알로하넷

ALOHAnet

ALOHA 시스템,[1][2][3] 또는 간단히 ALOHA라고도 알려진 ALOHAnet하와이 대학에서 개발된 선구적인 컴퓨터 네트워킹 시스템이었다. ALOHAnet은 1971년 6월 무선 패킷 데이터 네트워크의 첫 공개 데모를 제공하면서 운영되었다.[4][5] ALOHA는 원래 온라인 하와이 지역에서 Additional Links Online Hawai Area를 의미했다.[6]

ALOHAnet은 1970년대 컴퓨터와의 통신을 위한 주파수 할당을 상업적 응용에 사용할 수 없었기 때문에, 그 운용에 새로운 중형 액세스(ALOHA Random Access)와 실험용 초고주파수(UHF) 방법을 사용했다. 그러나 그러한 주파수가 할당되기도 전에 ALOHA 채널의 적용에 사용할 수 있는 다른 두 가지 미디어가 있었다. 케이블과 위성이다. 1970년대에 ALOHA 랜덤 액세스는 초기 이더넷 케이블 기반 네트워크와[7] 마리사트(현재의 Inmarsat) 위성 네트워크에 채택되었다.[8]

1980년대 초에는 모바일 네트워크용 주파수를 사용할 수 있게 되었고, 1985년에는 미국에서 와이파이(Wi-Fi)로 알려지게 된 주파수가 할당되었다.[9] 이러한 규제 개발은 와이파이 및 이동 전화 네트워크 모두에서 ALOHA 랜덤 액세스 기법을 사용할 수 있게 했다.

ALOHA 채널은 1980년대신호와 제어 목적으로 1G 휴대전화에서 제한적으로 사용되었다.[10] 1980년대 후반, 범유럽 디지털 이동 통신 시스템 GSM에서 일했던 유럽 표준화 단체 GSM은 모바일 전화에서의 무선 채널 접속을 위한 ALOHA 채널의 사용을 크게 확대하였다. 또 2G 휴대전화에서도 문자메시지를 전송했다. 2000년대 초에는 GPRS가 널리 보급되면서 2.5G 및 3G 휴대 전화에 ALOHA 채널이 추가되었고, BBN Technologies의 그룹이 최초로 분석한 예약 ALOHA 방식 버전과 결합된 슬롯형-ALOHA 랜덤 액세스 채널을 사용했다.[11]

개요

초기 컴퓨터 네트워킹 설계 중 하나인 ALOHA 네트워크의 개발은 1968년 9월 토머스 가어더, 프랭클린 쿠오, 슈린, 웨슬리 피터슨, 에드워드("네드") 웰던과 함께 노먼 에이브람슨의 주도로 하와이 대학에서 시작되었다. 오아후와 다른 하와이 섬의 사용자들을 오아후 캠퍼스의 중앙 시간 공유 컴퓨터로 연결하기 위해 저렴한 상업용 무선 장비를 사용하는 것이 목표였다. 최초의 패킷 방송 장치는 1971년 6월에 가동되었다. 단자는 9600비트/s에서 RS-232를 사용하여 특수 목적의 "단말 연결 장치"에 연결되었다.[12]

ALOHA 시스템의 초기 목적은 무선 통신을 위해 체계적으로 다른 설계자 상호작용을 제공하는 것이었다. 이 대안적인 방법은 시스템이 무선 통신이 유선 통신에 "선호"되는 시기와 장소를 결정할 수 있도록 한다. 실질적인 통신수단을 만들고 서로 다른 네트워크의 접근성을 그럴듯하게 만들었다.[1]

ALOHA의 원래 버전은 허브 구성에서 두 개의 구별되는 주파수를 사용했는데, 허브 기계는 "아웃바운드" 채널의 모든 사람에게 패킷을 브로드캐스트하고, 다양한 클라이언트 기계는 "인바운드" 채널의 허브로 데이터 패킷을 송신한다. 허브에서 데이터가 올바르게 수신되면 짧은 수신확인 패킷이 클라이언트로 전송되고, 짧은 대기 시간이 지난 후 클라이언트 컴퓨터에 수신되지 않으면 임의로 선택한 시간 간격을 기다린 후 자동으로 데이터 패킷을 재전송한다. 이 승인 메커니즘은 두 개의 클라이언트 컴퓨터가 동시에 패킷을 전송하려고 할 때 생성된 "협착"을 감지하고 수정하기 위해 사용되었다.

