可靠数据传输协议 RDT 探究

在计算机网络中，可靠的数据传输，是一个较为重要的问题，最近在看书（Computer Networking A Top-Down Approach），发现 rdt（Reliable Data Transfer） 大概经历了这样的变化。

上图是两个主机相应进程之间的通信过程，左边是发送端，右边是接收端

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rdt 1.0

在 1.0 版本中，我们将数据的传输信道理想化，视为完全可靠，不丢包，不损失bit ，在这样的情况下，发送端发送数据，接收端直接接收，并不考虑丢包，超时这些问题，下图是对应FSM（状态图）

该协议中，都是直接发送，直接接收。

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rdt2.0

果然，大家应该都意识到了，怎么可能这么理想化呢，要是传输通道完全可靠，我们讨论的意义何在呢？
在 rdt2.0 中，我们将传输通道视为有可能发生比特错误。

有可能发生比特错误，这就是说，数据在传输中不会发生丢包的现象，但是会存在一部分比特错误的情况，于是我们引入：

差错检测：使用检验和，换句话讲，就是检验发过来的包有没有错误
接收方的反馈：接收方返回 NAK 或者 ACK ，分别对应数据错误和数据正确，这个也可以理解，总要告诉发送端，你发过来的是对还是错

上图中的corrupt ，在字典里面是 “腐烂，腐化” 的意思，在这里可以理解成包出错。

很容易理解，发送端发出数据，并等待接收端反馈，如果返回 NAK ，表示数据出错，重新发送数据，至于接收端怎么检验数据，不用说，当然是使用检验和啦。

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rdt2.1

经过大家思考，终于发现了 rdt2.0 的致命缺陷，原来接收端返回的值也可能会出错啊，万一NAK出错变成ACK了呢

于是诞生了 rdt2.1 ，该协议在 2.0 基础上增加了一个序号值（在这里，该序号在当前协议中只使用 0 和1 ，交替排列），这样一来，发送端和接收端都有了两种序号状态， 0 和 1 。


我们来用自己的语言，组织一下上面的逻辑：
发送端在 0 序号时发送数据包，接收端此时期待 0 序号的数据包，如果数据发送时发生 bit 受损，此时接收端直接通过检验和发现错误，并返回 NAK ，发送端接到 NAK 的返回值，然后重新发送 0 序号数据包。（但是注意，这完全和 rdt2.0 没有任何分别，这是一种理想的状态！！！）

更错误的状况是，接收端成功接收，但是返回 ACK的时候发生了比特翻转，变成了 NCK ，这才是我们讨论的重点！！接下来，我需要画一张图，来理清楚当返回错误的时候，怎么通过序号来判断并重传数据。

这样就解决了 NAK , ACK 返回值有可能出错的问题。

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rdt2.2

由于相关开发人员的吹毛求疵，他们觉得需要返回 NAK , ACK 两种状态可能太麻烦了，就将其全部改为ACK 只是返回的时候顺便返回序号。


可以看到，接收端收到包，不管正确与否，都返回 ACK ，同时附上序号，这个序号嘞，就是数据包发送过来时的序号。另外的参照上图，相信同学们都能有所收获。

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rdt3.0

可以说，在处理数据出错方面，上面的协议都做得很好了，但是，我们忽略了一个很大的问题，万一数据不是出现错误，而是直接丢失了呢！！这就是我们俗称的丢包了，于是，我们的 rdt3.0 千呼万唤始出来了。

所以在这里，我们假设的是最贴近真实的情况，数据传输通道发送和返回的过程中不仅会出错，而且还会丢包！

因此，我们引入一个新的机制——超时重传。先不考虑数据出错与否，数据发送出去，会有两种丢包可能：1.发送出去的时候丢失，接收端并未收到 。2.接收端收到了，但是在反馈 ACK 的时候，数据包丢失。在这两种情况下，发送端都是什么反馈都没有收到！！，那问题就简单了，我们设置一个时间间隔，超过时间没有收到，重新发送数据即可。（事实上还有很多问题，比如时间间隔多少合适，这里暂且不管）

上图是 rdt3.0 发送方的 FSM 图，就拿右上角的状态举例，此时发送端等待接收方返回的带有“0”序号的 ACK ，它有三种行为：

• 第一种，过程中未丢包，但是数据比特出错或者不符合序号，和我们讨论过的 rdt2.2 差不多，那么此时就没有任何动作，毫无作为就好了，等到时间间隔一到，当做超时处理，重发数据。
• 第二种，是真正的丢包了，所以时间一到，重新发送。
• 第三种最理想，啥事没有，一切正常，跳到下一个状态，等待发送下一个包。

上面我加粗了一个不符合序号，细心的读者可能发现了，的确，在这里又是大有文章。

这里的不符合序号，与期待的序号不符，有两种情况：

1. 接收端反馈过程中，代表序号的那个 bit 错误，进行了翻转——这就和 rdt2.2 中一样

2. 我们上面引入了超时机制，但是有一种情形，万一我发出去的数据包并没有丢失，只是它跑的太慢而已呢？？那么时间一到，发送端误以为丢包，重新发了一遍咋办？？这就造成，接收端才收到你晚来的数据 0 号，还给你个 0 ，这时候你重传的 0 号包接着又到了，接收端又给你一个0 ，作为发送端，我会先后收到两个 0 ，就注定后面一个 0 会被期待 1 号的状态捕捉，这时发送端启动第一种处理方式——不作为，啥都不做。

   
   上面便是示意图。

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到此为止， rdt 3.0 已经被认为是一个较为完美的可靠传输协议了，但是还有着种种的不足，比如：

• 效率太慢，由于停等方式的存在，一个包没处理好，发送端会一直等着。
• 超时机制的时间间隔怎么确定？长了不行，太慢，短了么，又会经常有重复发包的情况。
• …….

• …….

  这些我将会在后续的博客上阐述，敬请期待吧~~