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알로하넷

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목차

1. 개요

알로하넷은 1968년 하와이 대학교에서 개발된 무선 데이터 통신 네트워크로, 저렴한 무선 장비를 사용하여 오아후 섬과 다른 하와이 섬의 사용자들을 중앙 컴퓨터에 연결하는 것을 목표로 했다. 이 네트워크는 임의 접근 방식을 사용하여 통신 프로토콜의 복잡성을 줄였으며, 순수 알로하 방식을 통해 각 클라이언트가 전송 시기를 제어하지 않고 데이터를 전송하도록 했다. 알로하넷은 이더넷과 Wi-Fi의 기반이 되었으며, 슬롯형 알로하와 같은 변형 프로토콜은 위성 통신, 무선 데이터 네트워크 등에서 활용되었다. 알로하넷은 1970년대 초 이더넷 개발에 영향을 미쳤으며, 이후 이동 통신 기술 발전에도 기여했다.

2. 역사

알로하넷은 1970년 하와이 대학교에서 노먼 앱럼슨 등이 개발한 초기 컴퓨터 네트워크 설계 중 하나이다. 이는 아마추어 무선과 같은 시스템을 사용하여 대학의 분산된 캠퍼스 간을 연결, 컴퓨터 네트워크를 구축하려는 시도였다. 알로하는 ARPANET과 동등한 중요성을 가지는데, 전송에 공유 매체를 사용했다는 점이다. 유선으로 연결된 두 지점 간의 통신으로 구성된 ARPANET과 달리, 알로하는 동일한 주파수에서 모든 노드가 통신을 수행했다. 따라서 특정 시점에 어떤 노드가 전송할 수 있는지 제어하는 시스템이 필요했다. 알로하가 직면한 문제는 (스위치가 없는) 이더넷 및 Wi-Fi 네트워크에서의 문제와 유사했다.

알로하는 데이터 전송에 텔레타이프를 사용했기 때문에 전송 속도는 80자/초를 넘는 경우가 드물었다. 두 스테이션이 동시에 전송을 시도하면 혼신으로 인해 둘 다 전송 내용이 손상되었고, 이 경우 수동으로 데이터를 다시 전송해야 했다. 알로하는 이 문제를 해결하지 않고서는 유용한 네트워크를 만들 수 없음을 증명했고, 이는 팔로알토 연구소의 로버트 메트칼프 등 다른 사람들의 관심을 끌었다. 메트칼프 등은 이더넷 프로토콜을 개발하게 되었다.

알로하 네트워크는 장치 전송 충돌을 해결하기 위해 무작위 다중 접속 메커니즘을 도입했다. 확인 응답이 없으면 즉시 패킷을 전송하고, 받지 못한 경우 무작위 대기 시간 후에 전송을 반복했다.[8] 또한, 모든 클라이언트에게 직접 패킷을 브로드캐스팅하고 각 패킷의 주소를 사용하여 선택적으로 수신할 수 있도록 두 번째 공유 주파수에서 나가는 허브 채널을 사용했다.[4] 허브로의 송수신 통신에는 별도의 주파수가 사용되어 장치가 전송에 관계없이 확인 응답을 수신할 수 있었다.

수신 확인을 받지 못한 패킷의 재전송을 위한 무작위 대기 시간의 확률 분포는 알로하 유형 통신 시스템의 안정성에 매우 중요하다. 재전송 평균 대기 시간은 일반적으로 동일한 클라이언트 노드에서 새 패킷을 생성하는 평균 시간보다 짧지만, 네트워크 안정성을 저해하고 전체 처리량의 붕괴를 일으킬 정도로 짧아서는 안 된다.[9]

2. 1. 개발 배경

알로하넷(ALOHA network)은 1968년 9월 하와이 대학교에서 노먼 앱럼슨(Norman Abramson)과 프랭클린 쿠오(Franklin Kuo) 등의 지휘 아래 개발이 시작된 초기 컴퓨터 네트워킹 설계 중 하나이다.[6] 이 네트워크의 목표는 저렴한 상업용 무선 장비를 사용하여 오아후 섬(Oahu)과 다른 하와이 섬의 사용자를 오아후 본교 캠퍼스의 중앙 시분할 컴퓨터에 연결하는 것이었다.