ALOHAnet의 주요 중요성은 클라이언트 전송을 위해 공유 매체를 사용하는 것이었습니다. 각 노드가 와이어 또는 위성 회로의 반대쪽 끝의 노드와 직접 대화만 할 수 있었던 ARPANET과 달리, ALOHAnet에서는 모든 클라이언트 노드가 동일한 주파수로 허브와 통신했다. 이것은 누가 언제 말을 할 수 있는지를 통제하기 위해 어떤 종류의 메커니즘이 필요하다는 것을 의미했다. ALOHAnet 솔루션은 각 클라이언트가 데이터 전송 시기를 제어하지 않고 데이터를 전송할 수 있도록 하는 것으로, 충돌을 처리하는 데 사용되는 승인/재전송 방식을 사용했다. 노드가 "누구" 말을 할 수 있도록 허용되는지에 대해 협상할 필요가 없기 때문에, 이 접근방식은 프로토콜과 네트워킹 하드웨어의 복잡성을 급격하게 줄였다.

이 솔루션은 순수 ALOHA, 즉 랜덤 액세스 채널로 알려지게 되었고, 이후 이더넷 개발 및 이후 Wi-Fi 네트워크의 기반이 되었다.[5] ALOHA 프로토콜의 다양한 버전(Slotted ALOHA와 같은)은 나중에 위성 통신에서도 나타났으며, ARDIS, Mobitex, CDPD, GSM과 같은 무선 데이터 네트워크에서도 사용되었다.

또한 ALOHAnet이 각 클라이언트 노드에서 선택적 수신을 허용하기 위해 각 패킷의 주소를 사용하여 두 번째 공유 주파수로 모든 클라이언트에 직접 패킷을 브로드캐스트하기 위해 송신 허브 채널을 사용하는 것도 중요했다.[4] 두 개의 주파수를 사용하여 장치 둘 다 전송에 관계 없이 수신확인을 받을 수 있었다. 알로하 네트워크는 무작위 다중 접속의 메커니즘을 도입해, 승인이 없을 경우 즉시 패키지를 전송해 장치 전송 충돌을 해결했고, 수신되지 않을 경우 무작위 대기 시간이 지난 후 전송을 반복했다.[13]

ALOHA 프로토콜

순수 ALOHA

Graph of frames being sent from 4 different stations according to the pure ALOHA protocol with respect to time, with overlapping frames shaded to denote collision.
순수 ALOHA 프로토콜. 상자는 액자를 나타낸다. 음영 상자는 충돌한 프레임을 나타낸다.

프로토콜 버전(현재 "순수 ALOHA"라고 불리며, ALOHAnet에서 구현된 프로토콜)은 상당히 간단했다.

  • 전송할 데이터가 있는 경우 데이터 전송
  • 데이터를 전송하는 동안 다른 스테이션에서 데이터를 수신할 경우 메시지 충돌이 발생한 경우 모든 송신소는 "지속기"를 재전송해야 할 것이다.

첫 번째 단계는 Pure ALOHA가 전송 전에 채널이 사용 중인지 여부를 확인하지 않는다는 것을 의미한다는 점에 유의하십시오. 충돌이 발생할 수 있고 데이터를 다시 보내야 할 수도 있기 때문에 ALOHA는 통신 채널 용량의 100%를 사용할 수 없다. 스테이션이 송신할 때까지 기다리는 시간과 충돌이 발생할 가능성은 상호 연관되며, 두 채널 모두 채널을 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는지에 영향을 미친다. 이것은 "나중에 전송"이라는 개념이 중요한 측면이라는 것을 의미한다: 선택된 백업 체계의 품질은 프로토콜의 효율성, 궁극적인 채널 용량, 그리고 그것의 행동의 예측 가능성에 상당한 영향을 미친다.

