ALOHA

ALOHA ist das Zugriffsverfahren des ALOHAnet, das 1971 an der Universität von Hawaii in Betrieb ging. Es verband die über mehrere Inseln verteilten Standorte per Funk mit dem Rechenzentrum in Honolulu, weil Telefonleitungen zwischen den Inseln zu teuer waren.

Entwickelt hat es Norman Abramson. Die Bedeutung des Systems liegt weniger in seinem Betrieb als in der Frage, die es als erstes beantworten musste: Wie teilen sich viele Sender ein gemeinsames Medium, ohne dass jemand die Reihenfolge vorgibt?

Pure ALOHA

Die Antwort war von entwaffnender Einfachheit. Eine Station, die etwas zu senden hat, sendet einfach. Sie horcht vorher nicht, ob das Medium frei ist.

Danach wartet sie auf eine Bestätigung. Bleibt sie aus, geht die Station von einer Kollision aus, wartet eine zufällige Zeit und wiederholt den Versuch. Die Zufälligkeit ist wesentlich: Bei fester Wartezeit würden die beiden Kollisionspartner erneut gleichzeitig senden.

Die Schwäche ist offensichtlich. Ein Paket wird nicht nur gestört, wenn ein zweites während seiner Übertragung beginnt, sondern auch, wenn es selbst in eine bereits laufende Übertragung hineinfällt. Das gefährdete Zeitfenster ist damit doppelt so lang wie die Sendedauer.

Daraus ergibt sich ein maximaler Durchsatz von rund 18 Prozent der Kanalkapazität. Mehr als ein Fünftel der Funkstrecke ist nicht nutzbar, der Rest geht in Kollisionen und Wiederholungen auf.

Slotted ALOHA

Die Verbesserung kam 1972 von Lawrence Roberts: Die Zeit wird in feste Schlitze unterteilt, und gesendet werden darf nur zu Beginn eines Schlitzes.

Damit kann ein Paket nicht mehr mitten in ein anderes hineinfallen — entweder zwei Stationen beginnen im selben Schlitz, oder sie stören sich gar nicht. Das gefährdete Fenster halbiert sich, und der Durchsatz verdoppelt sich auf rund 37 Prozent.

Der Preis ist ein gemeinsamer Takt, den alle Stationen einhalten müssen.

Der Einfluss auf Ethernet

Robert Metcalfe kannte die ALOHA-Arbeiten, als er bei Xerox PARC Ethernet entwarf. Sein Beitrag war die Frage, warum eine Station nicht einfach vorher horcht, ob das Medium frei ist.

Aus dieser Ergänzung wurde CSMA/CD: Carrier Sense — vor dem Senden lauschen; Multiple Access — alle teilen sich das Medium; Collision Detection — während des Sendens mithören und bei einer Kollision sofort abbrechen, statt das Paket zu Ende zu senden.

Die beiden Zusätze heben den nutzbaren Anteil von 18 auf über 90 Prozent. Der Grundgedanke bleibt aber der von ALOHA: kein Schiedsrichter, zufällige Wartezeit nach dem Konflikt, Wiederholung.

Dasselbe Erbe steckt in CSMA/CA im WLAN, wo Kollisionen nicht erkannt, sondern vermieden werden müssen, weil ein Funkgerät beim Senden nicht gleichzeitig empfangen kann.

Heute

Das ALOHAnet ist längst abgeschaltet. Das Verfahren ist es nicht: Überall dort, wo sehr viele Sender sehr selten sehr kurze Nachrichten absetzen, ist der Aufwand für Abhören oder Zuteilung größer als der Verlust durch Kollisionen.

Anzutreffen ist es deshalb bei RFID-Lesevorgängen mit vielen Transpondern im Feld, in LoRaWAN und bei den Zugriffskanälen von Mobilfunknetzen, über die ein Endgerät seine erste Verbindungsanfrage stellt.