알로하는 원래 "Additive Links On-line Hawaii Area"의 두문자어였다.[7]

알로하의 초기 버전은 허브 구성에서 두 개의 서로 다른 주파수를 사용했다. 허브 머신은 ''아웃바운드'' 채널을 통해 모든 사람에게 패킷을 브로드캐스팅하고, 다양한 클라이언트 머신은 ''인바운드'' 채널을 통해 허브에 데이터 패킷을 전송했다. 허브에서 데이터가 올바르게 수신되면 짧은 확인 패킷이 클라이언트에 전송되었고, 클라이언트 머신에서 확인 응답을 받지 못하면 무작위 시간 간격 후에 데이터 패킷을 자동으로 재전송했다. 이 확인 메커니즘은 두 클라이언트 머신이 동시에 패킷을 전송하려고 시도할 때 생성되는 충돌을 감지하고 수정하는 데 사용되었다.

알로하넷의 주요 중요성은 클라이언트 전송을 위한 공유 매체의 사용이었다. ARPANET과 달리, 알로하넷에서는 모든 클라이언트 노드가 동일한 주파수로 허브와 통신했다. 이는 누가 어떤 시간에 통신할 수 있는지 제어하기 위한 메커니즘이 필요하다는 것을 의미했다. 알로하넷은 각 클라이언트가 전송 시기를 제어하지 않고 데이터를 전송하도록 허용하고, 충돌을 처리하기 위해 확인/재전송 체계를 구현하였다. 이 방식은 프로토콜 및 네트워킹 하드웨어의 복잡성을 획기적으로 줄였다.

이 솔루션은 순수 알로하 또는 임의 접근 채널로 알려지게 되었으며, 이후의 이더넷 개발과 Wi-Fi 네트워크의 기반이 되었다.[5]

2. 2. 초기 구현 및 ARPANET과의 연결

알로하넷(ALOHA network)의 개발은 1968년 9월 하와이 대학교에서 노먼 앱럼슨(Norman Abramson)과 프랭클린 쿠오(Franklin Kuo)의 지휘 아래 시작되었다.[6] 이들은 토마스 가더 (Thomas Gaarder), 수 린(Shu Lin), 웨슬리 피터슨(Wesley Peterson), 에드워드 ("네드") 웰던(Edward ("Ned") Weldon)과 함께, 저렴한 상업용 무선 장비를 사용하여 오아후 섬(Oahu)과 다른 하와이 섬의 사용자를 오아후 본교 캠퍼스의 중앙 시분할 컴퓨터에 연결하는 것을 목표로 했다.[6]

1971년 6월, 첫 번째 패킷 방송 장치가 가동되었다. 터미널은 RS-232를 사용하여 특수 목적의 ''터미널 연결 장치''에 9600 bit/s 속도로 연결되었다.[6]

알로하의 초기 버전은 허브 구성에서 두 개의 서로 다른 주파수를 사용했다. 허브 머신은 ''아웃바운드'' 채널을 통해 모든 사람에게 패킷을 브로드캐스팅하고, 다양한 클라이언트 머신은 ''인바운드'' 채널을 통해 허브에 데이터 패킷을 전송했다. 허브에서 데이터가 올바르게 수신되면 짧은 확인 패킷이 클라이언트에 전송되었다. 클라이언트 머신에서 확인 응답을 받지 못하면 무작위로 선택된 시간 간격 후에 데이터 패킷을 자동으로 재전송했다. 이 확인 메커니즘은 두 클라이언트 머신이 동시에 패킷을 전송하려고 시도할 때 생성되는 충돌을 감지하고 수정하는 데 사용되었다.[6]

알로하넷은 모든 클라이언트 노드가 동일한 주파수로 허브와 통신했다는 점에서 ARPANET과 달랐다. 이는 누가 어떤 시간에 통신할 수 있는지 제어하기 위한 메커니즘이 필요함을 의미했다. 알로하넷은 각 클라이언트가 전송 시기를 제어하지 않고 데이터를 전송하도록 허용하고, 충돌을 처리하기 위해 확인/재전송 체계를 구현했다. 이 방식은 프로토콜 및 네트워킹 하드웨어의 복잡성을 획기적으로 줄였다.[5]

이 솔루션은 순수 알로하 또는 임의 접근 채널로 알려지게 되었으며, 이후의 이더넷 개발과 Wi-Fi 네트워크의 기반이 되었다.[5] 슬롯 알로하와 같은 알로하 프로토콜의 다양한 버전은 나중에 위성 통신에서도 나타났으며, ARDIS, Mobitex, CDPD, GSM과 같은 무선 데이터 네트워크에서도 사용되었다.[5]

1972년에는 노먼 앱럼슨이 로렌스 로버츠의 지원을 통해 IMP를 입수하여 미국 본토와 ARPANET으로 연결했다. 이는 ARPANET에 처음으로 다른 네트워크가 연결된 사례이다.