순수 ALOHA를 평가하기 위해서는 그 처리량, 즉 프레임의 (성공) 전송 속도를 예측할 필요가 있다. (이러한 순수 ALOHA의 수행에 대한 논의는 타넨바움을 따른다.)[14] 먼저 다음과 같은 몇 가지 간단한 가정을 해 봅시다.

  • 모든 프레임의 길이는 같다.
  • 방송국은 송신 또는 송신 시도 중에 프레임을 생성할 수 없다. (즉, 방송국에서 계속 프레임을 보내려고 하면 송신할 프레임을 더 생성할 수 없다.)
  • 스테이션의 모집단은 포아송 분포에 따라 (새 프레임과 충돌한 오래된 프레임 모두) 전송을 시도한다.

렛츠 "T"는 채널에서 하나의 프레임을 전송하는데 필요한 시간을 가리키며, "프레임 타임"을 T와 동등한 시간의 단위로 정의하자. Let "G"는 전송 시도 양보다 포아송 분포에서 사용되는 평균을 가리킨다. 즉, 평균적으로 프레임 시간당 전송 시도 횟수가 있다.

Graph of 3 frames with respect to time. The earlier green frame overlaps with the yellow frame sent at time t0, which overlaps with the later purple frame.
순수 ALOHA 프로토콜의 중첩 프레임. 프레임 시간은 모든 프레임에 대해 1과 동일하다.

프레임이 성공적으로 전송되기 위해서는 어떤 일이 일어나야 하는지 생각해 보라. "t"는 프레임을 보내려고 하는 시간을 가리킨다. t에서 시작하는 한 프레임 시간 동안 채널을 사용하고, 이 시간 동안 다른 모든 방송국은 전송을 자제하는 것이 바람직하다.

임의의 프레임타임에 대해, 해당 프레임타임 동안 k 전송방식이 있을 확률은 다음과 같다.

Throughput vs. Traffic Load of Pure Aloha and Slotted Aloha.
처리량에 나타난 순수 알로하와 슬롯 알로하 비교 트래픽 부하 그림.

2회 연속 프레임타임의 평균 전송 시도량은 2G이다. 따라서 연속 프레임타임의 모든 쌍에 대해, 이 두 프레임타임 동안 k 전송 시도가 있을 확률은 다음과 같다.

따라서 t-Tt+T(따라서 성공적인 전송) 사이에 0의 전송 시도( r p e 가 있을 확률은 다음과 같다.

처리량은 전송 시도율에 성공 확률을 곱한 값으로 계산할 수 있으며, 처리량( r 은 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.

r = - 2 취약시간=2T.

최대 처리량은 프레임타임당 0.5/e 프레임(G = 0.5일 때 측정)으로, 프레임타임당 약 0.184프레임이다. 이는 퓨어 ALOHA에서는 약 18.4%의 시간만이 성공적인 전송을 위해 사용된다는 것을 의미한다.

Pure ALOHA(및 슬롯형 ALOHA)에서 처리량에 대한 방정식을 설정하는 또 다른 간단한 방법은 다음과 같다.

프레임이 성공적으로 전송되기 위해서는 어떤 일이 일어나야 하는지 생각해 보십시오. T가 프레임 시간을 나타내도록 하자. 간단히 말해서, 경합은 t=0에서 시작된다고 가정한다. 그런 다음 interval t=0에서 t=T로 정확히 하나의 노드를 보내고 t=T에서 t=2T로 다른 노드를 시도하지 않으면 프레임이 성공적으로 전송된다. 마찬가지로 다음 모든 시간 간격 t=2nT ~ t=(2n+1)T에서 정확히 한 노드가 송신하고 t=(2n+1)T에서 t=(2n+2)T에서 t=(2n+2)T에서 n=1,3, ...에서 송신하려고 하는 노드는 없다. 그러나 순수 ALOHA에서는 다른 노드가 그 시간에 무엇을 하고 있는지 확인하지 않고 원하는 대로 노드들이 전송을 시작한다. 따라서 송신 프레임은 독립된 이벤트 즉, 특정 노드에 의한 전송은 다른 노드에 의한 전송 시작 시간에 영향을 미치거나 영향을 받지 않는다. G를 기간 T(프레임 시간) 내에 전송을 시작하는 노드의 평균 개수로 한다. 많은 수의 노드가 전송을 시도하고 있다면, 포아송 분포를 사용함으로써, 정확히 X 노드가 T 기간 동안 전송을 시작할 확률은 다음과 같다.

