计算机网络学习笔记 3.4 流量控制与可靠传输机制

前言

参考王道书。
后续会进一步整理，包括添加笔记内容，标明参考资料。

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一、流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

流量控制与可靠传输机制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。

数据链路层和传输层流量控制的比较

数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的。

• 数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认。
• 传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告。

流量控制的方法

• 停止等待协议
• 滑动窗口协议
  • 后退N帧协议（GBN）
  • 选择重传协议（SR）

停止-等待协议基本原理

每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。

• 停止-等待协议也是一种特殊的滑动窗口协议。

滑动窗口协议基本原理

• 后退N帧协议（GBN）
• 选择重传协议（SR）

对比

• 停止-等待协议：发送窗口大小 = 1，接收窗口大小 = 1;

• 后退N帧协议（GBN）：发送窗口大小 > 1，接收窗口大小 = 1

• 选择重传协议（SR）：发送窗口大小 > 1，接收窗口大小 > 1

可靠传输、滑动窗口、流量控制

可靠传输：发送端发啥，接收端收啥。

流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧。

数据链路层中流量控制机制和可靠传输机制是交织在一起的。

滑动窗口解决：

• 流量控制（收不下就不回复确认，想发也发不了）
• 可靠传输（发送方自动重传）

可靠传输机制

随着技术发展，可靠传输基本不再由数据链路层负责，而是由传输层负责，在《计算机网络》（第七版）中就将可靠传输放在了传输层中。

数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制来完成。

确认是一种无数据的控制帧，这种控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收。有些情况下为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中，称为捎带确认。

超时重传是指发送方在发送某个数据帧后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧,直到发送成功为止。

自动重传请求

自动重传请求（Auto Repeat reQuest，ARQ）通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧，是通信中用于处理信道所带来差错的方法之一。

传统自动重传请求分为三种：

• 停止-等待（Stop-and-Wait）ARQ
• 后退N帧（Go-Back-N）ARQ
• 选择性重传（Selective Repeat）ARQ。

后两种协议是滑动窗口技术与请求重发技术的结合，由于窗口尺寸开到足够大时，帧在线路上可以连续地流动，因此又称其为连续ARQ协议。

二、停止-等待协议

停止-等待协议究竟是哪一层的？

• 《计算机网络》（第七版）将停止-等待协议放在了传输层。

• 王道书放在了数据链路层。

为什么要有停止-等待协议?

除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。

丢包：物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因，会导致数据包的丢失。

研究停等协议的前提?

• 虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据，一方接收数据（半双工）。

• 因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪一个层次上传送的。

“停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。

停等协议有几种应用情况?

• 无差错情况
• 有差错情况

无差错情况

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

每发送1个数据帧就停止并等待，因此用1bit来编号就够。

有差错情况

1.数据帧丢失或检测到帧出错

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

注意：

• 发完一个帧后，必须保留它的副本。
• 数据帧和确认帧必须编号。

2.AСК丢失

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

3.ACK迟到

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

停等协议性能分析

• 简单
• 信道利用率太低

$信道利用率U=\frac{T_0}{T_0+RTT+T_A}$

信道利用率

发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率。

信道利用率 = ( L / C ) / T

• T：发送周期（从开始发送数据，到收到第一个确认帧为止的时间）
• L：T内发送L比特数据
• C：发送方数据传输率

信道吞吐率 = 信道利用率 × 发送方的发送速率

例：

一个信道的数据传输率为4kb/s ，单向传播时延为30ms ，如果使停止-等待协议的信道最大利用率达到80%要求的数据帧长度至少为多少比特？

答案：
80% = (L/4) / (L/4 + 2 × 30ms)
L = 960 bit

拓展：流水线技术

• 发送方一次可以发出多个分组。

• 使用滑动窗口协议控制发送方和接收方所能发送和接收的分组的数量和编号。

• 每收到一个确认，发送方就把发送窗口向前滑动。

• 接收方一般采用累积确认的方式。

• 采用回退N帧协议进行重传。

注意：

• 必须增加序号范围。
• 发送方需要缓存多个分组。

三、后退N帧协议（GBN）

后退N帧协议是为了克服停止等待协议信道利用率低的缺点而产生的。

• 是连续ARQ协议的一种

后退N帧协议中的滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号。

接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号。

GBN滑动窗口长度

发送窗口：

• 若采用 n 个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W_T应满足：1 ≤ W_T ≤ 2ⁿ - 1。因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧。

