ALOHAnet

Az ‘aloha‘ egy köszönés hawaii nyelven, esetünkben azonban az ‘Additive Links On-line Hawaii Area‘ kifejezésből képzett betűszó, s a világ első rádiós átvitelen alapuló – vezeték nélküli – számítógépes hálózata volt Hawaiin, amely a ma használt Ethernet és WiFi protokolok őse. Létrejöttét annak köszönheti, hogy Hawaii több szigetből áll, s a vezetékes hálózat kiépítése igen drága lett volna, ezért a rádió kommunikációt választották. Mint a képen látható, a fővárosban, Honolulun található központi állomást kötötte össze más szigetek alállomásaival, így voltaképpen csillag topológiája volt. A működését 1971 júniusában kezdte el.

A korban szokásos technológiával ellentétben a nem osztott ki minden kapcsolat számára egy-egy külön rádiófrekvenciát, hanem az adások csupán két frekvencián történtek a UHF (Ultra High Frequency) sávban: a központi állomás az üzeneteit 407 MHz-n, a többi állomás pedig a 413 MHz-n forgalmazott.

forrás: Explain ALOHA and slotted ALOHA

Azaz az alállomások számára ez egy random access (teljesen kötetlen hozzáférésű) csatornahasználatot jelentett. Mivel az állomások az üzeneteiket adott hosszúságú csomagokban küldték ugyanazon a frekvencián, így ha két állomás egyszerre küldött csomagot, akkor azok a csomagok ütköztek egymással. Ekkor a két hullám interferenciája miatt a csomagok torzultak, elvesztették az információ tartalmukat. Ennek a problémának a megoldására dolgozták ki az ALOHAnet protokolt, aminek az első változata volt a ‘Pure ALOHA‘, s a következő módon működött.

Pure ALOHA – egyszerű Aloha

  • Bármelyik állomás bármikor megkezdhette az adását, függetlenül attól, hogy másik adó forgalmazott-e éppen, ugyanis az állomás nem figyelte a csatornát.
  • Amikor a központi állomás kapott egy csomagot, akkor azt a csomagot a másik csatornán – amelyet csak ő használt, így ott nem következhetett be ütközés – vissza sugározta a többi állomásnak.
  • Ez volt tkp. a kapott adásra válaszul elküldött nyugta. Ugyanis, ha az eredeti állomás a saját üzenetét hallotta vissza, akkor tudta, hogy az általa forgalmazott adás rendben megérkezett.
  • Az állomás az adás elküldése után adott ideig vár, hogy megkapja-e a nyugtát. Amennyiben az általa küldött csomag elveszett, vagy ütközés történt, s az állomás csak ‘zajt’ kap vissza, akkor kiszámol magának egy véletlen hosszúságú időtartamot, addig vár, majd a letelte után újra küldi a csomagot.
  • Amennyiben két állomás által küldött csomag ütközik, s mindkét állomás a nyugtára való várakozási idő letelte után azonnal újra küldené a csomagot, akkor ugyanúgy ütközés jönne létre. A véletlenül kiszámolt várakozási idő viszont csökkenti az újabb ütközés valószínűségét.
  • A Pure ALOHA elven működő hálózat kihasználtsága 18 %.
  • Alacsony terhelés mellett jól működik, magas terhelés mellett használhatatlan.

Az ábrán szürkén vannak jelölve a csomagok azon részei, amelyek az ütközések miatt használhatatlanná váltak. Később a protokolt tovább fejlesztették, s ez lett a Slotted ALOHA (réselt Aloha).

Slotted ALOHA – réselt Aloha

  • A folyó időt szeletekre (résidőkre) osztják, amelyek ugyanolyan hosszúságú időtartamok.
  • A szeletek kezdetét központi szinkronjellel határozzák meg.
  • Az állomások nem adhatnak bármikor, az adásaikat csak a résidő kezdetekor kezdhetik el.
  • Ez az ütközéskor tönkre menő csomagok hosszát egy réidőnyi hosszra szűkíti le. A Pure ALOHA változatban ui., ha egy csomag vége és egy másik csomag eleje ütközött, akkor majdnem dupla annyi idő veszett el, mint a résidő.
  • Ezzel az adatátvitel hatékonysága a duplájára nő, 36 % lesz.