따라서 t=2nT ~ t=(2n+1)T의 특정 기간 동안 (n의 특정 0이 아닌 정수 값에 대한) 정확히 하나의 노드가 전송을 시작할 확률은

그리고 특정 기간 t=(2n+1)T ~ t=(2n+2)T 중에 어떤 노드도 전송을 시작하지 않을 확률은

그러나 프레임의 성공적인 전송을 위해서는 두 사건이 동시에 발생해야 한다. 즉, t=2nT ~ t=(2n+1)T 기간 동안 정확히 하나의 노드가 전송을 시작하고 t=(2n+1)T ~ t=(2n+2)T 기간 동안 어떤 노드도 전송을 시작하지 않는다. 따라서 두 독립 사건이 동시에 발생할 확률은 다음과 같다.

이것이 처리량이다. 처리량은 최소 가능 기간 동안 전송이 성공할 확률을 의미한다. 따라서 순수 ALOHA에서의 처리량은

다음과 같이 가정하십시오.

1) T시에 데이터 전송을 시도하는 N 노드가 있다.
2) 한 노드의 전송 성공 확률은 p 입니다

그 후 다음과 같이 전송에 성공할 확률은 다음과 같다.

슬롯형 ALOHA의 경우와 마찬가지로, 정확히 하나의 노드가 특정 시간 슬롯의 시작(프레임 시간 T와 동일)에서 전송을 시작한다면 프레임도 성공적으로 전송될 것이다. 그러나 특정 시간 간격 동안 한 노드가 시작될 확률은

이것은 슬롯형 ALOHA의 처리량이다. 그러므로,

순수 ALOHA의 단점:

1) 시간낭비
2) 데이터 손실

슬롯형 ALOHA

Graph of frames being sent from 8 different stations according to the slotted ALOHA protocol with respect to time, with frames in the same slots shaded to denote collision.
슬롯형 ALOHA 프로토콜. 상자는 액자를 나타낸다. 음영 상자는 동일한 슬롯에 있는 프레임을 나타낸다.

원래의 ALOHA 프로토콜의 개선은 이산 시간대를 도입하고 최대 처리량을 증가시킨 "슬롯트 ALOHA"이다.[15] 스테이션은 타임슬롯의 시작에만 전송을 시작할 수 있으므로 충돌이 감소한다. 이 경우 충돌은 각 시간 슬롯 동안만 발생할 수 있으므로 연속 2 프레임 타임이 아닌 1 프레임 타임 내의 전송 시도만 고려할 필요가 있다. 따라서 단일 시간표에서 다른 스테이션에 의한 전송 방도가 0일 확률은 다음과 같다.

정확히 k번의 시도가 필요한 전송의 확률은 다음과 같다(k-1 충돌과 1번의 성공).[14]

처리량:

최대 처리량은 프레임타임당 1/e 프레임(G = 1일 때 재조정)으로, 프레임타임당 약 0.368 프레임, 즉 36.8%이다.

슬롯형 ALOHA는 군사력에 의한 저데이터 속도 전술 위성 통신 네트워크, 가입자 기반 위성 통신 네트워크, 이동 전화 통화 설정, 셋톱 박스 통신 및 비접촉식 RFID 기술에서 사용된다.

