可靠数据传输基本原理

可靠数据传输是指：数据可以通过一条可靠信道来传输。传输的数据不会受到损失或者丢失，而且所有数据都是按照其发送顺序进行交付。

我们都知道IP层是不可靠传输的，而TCP是可靠传输的，但是TCP是传输层的协议，这就要求设计一个合理的协议机制，当底层丢失的时候，需要如何处理。下面一步步构造可靠数据传输协议。称之为rdt协议。

rdt1.0

在rdt1.0中，我们先考虑一个最简单的情况，即底层信道是完全可靠的。当然，现实中没有完全可靠的信道，因为信息在传输的过程中有噪声影响（引起误差），并且信道容量需要遵循香农公式（引起丢失），一旦信息超过了信道容量，那么信息一定会有丢失。

我们来使用有限状态机（FSM）来描述接收方和发送放的状态变化。如下图所示：

 FSM描述图中的箭头指示来一个协议从一个状态变迁到另一个状态。引起变迁的事件写在横线的上方，事件发生时采取的动作写在下方。虚线表示初始状态。上图中的接收方和发送方都只有一个状态。

rdt_send（）事件接受上层的数据，产生一个分组（使用make_pkt()产生).,并且发送到信道中。

rdt_rcv()事件从底层信道接受一个分组。从分组中取出数据（extract()来完成），并将数据传输到较高层。

我们还需要假定接收方和发送方的数据传输速率是一致的。

有了这些，所有的分组都是经过这条可靠信道传输的，完全不用担心会出现差错，因此，接受方也无需给发送方返回任何信息。这样，可靠传输就完成了。

rdt2.0

在rdt2.0中，我们假设底层信道是只具备“比特可能受损”的特性。按照通信原理的内容具体来看，就是指在传输过程中的误码或者是误信率。

正如我们日常生活中一样，数据错误的时候需要重新发送，在rdt2.0中采用的是自动重传协议（ARQ），一旦出现错误，那么可靠数据传输协议就会自动重传数据。当然，我们需要确定什么时候需要重传，如何告诉发送方，重传。因此，rdt2.0相比于1.0版本而言，增加了一下机制：

1. 差错检测

2. 接收方反馈

3. 重传

差错检测可以使用检验和，接收方反馈的情况无非就是“肯定确认”（ACK）和“否定确认”（NAK）。当发送方接收到接收方反馈回来的NAK消息时，发送方重传该分组。

 

发送方有两个状态，分别是等待上层传下来的数据以及等待接收方反馈回来的消息。当上层传输下来数据后，就调用rdt_send()发送数据。然后进入等待接收方反馈消息的状态。如果反馈的是ACK，那么说明数据无误，进入等待上层数据状态；如果反馈消息是NAK，那么重发分组，并且继续等待接收方的反馈消息，直到等到ACK消息，才进入等待上层数据状态。需要注意，在这种情形下，不能在等待ACK和NAK的时候从上层获取数据。称之为“停等”协议。

接收方在rdt2.0中仍旧只有一个状态，当数据到达之后，计算校验和，然后反馈给发送方ACK或者NAK。

rdt2.0协议的致命缺陷是没有考虑到NAK和ACK分组可能会受损。

解决这个问题的一个简单办法给分组中添加一个新字段：编号。即把发送数据分组的序号放在该字段。这样，接收方只需要检测序号就能发现是否重传了分组。rdt2.0是“停等”的，因此，只需要一位序号就够了。因为只有接收方和发送方都确认该分组传输完成了，才会传输下一个分组。只要前后两次分组的编号是不同的即可，不需要管分组编号是否重复。

发送方

 接收方的状态也有4种，它反映出了希望接受的分组是0还是1。需要注意的是当接收方接收到的分组是失序的（也就是它正确接受了上一个分组），它返回ACK，当然也必须这样返回，因为这就是出现了第一次返回ACK受损。

如果序号正确，但是分组受损，那么返回一个NAK消息。如果不返回NAK，而是返回对上一个正确接受分组的ACK，这也能实现一样的效果。因为发送方收到以后就知道，你没有成功接受上一个分组之后的分组。也就是说，接收方只返回ACK即可，如果返回的ACK中的编号是发送方刚才发送的，那么说明接收正确；如果返回的ACK的编号是上次发送方上一次发送的数据编号，那么说明接受错误。

接收方

经过上面的改造就形成了rdt2.1版本，此时我们的信道仍旧是只具备“比特可能受损”的特性。

rdt3.0

在rdt2.0中，我们假设的信道模型是只具备“比特可能受损”的特性。这距离真实的信道模型仍旧有一些差距。现在在rdt3.0中，我们假设信道模型是“即可能发生传输误差，也可能产生丢失”。这样就基本和实际是相符的。

那么在rdt3.0中存在的新问题就是如何解决丢失的数据的重传问题，其他的问题在rdt2.0中就已经解决了。

一个实际情况可能是发送方发送数据，在信道传输的过程中丢失了（其中最重要的丢失原因就是，路由器缓存溢出了）。那么接收方只能等待（不做任何反应）。我们的解决方案是“发送方在一个合理的时间内等待ACK”。如果一旦超出这个时间还没有收到ACK，那么发送方就重传；但是如果接收方收到了数据，但是ACK在途中丢失了，这也会导致发送方重传，这样数据就会重复，这个问题在rdt2.0中由“编号”已经解决了。问题的难点是如何把握一个“合理的时间”，这个时间的长短选取才是问题的难点所在。

发送方状态机

 我们在rdt3.0中引入了定时器，它来帮助我们解决丢失重传。到此为止，rdt3.0基本上解决了传输过程中出现差错的问题以及丢失问题。但是rdt3.0的性能很差，这是由于它是一个“停等”协议。它需要停下来等待接收方返回的ACK。下面这个示例表明了问题的严重性。

 也就是下图中的往返时间RTT占据的时间太长了，正如上面的示例，8微秒发送，但是RTT确长达30ms。

 

到此为止，rdt3.0看起来能用了，但是实际上仍旧无法实际实现。革命尚未成功，同志仍需努力。

在下一篇中，我们解决了这个性能底下的问题。