2. 3. 한국으로의 기술 도입 및 발전

스탠퍼드 대학교 공학 교수이자 서퍼였던 노먼 앱럼슨은 1969년 하와이 주를 방문하여 하와이 대학교에서 일자리를 얻었다. 1970년, 그는 하와이 대학교 직원이 되어 로렌스 로버츠의 지원을 받아 하와이 제도 간 무선 데이터 통신 시스템 개발에 참여했다.

1970년 말, 이 시스템은 세계 최초의 무선 패킷 교환 네트워크로 실용화되었다. 앱럼슨은 로버츠의 도움을 받아 IMP를 입수하여 1972년 미국 본토와 ARPANET으로 연결했다. 이는 ARPANET에 처음으로 다른 네트워크가 연결된 사례였으며, 이후 네트워크 간 연결이 급증했다.

ALOHA 프로토콜의 변종(Slotted ALOHA 등)은 이후 무선 데이터 네트워크용 무선 프로토콜로 발전하여 ARDIS, Mobitex, CDPD, GSM 등에 활용되었다.

3. ALOHA 프로토콜

알로하 프로토콜은 시분할 다중접속 기술을 사용하여 위성과 지구 사이의 무선 전송을 하는 프로토콜이다. 사용자는 언제든지 데이터를 전송할 수 있지만, 다른 사용자의 메시지와 충돌할 위험이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방식이 개발되었다.


  • 순수 알로하 (Pure ALOHA): 데이터를 보내고, 충돌이 발생하면 나중에 재전송하는 간단한 방식이다. 최대 처리량은 약 18.4%이다. (자세한 내용은 하위 섹션 '''순수 알로하''' 참조)
  • 슬롯형 알로하 (Slotted ALOHA): 시간을 슬롯으로 나누어 각 사용자가 슬롯 시작 시에만 전송하도록 하여 충돌을 줄였다. 최대 처리량은 약 36.8%이다. (자세한 내용은 하위 섹션 '''슬롯형 알로하''' 참조)
  • 예약형 알로하 (Reservation ALOHA): 슬롯을 성공적으로 사용한 스테이션이 해당 슬롯을 예약하는 방식이다. 슬롯형 알로하보다 지연 시간이 짧고 활용률이 높다. (자세한 내용은 하위 섹션 '''예약형 알로하''' 참조)
  • 기타 변형 프로토콜:
  • 패킷 예약 다중 접속(PRMA): 암시적 예약 방식으로, 슬롯형 알로하와 유사하게 동작하지만, 하나의 지상국이 "자유 슬롯"을 통해 전송에 성공하면 해당 슬롯을 예약하게 된다. 최대 채널 효율은 80%까지 향상된다.[16]
  • 수요 할당 다중 접속(DAMA): 명시적 예약 방식으로, 위성 통신에서 자주 사용된다. 예약 단계와 TDM 단계로 구성되며, 예약 단계에서는 슬롯형 알로하처럼 동작하고, TDM 단계에서는 예약된 슬롯을 통해서만 전송한다. 최대 채널 효율은 80%까지 향상된다.


알로하넷의 임의 접근 채널 사용은 반송파 감지 다중 접속(CSMA) 개발로 이어졌다. AX.25 패킷 무선 프로토콜은 알로하넷의 경험을 바탕으로 CSMA 방식을 기반으로 하며, CSMA/CD는 초기 버전의 이더넷에서 사용되었다.[17]

3. 1. 순수 알로하 (Pure ALOHA)

알로하 프로토콜의 초기 버전(현재는 순수 알로하(Pure ALOHA)라고 함)은 매우 간단했다.

  • 보낼 데이터가 있으면 데이터를 보낸다.
  • 데이터를 전송하는 동안 다른 스테이션에서 데이터를 수신하면 메시지 충돌이 발생한 것이다. 모든 전송 스테이션은 '나중에' 재전송을 시도해야 한다.


순수 알로하는 전송 전에 채널이 사용 중인지 확인하지 않는다. 충돌이 발생할 수 있고 데이터를 다시 보내야 할 수 있으므로 ALOHA는 통신 채널의 용량을 100% 효율적으로 사용할 수 없다. 스테이션이 재전송할 때까지 얼마나 오래 기다리는지, 그리고 충돌이 발생할 가능성은 서로 관련되어 있으며, 둘 다 채널을 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는지에 영향을 미친다. 즉, '나중에 재전송'이라는 개념이 중요한 측면이다. 선택한 백오프 방식의 품질은 프로토콜의 효율성, 궁극적인 채널 용량 및 동작의 예측 가능성에 상당한 영향을 미친다.

순수 ALOHA를 평가하려면 프레임의 (성공적인) 전송 속도인 처리량을 예측해야 한다.[10] 먼저 몇 가지 단순화된 가정을 한다.