接收窗口：

• 1帧

发送与接收步骤

这里设置发送窗口大小为5

1. 拷贝0号帧和1号帧
   
2. 接收方接收0号帧，回复确认帧ACK 0

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

3. 接收窗口往前滑动一格

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

4. 发送端接收到确认帧ACK 0，发送窗口往前移动一格

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

GBN发送方必须响应的三件事

上层的调用

上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满。
如果未满，则产生一个帧并将其发送；
如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满，上层等一会再发送。(实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧）。

收到了一个ACK

GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，说明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

超时事件

协议的名字为后退N帧，来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。就像在停等协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时，发送方重传所有己发送但未被确认的帧。

GBN接收方要做的事

正确按顺序收到n号帧

那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。

其余情况

丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息: expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）。

运行中的GBN

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

GBN协议重点总结

• 累积确认（偶尔捎带确认）
• 接收方只按顺序接收帧，不按序则无情丢弃
• 确认序列号最大的、按序到达的帧
• 发送窗口最大为 2ⁿ - 1，接收窗口大小为1

例：

数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是（  ）。

  A. 2  B. 3  C. 4  D. 5

解析：
累计确认，只需要看收到的确认帧中编号最大的，即3号确认帧，重发时3号和3号前的帧都不用重发，3号帧后面的帧都需要重发，即需要重发4、5、6、7帧，共4帧。

答案：C

GBN协议性能分析

优点：

• 因连续发送数据帧而提高了信道利用率

缺点：

• 在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使得传送效率降低。

四、选择重传协议（SR）

选择重传协议是为了解决后退N帧协议累计确认导致的批量重传问题。

解决方法：设置单个确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

选择重传协议中的滑动窗口

这里设置：帧的编号：0-8，用3个bit；发送窗口和接收窗口都是4个

SR发送方必须响应的三件事

上层的调用

从上层收到数据后， SR发送方检查下一个可用于该帧的序号：

• 如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；
• 否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层，之后再传输。

收到了一个ACK

• 如果收到ACK，且该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。
• 如果该帧序号是窗口的下界（最左边第一个窗口对应的序号），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。
• 如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

超时事件

每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

SR接收方要做的事

来者不拒(窗口内的帧)

SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧（收谁确认谁） ，直到所有帧（即序号更小的帧）皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

• 期望收到5号帧，但收到了6号帧，则缓存6号帧
  
• 收到了5号帧和7号帧，则接收窗口向前移动
  
  

如果收到了窗口序号外（小于窗口下界）的帧，就返回一个ACK

运行中的SR

注：图中ACK N 应该为ACK N+1，表示确认收到N帧，期望收到N+1帧

滑动窗口长度

窗口长度可以无限吗？不可以。

情况一

情况二

• 发送窗口最好等于接收窗口。(大了会溢出，小了没意义)
• W_Tmax = W_Rmax = 2^n-1（避免二义性）
  • T：发送窗口
  • R：接收窗口
  • n：标序号的bit个数

SR协议重点总结

1. 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
2. 只重传出错帧
3. 接收方有缓存
4. W_Tmax = W_Rmax = 2^n-1

例：

数据链路层采用了选择重传（SR）协议，发送方已经发送了编号为0~3的帧。现已收到1号帧的确认，而0、2号帧依次超时，则发送方需要重传的帧数是（  ）。

  A.2  B.3  C.4  D.5

答案：A
解析：
这里不看确认，只关注哪些帧超时，重传超时的帧。