计算机网络学习笔记（四）——差错控制、停等协议、回退N帧、选择性重传、滑动窗口、数据链路层HDLC、PPP协议、有限状态机

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生，针对本学期学校开设的计算机通信网课程，将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理，其中的瑕疵欢迎大家向我指正，在评论区多多交流讨论。

概念

一、差错控制

1、停等协议

核心：发送方完成一帧数据的发送后，等到接收方应答后再继续传输下一帧的方式；如果没有收到确认帧，发送方将重传数据帧

重传的两种可能性：
（1）接受方负确认（NAK）导致重传：如果是校验出错，不能进行负确认，因为序号可能本身就是错的，只能超时重传；只有当连续发送的帧出现前后序号不一致时进行负确认
（2）超时重传

①发送帧需要编号，便于区分不同的帧，避免重复接收
②确认帧ACK也需要进行编号，以区别不同的确认帧

效率估计

传播延时Tp = 距离/(2/3C) = d/(2/3C) 固体介质如同轴电缆-传输速度为2/3c 传输时间Tr = 帧长/数据传输速率 = L/D 应答时延T = Tr +TA +2Tp ≈ Tr + 2Tp（TA很短）

效率

α = Tr/T = Tr / Tr+2Tp

①α越小，信道空闲比例越大，效率越低
②随着数传速率的增加，效率下降；随着距离的增加，效率在下降

2、回退N帧协议（GoBack_N,GB_N）

核心：发送方连续发送帧，在发送方发现帧出错以后，会从出错的那一帧开始重传后续所有帧

3、选择性重传协议（Selective Repeat,SR)

核心：发送方只重传出错的那一帧

• 接收方将后续帧缓存起来
• 接收方得到重传帧以后，重新排序，向高层递交
  

4、单帧确认和累计确认、捎带应答

单帧确认：对当前帧进行确认（发的N帧的ACK为N）；帧太短而数量多、耗资源
累计确认：累计确认中确认的序号表示期望接收的下一帧的序号，表示此序号之前的帧已经妥收（也要拉大设定的超时的时间）
序号含义不一样，故单帧确认和累计确认不能兼容

捎带应答：接收方在自己的数据帧头放入应答信息——双向传输；减少单独发送确认帧的开销

二、链路层流量控制——滑动窗口机制

窗口

• 发送窗口——发送方能连续发送多少个帧
• 接收窗口——接收方能连续接收多少个帧

滑动

• 根据接收方的确认，发送方可以发送新的帧，移除不需要重传的帧
• 接收方窗口向高层递交后，移除已经交给上层的帧，可以接纳新的帧

循环队列实现滑动窗口，实现连续的FIFO

窗口大小
GB_N：
（1）发送方窗口大小Ws ≥2Tp/（L/D）+1
（2）接收方窗口大小Wr=1
SR：
（1）发送方窗口大小Ws ≥2Tp/（L/D）+1
（2）接收方窗口大小Wr>1；为减少溢出重传，接收方窗口最好大于等于发送窗口即Wr≥Ws
影响因素：发送窗口大小与往返时延有关——连续发送；接收窗口大小与上层处理速度（取走）有关
帧序号容量（从0开始编号）

Nmax+1≥Ws+Wr（保证局部窗口内序号唯一）

假设序号位数为n，则最大窗口大小

①GB_N——窗口大小<=2ⁿ-1
②SR——窗口大小<=2^(n-1)

三、数据链路层典型协议

1、HDLC协议（High-level Data Link Control）

基本：
（1） 面向位同步（成帧）-扩展性强，未限制数据类型
（2） 同步传输（一次传输一块数据）
（3） 格式帧-帧具有一定格式，特殊位置字段有特殊含义，与特殊字符不一样
（4）面向连接

基本工作模式
[1]站点类型：

• 主站（primary）
• 从站（secondary）
• 混合站（combined）

[2]系统配置模型：
①非平衡 - 点对点链路或多点链路-一个主站和多个从站-全双工或半双工
②对称（symmetrical）、平衡 - 点对点链路-两个复合站组成-全双工或半双工
[3]通信模式：

• 一般响应模式（NRM）
• 异步响应模式（ARM）
• 异步平衡模式（ABM）

[4]实例
(1)HDLC Unbalanced
Unbalanced NRM：主站控制通信，从站经主站允许才可发送数据，从站之间通信经过主站
Unbalanced ARM：从站在信道空闲时可发起通信、从站之间通信经过主站

（2）HDLC Symmetrical-两条独立信道

（3）HDLC ABM-必须是混合站，一条信道

HDLC帧格式

①管理帧-主要负责流量控制和差错控制

②无编号帧（unnumbered frames）-5位类型编码，32种；主要用于链路控制

③HDLC的P/F位
发方命令帧P设置1，接收方应答帧F设置1，表示对poll立即应答。
P/F用来判断是否发生阻塞，因对方较长处理延时而对本方造成困惑。

2、PPP协议（Point-to-Point Protocol）

特点

1. 适应PSTN-需要拨号上网，差控流控较弱
2. 面向字符同步：字符填充法、适应异步传输——信道质量差干扰多、兼顾同步传输和块传输
3. 可支持多种网络层协议-以适应多种上层网络
4. 支持用户身份认证—：PAP口令认证、CHAP质询式握手认证协议
5. 支持IP地址协商：客户端可从服务器获取IP

帧格式

工作流程

PPP协议组件及功能

1. 链路控制协议（LCP）：管理PPP链路，包括参数协商，建立、拆除和监控数据链路等
2. 网络控制协议（NCP）：协商所承载网络协议与属性，协商在数据链路上传输的数据包的格式和类型，配置网络层协议
3. 验证协议CHAP和PAP：验证PPP对端设备的合法性

注：
①IP over PPP是无连接协议使用底层面向连接服务的案例
②PPP协商技术-对等实体之间商定某些参数
例MTU（最大传输单元）、认证方式、IP、头部压缩及方法

四、有限状态机——协议验证

协议描述方法：

• 文档——RFC
• 时序图
• 有限状态机FSM

有限状态机四要素：状态、转换、事件、动作
保持状态的事件可以不画

协议验证
（1） 可靠性：
①协议失败、协议死锁-子集只有入没有出
②协议失败-半双工信道的停等协议没有协议失败、全双工信道的停等协议有失败序列
（2） 完备性：状态可达性-所有节点可达
停等协议的验证步骤
（1） 确定变量及状态
（2） 选择正确的状态
（3） 验证可达性
（4） 验证协议死锁
（5） 验证协议失败

参考资料

中国大学MOOC电子科技大学计算机通信网络
计算机网络（第五版） 清华大学出版社 严伟、潘爱民 译