  • 모든 프레임은 길이가 같다.
  • 스테이션은 전송 또는 전송을 시도하는 동안 프레임을 생성할 수 없다. 즉, 스테이션이 프레임을 전송하거나 재전송하려는 동안에는 더 많은 프레임을 생성하여 보낼 수 없다.
  • 전송을 시도하는 스테이션의 집단(새로운 전송 및 재전송 모두)은 푸아송 분포를 따른다.


T는 채널에서 하나의 프레임을 전송하는 데 필요한 시간을 나타내고, ''프레임 시간''을 T와 같은 시간 단위로 정의한다. G는 전송 시도 횟수에 대한 푸아송 분포에 사용된 평균을 나타낸다. 즉, 평균적으로 G 전송 시도가 '프레임 시간'당 있다.

프레임을 성공적으로 전송하려면 어떤 일이 일어나야 하는지 고려해 보자. t는 프레임을 보내려는 시간을 나타낸다. t부터 시작하여 하나의 프레임 시간 동안 채널을 사용하는 것이 바람직하며, 이 시간 동안 다른 모든 스테이션은 전송을 자제해야 한다.

모든 프레임 시간 동안 해당 프레임 시간 동안 k 전송 시도가 있을 확률은 다음과 같다.

:\frac{G^k e^{-G}}{k!}

두 개의 연속적인 프레임 시간에 대한 평균 전송 시도 횟수는 2G이다. 따라서 두 개의 연속적인 프레임 쌍에 대해 해당 두 개의 프레임 시간 동안 k 전송 시도가 있을 확률은 다음과 같다.

:\frac{(2G)^k e^{-2G}}{k!}

따라서 t-T와 t+T 사이에 전송 시도가 없는 확률(Prob_{pure}, 즉 성공적인 전송을 위한 확률)은 다음과 같다.

:Prob_{pure}=e^{-2G}

처리량은 전송 시도 속도에 성공 확률을 곱하여 계산할 수 있으며, 처리량(S_{pure})은 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.

:S_{pure}=Ge^{-2G}

최대 처리량은 프레임 시간당 0.5/e 프레임(G=0.5일 때 도달)이며, 이는 프레임 시간당 약 0.184 프레임이다. 즉, 순수 ALOHA에서는 성공적인 전송에 약 18.4%의 시간만 사용된다.

3. 2. 슬롯형 알로하 (Slotted ALOHA)

알로하 프로토콜의 개선판인 슬롯형 알로하는 이산 시간 슬롯을 도입하여 최대 처리량을 증가시켰다.[11] 스테이션은 시간 슬롯의 시작에서만 전송을 시작할 수 있으므로 충돌이 감소한다. 이 경우, 충돌은 각 시간 슬롯 동안에만 발생할 수 있으므로 2개의 연속 프레임 시간이 아닌 1 프레임 시간 내의 전송 시도만 고려해야 한다.

단일 시간 슬롯에서 다른 스테이션의 전송 시도가 0일 확률은 다음과 같다.

:Prob_{slotted} = e^{-G}

정확히 k번의 시도가 필요한 전송의 확률은 (k-1번의 충돌과 1번의 성공) 다음과 같다.[10]

:Prob_{slotted} k = e^{-G} ( 1 - e^{-G} )^{k-1}

처리량은 다음과 같다.

:S_{slotted}=Ge^{-G}

최대 처리량은 프레임 시간당 ''1/e'' 프레임(''G'' = 1일 때 도달)으로, 프레임 시간당 약 0.368 프레임 또는 36.8%이다.

슬롯형 알로하는 군대에서 저 데이터 속도의 전술적 통신 위성 네트워크, 가입자 기반 위성 통신 네트워크, 이동 전화 통화 설정, 셋톱 박스 통신 및 비접촉식 RFID 기술에 사용된다.

3. 3. 예약형 알로하 (Reservation ALOHA)

예약형 ALOHA(Reservation ALOHA, R-ALOHA)는 슬롯형 ALOHA의 효율성을 개선하기 위해 시도된 방식이다. 예약형 ALOHA는 현저히 짧아진 지연 시간과 더 높은 활용률을 효율적으로 지원한다는 장점을 가진다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 예약형 ALOHA는 80% 활용률에서 20~36% 활용률을 보이는 슬롯형 ALOHA보다 더 적은 지연 시간을 보인다.[12]

슬롯형 ALOHA와 예약형 ALOHA의 주요 차이점은, 슬롯형 ALOHA에서는 이전 사용 여부와 관계없이 모든 슬롯을 사용할 수 있다는 점이다. 반면 예약형 ALOHA의 경합 기반 예약 방식에서는 슬롯이 성공적으로 사용된 스테이션에 의해 일시적으로 "소유"된 것으로 간주된다. 또한 예약형 ALOHA는 스테이션이 전송을 완료하면 데이터 전송을 단순히 중단한다. 일반적으로 유휴 슬롯은 모든 스테이션에서 사용할 수 있으며, 스테이션은 경합을 통해 암묵적으로 해당 슬롯을 예약(사용)할 수 있다.