Reservation ALOHA – helyfoglalásos Aloha

forrás: invocom.et.put.poznan.pl
  • Az R-ALOHA két működési módot ismer: a reserved mode-t és az unreserved mode-t.
  • A reserved mode esetén a keretek M+1 résre (slot) vannak felosztva, ahol az állomások az első M rében küldhetik a csomagjaikat.
  • A keret utolsó rése R mikrorésre (subslot) van felosztva, ahol az egyes állomások bejelenthetik az igényeiket a csomagjaik elküldésére. Az igény vonatkozhat egy vagy több csomag elküldésére is.
  • Az állomás a sikeres helyfoglalásról nyugtát (acknowledgment – ACK) kap vissza.
  • Ha az állomás megkapta az engedélyt, akkor a csomagjait egymást követő slot-okban küldhet el – átugorva a reservation subslot-okat.
  • A sémában a rendszer irányítása meg van osztva az összes felhasználó között, mivel az összes állomás hallja az összes foglalási üzenetet, így minden állomásnak pontos információja van a sorban álló foglalásokról, s így el tudja helyezni a saját üzenetét a sorban.
  • Amikor véget ért a csomagok küldése, akkor a rendszer visszaáll az unreserved mode-ba, s várja a további foglalásokat. Az unreserved mode értelemszerűen subslot-ok végtelenített sorozata.
  • A fenti példában a felhasználó három üzenethelyet foglal le. Amikor elkezdheti az adást, akkor sorban elküldi a csomagjait úgy, hogy közben a helyfoglalási alréseket tartalmazó rést átugorja. A példában nincs több helyfoglalás, így az M. rés után a rendszer visszatér az unreserved mode-ba. (forrásarchiválva)
forrás: slideplayer.com
  • A fenti ábra az ütközések kezelését mutatja.
  • Ütközések csak a subslot-okban történhetnek, így egy ütközés nem egy teljes résidőt vesz el a működéstől, hanem csak annak az R-ed részét – egy mikrorésnyi időt.
  • Az ábra azt mutatja, hogy a 4. subslotban egyszerre két állomás akar foglalni, így mind a két foglalási igény elveszik, s így az azt követő slot üresen marad. – A rendszer nem veszi figyelembe a két foglalást – hiszen azok ütközése után csak zaj továbbítódik az információ helyett.
  • Ekkor az adók megismétlik a foglalási igényeiket, s az ábra szerinti esetben ezek az igények már külön subslot-okban érkeznek meg, így a rendszer fel tudja dolgozni a kérést, s a két állomás el tudja küldeni a csomagokat. (forrásarchivált)

Az ALOHAnet routerét az ARPAnet-nél használt Interface Message Processors (IMP) mintájára építették meg. Az imp viszont angolul egy ördögszerű lényt jelöl, aminek a megfelelője a hawaii a ‘Menehune‘, ezért így nevezték el a routert is.

AbramsonEgy IMP akkora volt, mint egy hűtőszekrény és 1969-es építésekor potom 150 000 dollárba került, karbantartási költségekkel együtt. Összehasonlításul: egy Cadillac Eldorado 1969 ára 6700 dollár volt. [Ez a mai értékén kb. 1 000 000 USD] (…)

Abramson
[Norman Abrahamson: az ALOHAnet kidolgozója – a képen] és kollégái szerencséjére Taylor utódja, Roberts nem csak ötletekkel, hanem pénzzel is támogatta a projektet. A szakember 1972-ben kereste fel Robertset a washingtoni irodájában és különböző dolgokról beszélgettek. Ambramson észrevett egy táblát, amin az ARPANET műholdas rendszerekkel való kibővítése, illetve az ebbe a programba bevonandó intézetek neve szerepelt. Amikor Robertsnek ki kellett mennie valamiért a szobából, a szakember odalépett a táblához és felírta a listára a Hawaii Egyetem nevét. Később folytatódott a beszélgetés és Abramson az egész ügyet elfelejtette.

