Sieć Aloha

Sieć Aloha jest pierwszym znanym systemem transmisji danych cyfrowych drogą ra­diową. Została ona opracowana w roku 1971 w Uniwersytecie Hawajskim i uważana jest obecnie za protoplastę systemów rozsiewczej transmisji pakietów. Nowatorstwo tego rozwiązania polegało nie tylko na zastosowaniu transmisji radiowej, lecz rów­nież na wykorzystaniu rywalizacyjnego, niekontrolowanego protokołu dostępu do łą­cza, który może być uważany za przodka protokołów stosowanych teraz powszechnie w sieciach lokalnych, np. w sieci Ethernet.

Względy organizacyjne (przynależność do jednej instytucji) pozwalają wprawdzie rozpatrywać sieć Aloha jako sieć lokalną, jednak pozostałe jej cechy, takie jak zasięg i prędkość transmisji, są charakterystyczne raczej dla sieci rozległych.

Architektura sieci Aloha

Aloha jest siecią o strukturze scentralizowanej i topologii drzewiastej. Elementami składowymi sieci są:

• centrum komputerowe, wyposażone w komputer obliczeniowy,

• komputer stykowy (ang. front-end computer), zwany Menehune, pełniący funkcje komunikacyjne,

• terminale proste TCU (ang. Terminal Control Unit),

• koncentratory PCU (ang. Packet Control Unit),

• stacje pośredniczące (przekaźniki).

Architektura sieci Aloha przedstawiona jest na poniższym rysunku.

Dwukierunkowość łącza uzyskiwana jest metodą rozdziału częstotliwości FDD. Wy­korzystywane są dwie częstotliwości nośne:

• 407,350 MHz dla transmisji danych z terminali do stacji centralnej,

• 413,475 MHz dla kierunku przeciwnego.

Szerokość pasma obu kanałów wynosi 100 kHz, a prędkość transmisji - 24 kb/s. Stosowana jest modulacja PSK. .

Stacja centralna posiada łączność ze wszystkimi terminalami, natomiast terminale nie mogą komunikować się między sobą bezpośrednio.

Protokół łącza radiowego

Dane w sieci Aloha przekazywane są w ramkach. W strukturze ramki można wyróż­nić nagłówek oraz pole informacyjne. Początek ramki stanowi preambuła o długości 100 bitów, służąca do synchronizacji pracy stacji. Nagłówek o długości 32 bitów za­wiera adres użytkownika i przekaźnika oraz typ i długość ramki. Pole informacyjne, występujące jedynie w ramkach zawierających dane, może mieć długość 320 lub 640 bitów (40 lub 80 B). Zarówno nagłówek, jak i pole informacyjne, chronione są indy­widualnie 16-bitowymi cyklicznymi sumami kontrolnymi CRC. Strukturę ramki sieci Aloha pokazano na rysunku 4.8.

Preambuła	Nagłówek	CRC nagłówka	Pole informacyjne	CRC danych
100b	32b	16b	320 lub 640b	16b

Rys. 4.8. Format ramki sieci Aloha

Protokół dostępu terminali do łącza radiowego sieci Aloha jest losowy, z możliwością wystąpienia kolizji. Jeżeli stacja lokalna ma ramkę do nadania, rozpoczyna transmisję niezależnie od stanu zajętości łącza. Kolizje nie są w żaden sposób wykrywane, dlate­go też konieczne jest potwierdzenie poprawnego odbioru pakietu przez stację central­ną. Jeśli w określonym czasie (zazwyczaj 200 - 1500 ms) potwierdzenie nie przyjdzie, powtarza się transmisję ramki.

Protokół dostępu stacji centralnej do łącza jest sterowany przez tę stację. Ze względu na konieczność możliwie szybkiego wysłania potwierdzenia poprawnego odbioru ramki wprowadzone są dwie kolejki nadawanych pakietów: jedna, o wyższym prio­rytecie, dla potwierdzeń i jedna dla "zwykłych" odpowiedzi stacji centralnej. Odbiór pakietu zawierającego taką odpowiedź musi zostać potwierdzony przez stację lokalną, problemy może jednak stwarzać wykorzystanie do tego celu łącza o dostępie loso­wym. Dlatego też przyjęto numerację ramek wyjściowych oraz następujący algorytm: stacja centralna nie wyśle kolejnej ramki, dopóki nie odbierze potwierdzenia popraw­nego odbioru ramki poprzedniej. Z kolei terminal, odbierając następną ramkę, przyj­muje, że jej potwierdzenie zostało odebrane przez stację centralną.