3. 4. 기타 변형 프로토콜

알로하 프로토콜은 사용자가 언제든지 전송할 수 있지만, 다른 사용자의 메시지와 충돌할 위험이 있는 방식이었다. 패킷이 준비되면 바로 방송(브로드캐스트)되며, 충돌이 발생하면 일정 시간 후에 재전송되었다. 이를 개선한 것이 슬롯형 알로하(Slotted Aloha)인데, 채널을 시간대별로 나누어 각 사용자는 시간대의 시작 부분에서만 전송할 수 있도록 하여 충돌 위험을 줄였다.[16]

패킷 예약 다중 접속(PRMA)은 암시적 예약 방식이다. 일정 수의 슬롯이 프레임을 구성하고, 각 프레임 이후 위성은 이전 프레임의 각 슬롯 상태를 방송하여 다음 프레임의 해당 슬롯 예약 상태를 나타낸다. 전송을 원하는 지상국은 다음 프레임의 "자유 슬롯" 동안 슬롯형 알로하와 동일하게 경쟁한다. 하나의 지상국이 "자유 슬롯" 동안 전송하면 해당 슬롯을 예약하고, 이후 모든 프레임에서 해당 슬롯은 암시적으로 예약된다. 예약된 슬롯이 있는 지상국이 보낼 데이터가 없으면 전송을 중단하여 예약을 포기한다. 슬롯형 알로하의 최대 채널 효율은 36%이고, PRMA는 최대 채널 효율을 80%까지 향상시킨다.[16]

알로하넷에서 임의 접근 채널을 사용하면서, 모든 노드가 동일한 채널에서 송수신할 때 사용할 수 있는 "전송 전 감지" 임의 접근 프로토콜인 반송파 감지 다중 접속(CSMA)이 개발되었다. AX.25 패킷 무선 프로토콜은 알로하넷의 경험을 바탕으로 충돌 복구를 사용하는 CSMA 방식을 기반으로 한다.[17] CSMA의 변형인 CSMA/CD는 초기 버전의 이더넷에서 사용되었다.

알로하와 다른 임의 접근 프로토콜은 처리량과 지연 성능에 고유한 가변성이 있다. 따라서 고도로 결정적인 부하 동작이 필요한 애플리케이션은 경쟁 시스템 대신 마스터/슬레이브 또는 토큰 패싱 방식(예: 토큰 링 또는 ARCNET)을 사용할 수 있다.

4. 하드웨어

알로하넷의 중앙 노드 통신 프로세서는 '메네후네(Menehune)'라고 불리는 HP 2100 미니컴퓨터였다. 이는 난쟁이를 뜻하는 하와이어 단어[18]로, 비슷한 시기에 배치된 최초의 ARPANET 인터페이스 메시지 프로세서(IMP)와 유사한 역할을 수행했기 때문에 명명되었다. 초기 시스템에서 메네후네는 올바르게 수신된 사용자 데이터를 IBM System 360/65 시분할 시스템인 UH 중앙 컴퓨터로 전달했다. 360에서 발신되는 메시지는 메네후네에 의해 패킷으로 변환되었으며, 9600 bit/s의 데이터 속도로 대기열에 추가되어 원격 사용자에게 브로드캐스트되었다. 사용자 TCU의 반이중 라디오와 달리, 메네후네는 전이중 라디오 장비를 통해 라디오 채널에 연결되었다.[19]

이 시스템을 위해 개발된 최초의 사용자 인터페이스는 ALOHAnet 터미널 제어 장치(TCU)라고 불리는 모든 하드웨어 장치였으며, 터미널을 ALOHA 채널에 연결하는 데 필요한 유일한 장비였다. TCU는 UHF 안테나, 송수신기, 모뎀, 버퍼 및 제어 장치로 구성되었다. 버퍼는 80자 전체 줄 길이로 설계되어 시스템에 정의된 40자 및 80자 고정 길이 패킷을 모두 처리할 수 있었다. 초기 시스템의 일반적인 사용자 터미널은 표준 RS-232 인터페이스를 사용하여 TCU에 연결된 텔레타이프 모델 33 또는 단순 CRT 사용자 터미널로 구성되었다. 최초의 ALOHA 네트워크가 가동된 직후, TCU는 최초의 인텔 마이크로프로세서 중 하나로 재설계되었으며, 그 결과 업그레이드는 프로그래밍 가능 제어 장치(PCU)라고 불렸다.