Annál nagyobb volt a meglepetése, amikor 1972 december elején telefonon keresték és arra kérték, hogy jelöljön ki egy szobát, ahová az IMP-t elhelyezhetik. 1972. december 17-én meg is érkeztek a munkások és felszerelték a berendezést, így az ALOHANET bekapcsolódhatott az ARPANET munkájába. “Az ALOHANET volt az első kereskedelmi műholdas összeköttetés, amelynél egyetlen csatornán 56 KBps-os sebességgel továbbítottak adatokat” – emlékezett vissza az úttörő.

1973-ban az ALOHANET a NASA Ames Kutatóközpontjával, az Alaszkai Egyetemmel, a Sydney Egyetemmel és két japán egyetemmel közösen az ATS-1 műhold segítségével létrehozta a PACNET kutatási hálózatot. Az adatátviteli sebessége 9600 Bit/s volt A rendszer öröksége ma is tovább él minden számítógépben, mivel az akkor kidolgozott eljárások nem Abramson, hanem Robert Metcalfe nevéhez fűződnek, aki a világon elsőként megértette, hogy mi a különbség a teljesítmény- és a csomagalapú adatátvitelre épülő hálózatok között. Metcalfe később felhasználta Hawaion szerzett tapasztalatait és 1973-ban megalkotta a a saját rendszerét, amit Ethernetnek nevezett el.
” (forrás: ALOHANET, avagy 40 éves a vezeték nélküli internet)

Az ALOHAnet parabolaantennája – forrás: hawaii.edu
IEEE milestone plaque outside of Holmes Hall, University of Hawaiʻi at Mānoa (forrás)
This user is operating the ALOHAnet hub machine, which used a random access protocol to transmit packets over a shared channel. PHOTO: NORM ABRAMSON/UNIVERSITY OF HAWAIʻI AT MĀNOA (forrás: spectrum.ieee.org)

Kapcsolódás az ARPANET-hez

ALOHAnet connects to ArpanetAz ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) volt az Egyesült Allamok első internetes hátózata. 1969-ben jött létre 4 egyetem között (University of California, Los Angeles, (U.C.L.A.), the Stanford Research Institute (S.R.I.) in Menlo Park, Calif., U.C. Santa Barbara (UCSB), and the University of Utah), s a kommunikáció telefon vonalakon történt. 1973-ban a hálózathoz már 40 állomás tartozott. Ugyanebben az évben csatlakozott a hálózathoz az ALOHAnet is egy Intelsat 4 műholdon keresztül. Jobbra a képen az erről szóló korabeli újságcikk (forrás: mcgovern.org). A műholdas kapcsolat az ARPANET és az ALOHAnet között egy 56 kb/s hangcsatornán történt, azonban nem az ALOHAnet protokol, hanem point-to-point protokol alapján.

Az ARPANET hálózata 1977-ben – balra a Hawaii leágazás (forrás: darpa.mil)

PacNet – Pacific Net

AtS-1A PacNet volt az első olyan műholdon keresztül működő hálózat, amely az AlohaNet által kidolgozott közvetlen csatornahozzáférésű (random access) csomagátvitelen alapult. 1973-ban állították rendszerbe, s a következő állomások tartoztak hozzá: University of Hawaii, NASA Ames Research Center in California, the University of Alaska, Tohoku University in Sendai, Japan, the University of Electro-communications in Tokyo, and the University of Sydney in Australia. (forrás: hawaii.edu)

A műholdas kapcsolatot az 1966-ban fellőtt ATS-1 (Applications Technology Satellite) műhold biztosította (jobbra a képen, forrás: wikipedia). Hengeres felépítésű, 142 cm átmérőjű és 134 cm magasságú műhold volt, egyirányú vagy 600 kétirányú rádiótelefon-vonalat biztosított. Működését 1986-ban fejezte be, azóta passzív űreszközként kering a föld körül.


Linkek az ALOHAnet elindulásának 50. éves évfordulójáról:

www.eng.hawaii.edu/about/history/alohanet/

www.computerhistory.org/collections/catalog/102792095

edtechmagazine.com/higher/article/2016/07/how-alohanet-made-waves-networking-and-it-innovation