1.3.1. Protokół z dostępem swobodnym - ALOHA

Najprostszym protokołem rywalizacyjnym jest protokół z dostępem swobodnym, zwany również prostym protokołem ALOHA (Pure ALOHA).

Zasada działania tego protokołu polega na tym, że użytkownik wysyła do stacji centralnej in-formację. W momencie jej wygenerowania, możliwe jest wystąpienie kolizji informacji. Użyt-kownicy wówczas zauważają ten problem podczas odbioru ze stacji centralnej i ponawiają pró-bę połączenia się po losowo dobranym czasie. Dzięki takiemu postępowaniu wykorzystanie kanału jest stosunkowo małe - około 13%.

1.3.2. ALOHA szczelinowa

Możemy zwiększyć współczynnik wykorzystania kanału poprzez synchronizację momentu wy-syłania informacji. Skala czasu podzielona jest na segmenty o długości równej czasowi po-trzebnemu do przesłania informacji. Użytkownik może wysłać swoją informację tylko w od-powiednich szczelinach czasowych. Sprawność wykorzystania kanału dla tego protokołu wy-nosi około 26%.

1.3.3. ALOHA z rezerwacją

Protokoły ALOHA i ALOHA szczelinowa nie są protokołami skutecznymi, jeżeli pracujący w sieci użytkownicy chcą nadawać zarówno krótkie, jak i długie informacje. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie protokołu ALOHA z rezerwacją. Użytkownicy mający zamiar wy-słać dłuższe informacje, rezerwują kilka szczelin czasowych. Sprawność sieci wzrasta do 70%.

Protokoły Aloha

Najstarszym i najszerzej znanym protokołem dostępu do łącza dla sieci bezprzewo­dowej jest protokół stosowany w sieci Aloha. Sieć ta składa się z komputera dużej mocy, wyposażonego w stację centralną, oraz dużej liczby terminali, do których dołą­czone są stacje lokalne. Transmisja ze stacji lokalnej może rozpocząć się kiedykol­wiek, niezależnie od stanu łącza, jeżeli tylko dana stacja ma skompletowaną ramkę do wysłania. W związku z tym w sieci następuje wiele kolizji między ramkami, wysyła­nymi przez różne stacje. Ponieważ w sieci Aloha stacja centralna wysyła potwierdze­nia poprawnego odebrania ramki, brak takiego potwierdzenia w określonym czasie może świadczyć o kolizji ramek; ramka niepotwierdzona jest wówczas nadawana po­nownie po upływie losowo dobranego czasu według tych samych zasad. Zasadę działania protokołu Aloha ilustruje rysunek 1.

Odmianą protokołu Aloha jest tzw. Aloha szczelinowa (ang. Slotted Aloha). W proto­kole tym czas podzielony jest na tzw. szczeliny czasowe (ang. time slot). Każda stacja po skompletowaniu ramki musi wstrzymać się z nadawaniem do momentu rozpoczę­cia najbliższej szczeliny. Jeżeli więcej niż jedna stacja rozpoczęła nadawanie, oczy­wiście wystąpi kolizja; jeżeli jednak daną szczelinę wybrała tylko jedna stacja, to ramka ta nie zostanie zniekształcona przez jakąkolwiek inną ramkę. Mechanizm ten podnosi dwukrotnie przepustowość łącza. Zasadę działania tego protokołu ilustruje rysunek 2.

