计算机网络——数据链路层-可靠传输的实现机制：停止-等待协议SW（确认与否认、超时重传等，信道利用率及相关练习题）
目录
停止-等待协议SW
确认与否认
超时重传
确认丢失
确认迟到
小结（注意事项）
SW的信道利用率
练习题
接下来的文章将来介绍三种可靠传输的实现机制，它们是：停止-等待协议、回退N帧协议和选择重传协议。需要注意的是，这三种可靠传输实现机制的基本原理并不仅限于数据链路层，可以应用到
计算机网络体系结构的各层协议中，希望在学习时不要把思维局限在数据链路层，而应放眼于整个网络体系结构。
停止-等待协议SW
本篇介绍停止等待协议，如下图所示：
收发双方基于互联网进行通信，而不是局限在一条点对点的数据链路。
确认与否认
纵坐标为时间，发送方给接收方发送数据分组，接收方收到后对其进行差错检测；若没有误码，则接受该数据分组，并给发送方发送确认分组，简称为ACK。
发送方收到对所发送数据分组的确认分组后，才能发送下一个数据分组；假设这个数据分组在传输过程中出现了误码，接收方收到后对其进行差错检测，发现了误码，则丢弃该数据分组，并给发送方发送否认分组，简称为NAK。
发送方收到对所发送数据分组的否认分组后，就知道了之前自己所发送的数据分组出现了差错，而被接收方拒绝，于是立刻重传该数据分组 。
因此，发送方每发送完一个数据分组后，并不能立刻将该数据分组从缓存中删除，只有在收到针对该数据分组的确认分组后，才能将其从缓存中删除。
从这个过程看来，发送方每发送完一个数据分组后，就停止发送下一个数据分组，等待来自接收方的确认分组或否认分组，
- 若收到确认分组则可继续发送下一个数据分组；
- 若收到否认分组则重发之前发送的那个数据分组；
这样就实现了发送方发送什么，接收方最终都能收到什么，也就是所谓的可靠传输。
超时重传
但实际情况远比我们想象的要复杂，来看这种情况：
发送方给接收方发送数据分组，然而该数据分组在传输过程中丢失了。
需要说明的是，对于数据链路层点对点信道而言，不太容易出现这种情况；但对于多个网络通过多个路由器互连的复杂互联网环境而言，这种情况是会经常出现的。
对于这种情况，接收方既然收不到数据分组，那么也就不会无缘无故的发送确认或否认分组；如果不采取其他措施，发送方就会一直处于等待接收方确认或否认分组的状态。
为了解决该问题，可以在发送方发送完一个数据分组时启动一个超时计时器；若到了超时计时器所设置的重传时间，而发送方仍收不到接收方的确认或否认分组，则重传原来的数据分组，这就叫做超时重传。
一般可将重传时间选为略大于从发送方到接收方的平均往返时间，如下图所示：
发送方超时重传之前所发送的数据分组。接收方正确接收重传的数据分组后，给发送方发送确认分组，发送方收到确认分组后，发送下一个数据分组，接收方正确接收该数据分组后，给发送方发送确认分组。
确认丢失
到目前为止，貌似基于停止等待使用确认或否认分组，再加上超时重传的手段就可以实现可靠传输了。但请大家再深入的思考一下：是否还会出现目前这些手段不足以应对实现可靠传输的其他情况呢？
来看这种情况：
既然发送方发送的数据分组可能丢失，那么接收方发送的确认或否认分组就也有可能丢失。
例如：
发送方发送了一个数据分组，接收方正确接收该数据分组后，给发送方发送确认分组，但该确认分组在传输过程中丢失了，这必然会造成发送方对之前所发送数据分组的超时重传；假设这个重传的数据分组，也正确到达了接收方，那么现在问题来了，接收方如何判断该数据分组是否是一个重复的分组呢？
为了避免分组重复这种传输错误，必须给每个数据分组带上序号，例如该数据分组的序号为0，对于停止等待协议，由于每发送一个数据分组，就进行停止等待，只要保证每发送一个新的数据分组
其序号与上次发送的数据分组的序号不同就可以了 。因此用一个比特来编号就够了，即序号0和1。
这样根据数据分组的序号，接收方就可以判断出该数据分组是否是重复的。
接收方丢弃重复的数据分组，并给发送方发送针对该数据分组的确认分组，以免发送方对该数据分组的再次超时重传。
发送方收到针对0号数据分组的确认分组就可以发送下一个数据分组了，其序号为1，接收方正确收到1号数据分组后，给发送方发送确认分组。
确认迟到
我们通过确认分组丢失的情况，引出了给数据分组编号的问题，那么确认分组是否也需要编号呢 ？
来看这种情况：