TCU 및 PCU가 수행하는 추가적인 기본 기능으로는 사이클 중복 검사 코드 벡터 생성 및 패킷 오류 감지를 위한 수신된 패킷 디코딩, 그리고 간단한 임의 간격 생성기를 사용한 패킷 재전송 생성이 있었다. 정해진 횟수의 자동 재전송 후 메네후네로부터 응답이 수신되지 않으면 깜박이는 표시등이 사용자에게 표시되었다. 또한 TCU 및 PCU는 메네후네에 응답을 보내지 않기 때문에, 수신된 패킷에서 오류가 감지되면 사용자에게 고정 경고등이 표시되었다. 사용자를 네트워크에 연결하기 위해 TCU 및 PCU의 초기 설계에 상당한 단순화가 통합되었다.

이후 시스템 버전에서는 오아후 섬의 주요 네트워크를 하와이의 다른 섬에 연결하기 위해 간단한 라디오 릴레이가 가동되었으며, 메네후네 라우팅 기능은 사용자 노드가 다른 사용자 노드, ARPANET 및 실험적인 위성 네트워크와 패킷을 교환할 수 있도록 확장되었다.[4]

ALOHAnet은 하와이 주 전역에서 9600보의 무선 모뎀을 사용하여 운용되었다. 두 개의 100kHz 채널(주파수 대역)을 사용했으며, 하나는 413.475MHz의 "브로드캐스트 채널", 다른 하나는 407.350MHz의 "랜덤 액세스 채널"로 지정되었다. 네트워크는 스타형으로, 중앙의 허브가 되는 컴퓨터(HP 2100)가 랜덤 액세스 채널을 수신하여 모든 메시지를 수신하고, 수신한 메시지를 브로드캐스트 채널로 전체에 전송(브로드캐스트)했다. 브로드캐스트 채널에 전송하는 것은 허브뿐이므로, 여기에서는 충돌이 발생하지 않았다. 그 후, 허브처럼 기능하는 리피터가 추가되어, 통신 가능 범위가 넓어지고, 네트워크로서의 편의성도 향상되었다.

패킷에는 32비트 헤더와 16비트 패리티 체크가 있으며, 그 뒤에 80바이트 데이터 본체와 16비트 패리티 체크가 이어진다.

5. 네트워크 구조

알로하넷 설계의 핵심은 네트워크의 2채널 스타 구성과 사용자 전송에 임의 접근 방식을 사용한 것이다.[1]

2채널 구성은 중앙 시분할 컴퓨터가 사용자에게 보내는 데이터 트래픽을 효율적으로 전송하기 위해 선택되었다. 스타 구성은 각 사용자 노드의 하드웨어 장치(TCU) 비용을 최소화하고, 통신 기능을 중앙 네트워크 노드(Menehune)에 집중시키기 위해 선택되었다.[1]

사용자와 Menehune 간 통신에는 임의 접근 채널이 사용되었는데, 이는 대화형 컴퓨팅의 트래픽 특성에 맞게 설계되었다. 기존 통신 시스템과 달리, 알로하넷은 주파수 분할 다중 접속이나 시분할 다중 접속 방식 대신, 사용자가 데이터를 전송할 때 즉시 대역폭을 동적으로 할당하는 '순수 알로하 채널' 방식을 사용했다. 이 방식은 접근 충돌을 처리하기 위해 승인 및 재전송 메커니즘을 사용하며, 평균 채널 로딩을 10% 미만으로 유지하여 대역폭 효율성을 높였다.[1]

구현된 시스템에서는 100kHz 채널 2개가 사용되었는데, 하나는 사용자-컴퓨터 임의 접근 채널, 다른 하나는 컴퓨터-사용자 방송 채널이었다. 시스템은 스타 네트워크로 구성되어 중앙 노드만 임의 접근 채널에서 전송을 수신하고, 모든 사용자 TCU는 중앙 노드의 방송 채널 전송을 수신했다. 전송은 9600bit/s로 버스트 방식으로 이루어졌으며, 데이터와 제어 정보는 패킷으로 캡슐화되었다.[1]

각 패킷은 32비트 헤더와 16비트 헤더 패리티 검사 워드, 최대 80바이트의 데이터와 데이터에 대한 16비트 패리티 검사 워드로 구성되었다. 헤더에는 사용자 식별 주소 정보가 포함되어, Menehune이 패킷을 방송할 때 의도된 사용자 노드만 패킷을 수락했다.[1]