Protokół CSMA/CA

Protokół CSMA/CA (ang. Carrier Sense Mullipie Access with Collision Avoidance) jest wykorzystywany m.in. w amatorskiej sieci Packet Radio. Po skompletowaniu ramki stacja nadawcza sprawdza stan łącza. Jeśli jest ono wolne, stacja rozpoczyna nadawanie, a jeśli zajęte - transmisja jest wstrzymywana do czasu zwolnienia łącza. W celu wykrycia kolizji lub innych błędów transmisji, stacja odbierająca musi wysłać potwierdzenie (pozytywne lub negatywne) odebrania ramki. Ramki przekłamane są nadawane ponownie.

W protokole tym istnieje możliwość kolizji, jeżeli dwie stacje zaczną nadawać rów­nocześnie lub prawie równocześnie po okresie zajętości łącza. Inną możliwą przyczy­ną kolizji jest opóźnienie propagacyjne, które powoduje błąd oceny stanu łącza (stacja rozpoczyna nadawanie, ponieważ nie odbiera ona jeszcze sygnałów od innej stacji).

Wśród protokołów CSMA wyróżniamy protokoły:

• bez wymuszania transmisji, czyli nietrwałe (ang. nonpersistent), w których stacja, po stwierdzeniu zajętości kanału, losowo dobiera moment następnej próby dostępu;

• z wymuszaniem transmisji z prawdopodobieństwem p, czyli trwale (ang. p-persistent), w których stacja czeka do chwili zwolnienia kanału, po czym dzieli czas na szczeliny i dokonuje prób transmisji z prawdopodobieństwem p w kolejnych szczelinach; długość szczeliny jest równa podwojonemu mak­symalnemu czasowi propagacji w danym kanale.

Niezależnie od wariantu, wysłanie ramki musi być zawsze poprzedzone badaniem stanu kanału. Zasadę działania protokołów CSMA/CA pokazano na rysunku 3.

Protokół CSMA/CA z potwierdzaniem odbioru wykorzystywany jest również w nie­których bezprzewodowych sieciach lokalnych. Nie zapobiega on jednak kolizjom wy­nikłym z faktu wystąpienia zjawiska ukrytej stacji.

6.1.) Protokół Aloha

Protokół Aloha jest najstarszym i najbardziej znanym protokołem dostępu do łącza w sieciach bezprzewodowych. Zasada działania sieci opartej na Aloha jest bardzo prosta. Sieć składa się z jednej jednostki centralnej o dużej mocy, do której podłączone są terminale robocze. Transmisja ze stacji roboczej do jednostki centralnej może odbyć się kiedykolwiek, jeżeli stacja robocza ma skompletowaną ramkę może ją natychmiast wysłać niezależnie od stanu łącza. W ten sposób w sieci powstaje bardzo duża ilość kolizji między ramkami wysyłanymi przez stacje. Ponieważ w sieci opartej na protokole Aloha jednostka centralna wysyła potwierdzenie dla każdej otrzymanej ramki, więc brak takiego potwierdzenia stacja robocza identyfikuje jako kolizje i po upływie losowo wybranego czasu ramka nadawana jest ponownie. Dzieje się tak aż do momentu kiedy stacja robocza otrzyma potwierdzenie od jednostki centralnej o poprawnym otrzymaniu ramki.

Zasada działania protokołu Aloha

Pierwowzorem, a zarazem najbardziej liberalnym protokołem tej klasy był protokół ALOHA, stosowany w sieciach radiowych. W protokole tym nadawanie można rozpocząć w dowolnym momencie, a otrzymanie ramki przez odbiorcę musi być pokwitowane potwierdzeniem, generowanym oddzielnie (poza protokołem dostępu) w określonym przedziale czasu.

Koncentrator

Komputer obliczeniowy

Komputer komunikacyjny

przekaźnik

Rys. 7. Architektura sieci A1oha Uniwersytetu Hawajskiego

Stacja A

Stacja B

kolizja

retransmisja

t

t

Rys. 1. Zasada działania protokołu Aloha

Stacja A

Stacja B

kolizja

retransmisja

t

t

szczeliny czasowe

Rys. 2. Zasada działania protokołu s-Aloha

Badanie stanu kanału

t

kanał zajęty

opóźnienie próby transmisji

nonpersistent

1-persistent

p-persistent (p<1)

Rys. 3. Zasada działania protokołów CSMA/CA

---