Введение

Компьютерная сетевая система ALOHAnet, также известная как система ALOHA или просто ALOHA, была пионерской компьютерной сетевой системой, разработанной в Университете Гавайев. ALOHAnet использовал новый метод доступа к среде, называемый случайным доступом ALOHA, и экспериментальную ультравысокую частоту (UHF) для своей работы. В своей простейшей форме, позже известной как Pure ALOHA, удалённые устройства связывались с базовой станцией (Menehune) по двум отдельным радиочастотам (для входящей и исходящей передачи соответственно). Устройства не ждали, пока канал станет свободным, прежде чем начать передачу, а вместо этого ожидали подтверждения успешного получения сообщения и повторно отправляли его, если подтверждение не было получено. Устройства также прекращали передачу и повторно отправляли данные, если обнаруживали другие сообщения во время передачи. Несмотря на простоту реализации, это приводило к эффективности всего 18,4%. Более поздняя разработка, Slotted ALOHA, повысила эффективность протокола за счёт снижения вероятности коллизий, увеличив пропускную способность до 36,8%. ALOHAnet начала функционировать в июне 1971 года, продемонстрировав первую публичную демонстрацию беспроводной сети передачи данных. ALOHA впоследствии применялась в сетях на основе кабелей Ethernet в 1970-х годах, а после изменений в нормативных документах в начале 1980-х годов стало возможным использовать методы случайного доступа ALOHA как в сетях Wi-Fi, так и в сетях мобильной связи. Каналы ALOHA использовались в ограниченном объёме в 1980-х годах в мобильных телефонах 1G для целей сигнализации и управления. В конце 1980-х годов европейская группа по стандартизации GSM, работавшая над общеевропейской цифровой системой мобильной связи GSM, значительно расширила использование каналов ALOHA для доступа к радиоканалам в мобильной телефонии. В начале 2000-х годов к мобильным телефонам 2.5G и 3G были добавлены дополнительные каналы ALOHA с широким внедрением General Packet Radio Service (GPRS), используя канал случайного доступа Slotted ALOHA в сочетании с версией схемы резервирования ALOHA, впервые проанализированной группой BBN Technologies.

Другие протоколы

Использование канала случайного доступа в ALOHAnet привело к разработке множественного доступа с прослушиванием несущей (CSMA) – протокола случайного доступа, который может использоваться, когда все узлы передают и принимают данные по одному каналу. CSMA в радиоканалах широко исследовался в моделях. Пакетный радиопротокол AX.25 основан на подходе CSMA с восстановлением после коллизий, опираясь на опыт, полученный в ALOHAnet. Вариация CSMA, CSMA/CD, используется в ранних версиях Ethernet. ALOHA и другие протоколы случайного доступа обладают неотъемлемой изменчивостью в характеристиках пропускной способности и задержки. По этой причине приложения, требующие строго детерминированного поведения при нагрузке, могут использовать схемы «ведущий-ведомый» или передачу токена (например, Token Ring или ARCNET) вместо систем с конкуренцией за канал.

Оборудование

Центральным процессором связи был миникомпьютер HP 2100 под названием Menehune, что на гавайском языке означает «маленький человечек», и он был назван в честь своей схожей роли с оригинальным процессором интерфейсных сообщений ARPANET (IMP), который развертывался примерно в то же время. В исходной системе Menehune пересылал правильно полученные пользовательские данные на центральный компьютер UH, систему совместного использования времени IBM System 360/65. Исходящие сообщения с 360 преобразовывались в пакеты устройством Menehune, которые помещались в очередь и передавались удаленным пользователям со скоростью 9600 бит/с. В отличие от полудуплексных радиостанций на пользовательских ТКУ, Menehune был подключен к радиоканалам с использованием полнодуплексного радиооборудования. Изначально разработанный для системы пользовательский интерфейс представлял собой полностью аппаратный блок, называемый терминальным блоком управления ALOHAnet (TCU), и являлся единственным необходимым оборудованием для подключения терминала к каналу ALOHA. TCU состоял из УВЧ-антенны, приемопередатчика, модема, буфера и блока управления. Буфер был рассчитан на полную длину строки в 80 символов, что позволяло обрабатывать как пакеты фиксированной длины в 40 символов, так и пакеты фиксированной длины в 80 символов, определенных для системы. Типичный пользовательский терминал в исходной системе состоял из телетипа модели 33 или простого CRT-терминала, подключенного к TCU через стандартный интерфейс RS 232. Вскоре после запуска исходной сети ALOHA, TCU был переработан с использованием одного из первых микропроцессоров Intel, а полученное обновление получило название программируемого блока управления (PCU). Дополнительные основные функции, выполняемые TCU и PCU, включали генерацию вектора кода циклического контроля четности и декодирование полученных пакетов для обнаружения ошибок, а также генерацию повторных передач пакетов с использованием простого генератора случайных интервалов. Если после заданного количества автоматических повторных передач от Menehune не поступало подтверждения, мигающий индикатор служил сигналом для пользователя. Кроме того, поскольку TCU и PCU не отправляли подтверждения Menehune, постоянный предупреждающий индикатор отображался пользователю при обнаружении ошибки в полученном пакете. В первоначальную конструкцию TCU и PCU было внесено значительное упрощение для подключения пользователя к сети. В более поздних версиях системы были введены в эксплуатацию простые радиоретрансляторы для соединения основной сети на острове Оаху с другими островами Гавайского архипелага, а возможности маршрутизации Menehune были расширены, чтобы позволить пользовательским узлам обмениваться пакетами с другими пользовательскими узлами, ARPANET и экспериментальной спутниковой сетью, а затем и со спутниковой сетью Marisat (ныне Inmarsat). В начале 1980-х годов стали доступны частоты для мобильных сетей, а в 1985 году в США были выделены частоты, подходящие для технологии, которая впоследствии стала известна как Wi-Fi. Эти нормативные изменения сделали возможным использование методов случайного доступа ALOHA как в Wi-Fi, так и в сетях мобильной связи. Каналы ALOHA использовались в ограниченном объеме в мобильных телефонах 1G в 1980-х годах для целей сигнализации и управления. В конце 1980-х годов европейская группа по стандартизации GSM, работавшая над общеевропейской цифровой системой мобильной связи GSM, значительно расширила использование каналов ALOHA для доступа к радиоканалам в мобильной телефонии. Кроме того, в мобильных телефонах 2G была реализована отправка SMS-сообщений. В начале 2000-х годов дополнительные каналы ALOHA были добавлены в мобильные телефоны 2.5G и 3G с широким внедрением General Packet Radio Service (GPRS), использующие канал случайного доступа ALOHA с временными интервалами в сочетании с версией схемы резервирования ALOHA, впервые проанализированной группой BBN Technologies.