기타 프로토콜

ALOHAnet에서 랜덤 액세스 채널을 사용함으로써 캐리어 감지 다중 액세스(CSMA)가 개발되었는데, 이는 모든 노드가 동일한 채널에서 송수신할 때 사용할 수 있는 "발송 전 수신 대기" 랜덤 액세스 프로토콜이다. CSMA의 첫 번째 구현은 이더넷이었다. 라디오 채널의 CSMA는 광범위하게 모델링되었다.[16] AX.25 패킷 무선 프로토콜은 ALOHAnet에서 얻은 경험에 기초하여 충돌 복구와 CSMA 접근방식을 기반으로 한다.[17]

ALOHA와 다른 랜덤 액세스 프로토콜은 처리량과 지연 성능 특성에 내재된 가변성을 가진다. 이러한 이유로, 결정론적 로드 동작이 매우 필요한 애플리케이션은 경합 시스템 대신 폴링 또는 토큰 패스 방식(예: 토큰 링)을 사용하기도 했다. 예를 들어 ARCNET은 1980년 네트워크의 임베디드 데이터 애플리케이션에서 인기 있었다.

디자인

네트워크 아키텍처

ALOHAnet 설계의 대부분을 지시하는 두 가지 기본적인 선택은 네트워크의 2채널 별 구성과 사용자 전송을 위한 무작위 액세스 사용이었다.

2채널 구성은 주로 중앙 시간 공유 컴퓨터에 의해 사용자에게 반환되는 비교적 밀도가 높은 총 트래픽 스트림의 효율적인 전송을 가능하게 하기 위해 선택되었다. 별자리 구성의 또 다른 이유는 각 사용자 노드에서 원래의 올하드웨어 터미널 제어 장치(TCU) 비용을 최소화하기 위해 중앙 네트워크 노드(메네후네)에서 가능한 많은 통신 기능을 중앙 집중화하려는 욕구가 있었다.

사용자와 메네후네 간의 통신을 위한 임의 액세스 채널은 인터랙티브 컴퓨팅의 트래픽 특성을 위해 특별히 설계되었다. 재래식 통신 시스템에서 사용자는 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 또는 시간 분할 다중 접속(TDMA) 기준으로 채널의 일부를 할당할 수 있다. 시간 공유 시스템[circa 1970]에서는 컴퓨터와 사용자 데이터가 폭발적으로 증가한다는 것이 잘 알려져 있었기 때문에, 이러한 고정된 할당은 일반적으로 트래픽을 특징짓는 높은 피크 대 평균 데이터 전송 속도 때문에 대역폭을 낭비한다.

ALOHAnet은 버스트 트래픽에 대한 대역폭의 보다 효율적인 사용을 달성하기 위해 순수 ALOHA 채널로 알려진 랜덤 액세스 패킷 스위칭 방법을 개발했다. 이 접근방식은 전송해야 할 데이터가 있는 사용자에게 대역폭을 효과적으로 즉시 할당하며, 앞에서 설명한 승인/재확보 메커니즘을 사용하여 간헐적인 액세스 충돌을 처리한다. 저충돌률을 유지하기 위해서는 평균 채널 로딩이 약 10% 미만으로 유지되어야 하지만, 이는 버스트 트래픽 컨텍스트에서 고정된 할당을 사용할 때보다 더 나은 대역폭 효율을 낳는다.

실험용 UHF 대역의 100kHz 채널 2개가 사용자 대 컴퓨터 랜덤 액세스 채널과 컴퓨터 대 사용자 방송 채널에 각각 사용되었다. 시스템은 스타 네트워크로 구성되어 중앙 노드만이 임의 액세스 채널에서 전송을 수신할 수 있도록 했다. 모든 사용자 TCU는 브로드캐스트 채널의 중앙 노드에 의해 만들어진 각각의 전송을 수신했다. 모든 전송은 9600비트/s의 버스트 방식으로 이루어졌으며, 데이터와 제어 정보는 패킷으로 캡슐화되었다.

각 패킷은 32비트 헤더와 16비트 헤더 패리티 체크 워드로 구성되었고, 그 다음으로는 최대 80바이트의 데이터와 16비트 패리티 체크 워드가 뒤따랐다. 헤더에는 메네후네가 패킷을 브로드캐스트할 때 의도한 사용자의 노드만이 패킷을 수신할 수 있도록 특정 사용자를 식별하는 주소 정보가 포함되어 있었다.

