【计算机网络笔记】传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议

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流水线机制与滑动窗口协议

流水线机制允许发送方在收到ACK之前连续发送多个分组。这样链路上同时就可以有很多分组，那么资源的利用率整体就提高了。实现流水线机制需要：

• 更大的序列号范围。原来的0和1这两个序列显然不够用了
• 在发送方和/或接收方需要更大的存储空间以缓存分组

下面是Rdt协议与流水线机制的一个简单对比图：

在计算机网络中要想实现流水线机制就需要滑动窗口协议。

• 窗口是一个抽象的概念，用它管理那些发出去但还没确认的分组。所以窗口也是允许使用的序列号范围。所以如果窗口窗口尺寸为 N，意味着最多有 N个等待确认的消息。
• 滑动窗口。是因为随着协议的运行，窗口在序列号空间内向前滑动。
• 滑动窗口协议：GBN, SR

如下图所示，窗口尺寸是N，窗口左边（绿色的）是那些已经发出且确认的分组，窗口内黄色部分的是发出去但没确认的，如果收到最左边黄色的分组的确认消息，这个窗口就可以向右边滑了，蓝色的代表还可以使用的序列号范围。

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GBN（Go-Back-N）协议

发送方：

• 分组头部包含k-bit序列号
• 窗口尺寸为 N，最多允许 N个分组未确认
• 采用累积确认的机制。也就是说要确认到序列号n(包含n)的分组均已被正确接收
• 为空中的分组设置计时器(timer)

接收方：

• ACK机制: 发送拥有最高序列号的、已被正确接收的分组的ACK
• 对于乱序到达的分组：直接丢弃，并不会缓存这些已经收到的但不是期望的分组。

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SR（Selective Repeat）协议

GBN的缺陷：在重传的时候会重传很多分组，比如当N这个序列号的分组丢失的时候，会重传N以及N以后那些没确认的分组。这样会影响性能。改进的方法是不采用累积确认的机制，而是单个确认，同时也不丢弃那些乱序的分组，而是缓存起来。这就是SR协议。

• 接收方对每个分组单独进行确认。并且设置缓存机制，缓存乱序到达的分组
• 发送方只重传那些没收到ACK的分组。这时需要为每一个分组设置定时器，当某个分组超时后，就重传这个分组
• 发送方窗口没什么变化，依旧是N个连续的序列号，限制已发送且未确认的分组

SR比GBN多了一个接收方的窗口。

窗口前面的是已经接收到的并且按序到达的分组，窗口中灰色的是希望收到但没有收到的，红色的是乱序到达的分组，对于乱序到达的分组，接收方将它们缓存起来并且发送了ACK，当这些分组前面的分组都到达的时候就可以一起提交给上层。蓝色的是还可以接收的序列号范围。

同时要注意发送方的窗口和接收方的窗口是不同步的。彼此并不知道对方的窗口处于什么状态。

下面是一个示例：

同时还要注意：当序列号有k个时，发送方窗口的尺寸和接收方窗口的尺寸和不能大于2^k。