías RFID sin contacto.
Otros protocolos
El uso de un canal de acceso aleatorio en ALOHAnet condujo al desarrollo de acceso múltiple por detección de portadora (CSMA), un protocolo de acceso aleatorio escuchar antes de enviar que se puede usar cuando todos los nodos envían y recibir en el mismo canal. CSMA en canales de radio fue ampliamente modelado. El protocolo de radio por paquetes AX.25 se basa en el enfoque CSMA con recuperación de colisión, basado en la experiencia obtenida de ALOHAnet. Una variación de CSMA, CSMA/CD, se utiliza en las primeras versiones de Ethernet.
ALOHA y los otros protocolos de acceso aleatorio tienen una variabilidad inherente en sus características de desempeño de rendimiento y retardo. Por esta razón, las aplicaciones que necesitan un comportamiento de carga altamente determinista pueden usar esquemas maestro/esclavo o de transferencia de tokens (como Token Ring o ARCNET) en lugar de sistemas de contención.
Diseño
Arquitectura de red
Dos elecciones fundamentales que dictaron gran parte del diseño de ALOHAnet fueron la configuración en estrella de dos canales de la red y el uso de acceso aleatorio para transmisiones de usuarios.
La configuración de dos canales se eligió principalmente para permitir una transmisión eficiente del flujo de tráfico total relativamente denso que la computadora central de tiempo compartido devuelve a los usuarios. Una razón adicional para la configuración en estrella fue el deseo de centralizar tantas funciones de comunicación como fuera posible en el nodo de red central (Menehune) para minimizar el costo de la unidad de control de terminal (TCU) original de todo el hardware en cada nodo de usuario.
El canal de acceso aleatorio para la comunicación entre los usuarios y Menehune fue diseñado específicamente para las características de tráfico de la informática interactiva. En un sistema de comunicación convencional, a un usuario se le podría asignar una parte del canal ya sea sobre una base de acceso múltiple por división de frecuencia o de acceso múltiple por división de tiempo. Dado que era bien sabido que en los sistemas de tiempo compartido (alrededor de 1970), los datos de la computadora y del usuario están en ráfagas, tales asignaciones fijas generalmente desperdician ancho de banda debido a las altas tasas de datos de pico a promedio que caracterizan el tráfico.
Para lograr un uso más eficiente del ancho de banda para el tráfico en ráfagas, ALOHAnet desarrolló el método de conmutación de paquetes de acceso aleatorio que se conoce como canal ALOHA puro. Este enfoque asigna el ancho de banda de manera dinámica y efectiva de inmediato a un usuario que tiene datos para enviar, utilizando el mecanismo de reconocimiento y retransmisión descrito anteriormente para tratar las colisiones de acceso ocasionales. Si bien la carga promedio del canal debe mantenerse por debajo del 10 % para mantener una tasa de colisión baja, esto aún da como resultado una mejor eficiencia de ancho de banda que cuando se usan asignaciones fijas en un contexto de tráfico en ráfagas.
Se usaron dos canales de 100 kHz en la banda UHF experimental en el sistema implementado, uno para el canal de acceso aleatorio de usuario a computadora y otro para el canal de transmisión de computadora a usuario. El sistema se configuró como una red en estrella, permitiendo que solo el nodo central reciba transmisiones en el canal de acceso aleatorio. Todas las TCU de usuario recibieron cada transmisión realizada por el nodo central en el canal de transmisión. Todas las transmisiones se realizaron en ráfagas a 9600 bit/s, con datos e información de control encapsulados en paquetes.
Cada paquete constaba de un encabezado de 32 bits y una palabra de verificación de paridad de encabezado de 16 bits, seguidos de hasta 80 bytes de datos y una palabra de verificación de paridad de 16 bits para los datos. El encabezado contenía información de dirección que identificaba a un usuario en particular, de modo que cuando Menehune transmitiera un paquete, solo el nodo del usuario previsto lo aceptaría.
Menehune
El procesador de comunicaciones del nodo central era una minicomputadora HP 2100 llamada Menehune, que es la palabra en idioma hawaiano para personas enanas, y recibió su nombre por su función similar a la del procesador de mensajes de interfaz (IMP) ARPANET original que se estaba implementando aproximadamente al mismo tiempo. En el sistema original, Menehune enviaba correctamente los datos de usuario recibidos a la computadora central de UH, un sistema de tiempo compartido IBM System 360/65. Menehune convirtió los mensajes salientes del 360 en paquetes, que se pusieron en cola y se transmitieron a los usuarios remotos a una velocidad de datos de 9600 bit/s. A diferencia de las radios semidúplex en las TCU del usuario, el Menehune se interconectaba con los canales de radio con equipos de radio dúplex completo.
Unidades remotas
La interfaz de usuario original desarrollada para el sistema era una unidad de hardware llamada Unidad de control de terminal (TCU) de ALOHAnet y era el único equipo necesario para conectar una terminal al canal ALOHA. La TCU estaba compuesta por una antena UHF, un transceptor, un módem, un búfer y una unidad de control. El búfer fue diseñado para una longitud de línea completa de 80 caracteres, lo que permitió el manejo de paquetes de longitud fija de 40 y 80 caracteres definidos para el sistema. El terminal de usuario típico en el sistema original consistía en un Teletipo Modelo 33 o un terminal de usuario CRT tonto conectado a la TCU mediante una interfaz RS-232 estándar. Poco después de que la red ALOHA original entrara en funcionamiento, la TCU se rediseñó con uno de los primeros microprocesadores de Intel y la actualización resultante se denominó Unidad de control programable (PCU).
Las funciones básicas adicionales realizadas por las TCU y las PCU fueron la generación de un vector de código de verificación de paridad cíclica y la decodificación de los paquetes recibidos con fines de detección de errores de paquetes, y la generación de retransmisiones de paquetes utilizando un generador de intervalo aleatorio simple. Si no se recibía un acuse de recibo de Menehune después del número prescrito de retransmisiones automáticas, se usaba una luz intermitente como indicador para el usuario humano. Además, dado que las TCU y las PCU no enviaban reconocimientos a Menehune, se mostraba una luz de advertencia constante al usuario humano cuando se detectaba un error en un paquete recibido. Se incorporó una simplificación considerable en el diseño inicial de la TCU, así como en la PCU para conectar un usuario humano a la red.
Desarrollos posteriores
En versiones posteriores del sistema, se pusieron en funcionamiento repetidores de radio simples para conectar la red principal de la isla de Oahu con otras islas de Hawái, y se ampliaron las capacidades de enrutamiento de Menehune para permitir que los nodos de usuario intercambien paquetes con otros nodos de usuario., ARPANET y una red de satélites experimental. Más detalles están disponibles en y en los informes técnicos enumerados en la sección Lecturas adicionales a continuación.