发送方发送0号数据分组，接收方正确接收后，给发送方发送确认分组，由于某些原因该确认分组迟到了；这必然会导致发送方对0号数据分组的超时重传。
在重传的0号数据分组的传输过程中，发送方收到了迟到的确认分组，于是发送1号数据分组，接收方收到重传的0号数据分组后，发现这是一个重复的数据分组，将其丢弃。
并针对该数据分组给发送方发送确认分组,以免发送方再次超时重传该数据分组。
现在问题来了：
我们可以非常清楚地看到，这是一个对0号数据分组的重复确认；但是发送方又如何知道呢？
如果不采取其他措施的话，发送方会误认为这是对1号数据分组的确认；如果对确认分组也进行编号就可以使发送方避免这种误判，如下图所示：
ACK0确认分组的序号为0，发送方通过确认分组的序号，知道这是一个重复的确认分组，忽略即可；接收方正确接受1号数据分组后，给发送方发送针对该数据分组的确认分组，其序号为1，发送方收到该确认分组后，发送下一个数据分组，序号为0。
请注意该数据分组，与之前序号为0的那个数据分组不是同一个数据分组。
我们用给确认分组编号的方法解决了确认迟到所导致的重复确认的问题 。
需要说明的是，
对于数据链路层的点对点信道，往返时间比较固定，不会出现确认迟到的情况，因此如果只在数据链路层实现停止等待协议，可以不用给确认分组编号。
小结（注意事项）
- 接收端检测到数据分组有误码时，将其丢弃并等待发送方的超时重传。但对于误码率较高的点对点链路，为使发送方尽早重传，也可给发送方发送否认分组（NAK）。
- 为了让接收方能够判断所收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号。由于停止-等待协议的停等特性，只需1个比特编号就够了，即序号0和1。
- 为了让发送方能够判断所收到的确认分组是否是重复的，需要给确认分组（ACK）编号，所用比特数量与数据分组编号所用比特数量一样。数据链路层一般不会出现确认分组迟到的情况，因此，在数据链路层实现停止-等待协议可以不用给确认分组编号。
- 超时计时器设置的重传时间应仔细选择。一般可将重传时间选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。
在数据链路层点对点的往返时间比较确定，重传时间比较好设定；
然而在运输层，由于端到端往返时间非常不确定，设置合适的重穿时间有时并不容易。
SW的信道利用率
接下来我们来看看停止-等待协议的信道利用率，如下图所示：
横坐标为时间。为了简单起见，假设收发双方之间是一条直通的信道 。
发送方发送完一个数据分组后就停止发送，并等待接收方对该数据分组的确认，当收到确认分组后
可以发送下一个数据分组，如此反复进行。
这一段时间是发送方发送数据分组所耗费的发送时延TD：
这一段时间是收发双方之间的往返时间RTT：
这一段时间是接收方发送确认分组所耗费的发送时延TA ：
图中忽略了接收方对数据分组的处理时延，以及发送方对确认分组的处理时延。
这是使用停止-等待协议的发送方从发送一个数据分组开始，到可以发送下一个数据分组为止
所经历的总时间：
因为仅仅是在时间TD内才用来传送有用的数据，也就是数据分组。因此，信道的利用率U可以用下式来计算：
TA一般都远小于TD，可以忽略 ；当RTT远大于TD时，信道利用率会非常低。
例如：
可以看出，
- 当往返时延RTT远大于数据帧发送时延TD时（例如使用卫星链路），信道利用率非常低。
- 若出现重传，则对于传送有用的数据信息来说，信道利用率还要降低。
- 为了克服停-止等待协议信道利用率很低的缺点，就产生了另外两种协议，即回退N帧协议GBN和选择重传协议SR。
练习题
根据题意，可以画出停止-等待协议的示意图：
停止等待协议的信道利用率等于数据帧的发送时延除以数据帧发送时延加端到端往返时延
，也就是两倍的单程传播时延。
设数据帧长度为x个比特，将其与题目所给的相关已知量，代入上式可得：
故最终答案选择D。
最后提一下，像停止-等待协议这种通过确认和重传机制实现的可靠传输协议，常称为自动请求
重传协议ARQ（Automatic Repeat reQuest），意思是重传的请求是自动进行的，因为不需要接收方显式地请求发送方重传某个出错的分组。
END
学习自：湖科大——计算机网络微课堂