ALOHAnet 이전의 컴퓨터 간 통신은 모뎀을 사용하여 데이터를 아날로그신호로 변환, 전화선 등을 통해 점대점 방식으로 전송되었다.[2] 반면, ALOHAnet은 운영자 개입 없이 언제든 데이터를 전송하고 여러 컴퓨터가 동시에 통신할 수 있는 진정한 네트워크였다.[2]

ALOHAnet은 두 노드가 동시에 전송할 때 발생하는 신호 간섭 문제를 해결하기 위해 여러 방법을 고려했다.[2] 주파수 분할 다중화는 각 노드가 다른 주파수를 사용하는 방식이지만, 네트워크 확장에 따라 많은 주파수 대역을 수신할 수 있는 고가의 장비가 필요하다는 단점이 있었다.[2] 시분할 다중화는 각 노드에 전송 허용 시간 슬롯을 할당하는 방식이지만, 노드 수가 증가하면 시간 슬롯 낭비와 전송 속도 저하 문제가 발생한다.[2]

ALOHAnet은 이들과 달리 ''Carrier Sense Multiple Access''(CSMA) 방식을 채택했다. 각 노드는 전송할 프레임이 있을 때 즉시 전송하며, 메시지를 작은 패킷으로 분할하고 패킷 사이에 시간을 비워 다른 노드가 패킷을 전송할 수 있게 했다.[2]

두 노드가 동시에 브로드캐스트를 시작하면 데이터 파괴가 발생하는데, ALOHAnet은 패킷 전송 후 중앙 허브의 응답을 기다리는 방식으로 문제를 해결했다. 메시지가 돌아오지 않으면 재전송하고, 대기 시간은 임의로 설정하여 충돌을 피했다.[2] 이 방식은 네트워크 전체 용량을 활용하고 사전 설정 없이 노드를 추가할 수 있다는 장점이 있지만, 네트워크 혼잡 시 충돌이 증가하여 혼잡 붕괴 현상이 발생할 수 있다.[2]

Slotted ALOHA는 허브가 정기적으로 클록 패킷을 보내고, 각 국은 클록 패킷 수신 직후에만 패킷을 전송하는 방식이다. 이를 통해 충돌 확률을 줄이고 채널 이용률을 향상시켰다.[2]

낮은 이용률은 저렴한 비용으로 이어진다. 로버트 메트칼프는 이 시스템을 수정하여 이더넷을 개발했고, 이는 CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection)로 불린다.[2]

ALOHAnet은 하와이 주 전역에서 9600보의 무선 모뎀을 사용하여 운용되었다. 413.475MHz의 "브로드캐스트 채널"과 407.350MHz의 "랜덤 액세스 채널" 두 개의 100kHz 채널을 사용했다. 네트워크는 스타형으로, 중앙 허브 컴퓨터(HP 2100)가 랜덤 액세스 채널을 수신하여 모든 메시지를 받고, 브로드캐스트 채널로 전송했다. 이후 리피터가 추가되어 통신 범위와 네트워크 편의성이 향상되었다.[2]

패킷은 32비트 헤더, 16비트 패리티 체크, 80바이트 데이터 본체, 16비트 패리티 체크로 구성된다. ARPANET과 연결 후, ALOHA가 IP 패킷을 사용했는지, 오아후 섬의 국에서 변환하여 기존 패킷 형식을 사용했는지는 불분명하다.[2]

6. 기술적 의의 및 영향

알로하넷은 초기 컴퓨터 네트워크 설계 중 하나로, 1970년 하와이 대학교에서 개발되었다. 이는 저렴한 상업용 무선 장비를 사용하여 하와이 섬들 간의 사용자들을 중앙 컴퓨터에 연결하는 것을 목표로 했다.[6]

알로하넷의 주요 중요성은 클라이언트 전송을 위한 공유 매체의 사용이었다. ARPANET과 달리, 알로하넷에서는 모든 클라이언트 노드가 동일한 주파수로 허브와 통신했다.[5] 이는 누가 어떤 시간에 통신할 수 있는지 제어하기 위한 메커니즘이 필요함을 의미했다. 알로하넷은 각 클라이언트가 전송 시기를 제어하지 않고 데이터를 전송하도록 허용하고, 충돌을 처리하기 위해 확인/재전송 체계를 구현했다.[5] 이 방식은 프로토콜 및 네트워킹 하드웨어의 복잡성을 획기적으로 줄였다.