메네후네

중앙 노드 통신 프로세서는 "imp", 즉 왜소인을 뜻하는 하와이어 단어인 메네후네(Menehune)라고 불리는 HP 2100 미니콤푸터였으며,[18] 거의 동시에 배치되고 있던 원래의 ARPANET 인터페이스 메시지 프로세서(IMP)와 유사한 역할로 이름이 붙여졌다. 원래 시스템에서 메네후네는 올바르게 수신된 사용자 데이터를 IBM System 360/65 시간 공유 시스템인 UH 중앙 컴퓨터에 전송했다. 360에서 발신되는 메시지는 메네후네에 의해 패킷으로 변환되었으며, 메네후네는 대기열에 들어가 9600비트/s의 데이터 전송 속도로 원격 사용자에게 브로드캐스트되었다. 사용자 TCU의 반이중 라디오와는 달리 메네후네는 전이중 라디오 장비로 라디오 채널에 접속하고 있었다.[19]

원격 단위

이 시스템에 대해 개발된 원래의 사용자 인터페이스는 ALOHAnet TCU(Terminal Control Unit)라고 불리는 올하드웨어 장치였으며, 단자를 ALOHA 채널에 연결하는 데 필요한 유일한 장비였다. TCU는 UHF 안테나, 송수신기, 모뎀, 버퍼 및 제어 장치로 구성되었다. 버퍼는 80자 길이의 풀 라인 길이로 설계되어 시스템에 대해 정의된 40자 및 80자 길이의 고정 길이 패킷을 모두 처리할 수 있었다. 원래 시스템의 일반적인 사용자 단말기는 표준 RS-232C 인터페이스를 사용하여 TCU에 연결된 텔레타입 모델 33이나 멍청한 CRT 사용자 단말기로 구성되었다. 원래의 ALOHA 네트워크가 가동된 직후 TCU는 최초의 Intel 마이크로프로세서 중 하나로 재설계되었으며, 그 결과 업그레이드는 PCU(Programmable Control Unit)라고 불렸다.

TCU와 PCU에 의해 수행된 추가적인 기본 기능은 패킷 오류 탐지를 위한 주기 패리티 체크 코드 벡터의 생성과 수신 패킷의 디코딩 그리고 단순한 임의 간격 생성기를 사용한 패킷 재전송의 생성이었다. 규정된 횟수의 자동 재전송 후 메네후네로부터 수신확인을 받지 못한 경우, 점멸등을 인간 사용자에게 나타내는 지표로 사용하였다. 또한, TCU와 PCU는 메네후네에 수신확인을 보내지 않았기 때문에, 수신한 패킷에서 에러가 검출되었을 때, 인간 사용자에게 일정한 경고등이 표시되었다. 따라서 PCU뿐만 아니라 TCU의 초기 설계에 상당한 단순화가 통합되어, 그것이 인간 사용자를 네트워크에 접속시키고 있다는 사실을 이용하였음을 알 수 있다.

후기 개발

이후 버전의 시스템에서는 오아후 섬의 주 네트워크를 하와이의 다른 섬으로 연결하는 간단한 무선 릴레이가 가동되었고, 메네후네 라우팅 기능이 확장되어 사용자 노드가 다른 사용자 노드, ARPANET, 실험 위성 네트워크와 패킷을 교환할 수 있게 되었다. 자세한 내용은 아래 추가 읽기 섹션에 나열된 기술 보고서를 참조하십시오.

참조

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추가 읽기

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  • R. 바인더, ALOHAnet Protocols, ALOHA System Technical Report, College of Engineering, The University of Hawaya, 1974년 9월.
  • R. 바인더, W.S. 라이, M. 윌슨, The ALOHAnet Menehune – 버전 II, ALOHA System Technical Report, College of Engineering, The University of Hawaya, 1974년 9월.
  • N. Abramson, The ALOHA System Final Technical Report, Advanced Research Projects Agency, Contract Number NAS2-6700, 1974년 10월 11일.
  • N. 에이브람슨 "패킷 방송 채널의 처리량", IEEE 통신 거래, Vol 25 No 1, pp117–128, 1977년 1월.
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외부 링크