이 솔루션은 순수 알로하 또는 임의 접근 채널로 알려지게 되었으며, 이후의 이더넷 개발과 Wi-Fi 네트워크의 기반이 되었다.[5] 슬롯 알로하와 같은 알로하 프로토콜의 다양한 버전은 위성 통신 및 무선 데이터 네트워크에서도 사용되었다.[5]

알로하넷은 무작위 다중 접속 메커니즘을 도입하여 장치 전송 충돌을 해결했다. 확인 응답이 없으면 즉시 패킷을 전송하고, 받지 못하면 무작위 대기 시간 후 재전송했다.[8]

또한, 알로하넷은 두 번째 공유 주파수에서 나가는 허브 채널을 사용하여 모든 클라이언트에게 직접 패킷을 브로드캐스팅하고, 각 패킷의 주소를 사용하여 선택적으로 수신할 수 있도록 했다.[4]

1970년대에 ALOHA 랜덤 액세스는 초기 이더넷 케이블 기반 네트워크[20]와 마리셋(현재 인마샛) 위성 네트워크[21]에 사용되었다.

1980년대 초 모바일 네트워크용 주파수가 사용 가능해졌고, 1985년에는 와이파이로 알려지게 된 기술에 적합한 주파수가 미국에서 할당되었다.[22] 이러한 규제 변화로 ALOHA 랜덤 액세스 기술은 와이파이와 이동 통신 네트워크 모두에서 사용할 수 있게 되었다.

ALOHA 채널은 1980년대 1G 이동 전화에서 신호 및 제어 목적으로 제한적으로 사용되었다.[23] 1980년대 후반, GSM은 이동 통신에서 무선 채널에 액세스하기 위해 ALOHA 채널의 사용을 크게 확대했다. 또한, SMS 메시지 기능이 2G 이동 전화에 구현되었다. 2000년대 초, 범용 패킷 라디오 서비스(GPRS)가 도입되면서 2.5G 및 3G 이동 전화에 추가 ALOHA 채널이 추가되었다.[24]

참조

[1] 학술대회 The ALOHA System - Another Alternative for Computer Communications https://www.clear.ri[...] AFIPS Press
[2] 저널 The ALOHA System 1995-01-11
[3] 저널 Computer Networks–The ALOHA System http://apps.dtic.mil[...] Report of the Office of Naval Research 1981
[4] 학술대회 ALOHA packet broadcasting - A retrospect http://www.computer.[...] AFIPS Press
[5] 저널 The Alohanet - surfing for wireless data [History of Communications] http://dl.comsoc.org[...] 2009-12
[6] 저널 Development of the ALOHANET 1985-03
[7] 서적 Måalamalama: A History of the University of Hawai'i https://books.google[...] University of Hawaii Press 2015-08-02
[8] 서적 Communication Networks: A Concise Introduction Morgan & Claypool Publishers series
[9] 논문 Bistable Behavior of Aloha-Type Systems 1975-04
[10] 서적 Computer Networks https://archive.org/[...] Prentice Hall PTR
[11] 저널 ALOHA Packet System With and Without Slots and Capture 1975-04
[12] 웹사이트 Aloha Simulation Validations - Computer Science - Provided by Laynetworks.com http://www.laynetwor[...]
[13] 서적 Multiple Access Protocols for Mobile Communications: GPRS, UMTS and Beyond https://www.google.c[...]
[14] 서적 Wireless Networks and Mobile Computing https://www.google.c[...]
[15] 서적 Technology Trends in Wireless Communications https://www.google.c[...]
[16] 저널 Packet switching in Radio Channels: Part I – Carrier Sense Multiple Access Modes and their Throughput-Delay Characteristics http://my.fit.edu/~k[...] 2017-11-01
[17] 웹사이트 AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio http://www.tapr.org/[...] Tucson Amateur Packet Radio 2014-01-06
[18] 웹사이트 Menehune 2011-08-11
[19] 저널 Computer Networks - the ALOHA System https://nvlpubs.nist[...] 2014-07-12
[20] 저널 Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks 1976-07
[21] 저널 MARISAT - A maritime satellite communications system https://www.comsatle[...] 1977
[22] 웹사이트 Authorization of Spread Spectrum Systems Under Parts 15 and 90 of the FCC Rules and Regulations http://www.marcus-sp[...] Federal Communications Commission 1985-06-18
[23] 학술대회 Throughput-Delay Characteristics and Stability Considerations of the Access Channel in a Mobile Telephone System
[24] 학술대회 A System for Broadcast Communication: Reservation-ALOHA 1973-01
[25] 서적 Proc. 1970 Fall Joint Computer Conference AFIPS Press
[26] 저널 The ALOHA system
[27] 서적 Proc. 1975 National Computer Conference AFIPS Press
[28] 저널 The ALOHAnet – Surfing for Wireless Data http://dl.comsoc.org[...] 2009-12
[29] 서적 Måalamalama: A History of the University of Hawai'i https://books.google[...] University of Hawaii Press 2015-08-02


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