流量传输与可靠传输机制

一、流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

• 流量控制：
  • 概念：较高的发送速度与较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，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：接收方给发送端一个窗口公告
• 可靠传输：发送端发啥，接收端收啥
• 滑动窗口协议分为
  • 后退N帧协议
  • 选择重传协议

二、停止-等待协议

• 1、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(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，会导致数据报(不同层次有不同名字)的丢失)问题。为了实现流量控制

• 2、研究停止-等待协议的前提

  • ①虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论方便，仅考虑一方发送数据(发送方)，一方接收数据(接收方)
  • ②因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪个层次上传送的
  • 停止-等待协议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

• 3、停止-等待协议有几种应用情况

  • 无差错情况
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    • 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(如下图)
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      • 超时时计时器设置的重传时间比帧传输的平均RTT更长一些的原因：发送方和接收方都有传输时延，还有接收方对帧的处理时延
      • 注意点 ：
        • 发送完一个帧后 ，必须保留它的副本
        • 数据帧和确认帧必须编号(因为要知道发送帧与确认帧是否是对应的)
    • ②ACK丢失
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    • ③ ACK迟到
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      • 对于上图中的迟到的ACK0和重传的ACK0，哪个先到就收哪个，然后发送1帧，后来的收到就丢掉

• 4、信道利用率

  • 定义：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
  • 公式： 信道利用率=(L/C)/T，其中L发送方发送的比特数，C为发送发数据传输率，T为发送周期
  • 类似的信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

• 5、停止-等待协议性能分析

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三、后退N帧协议(GBN--Go Back N)

• 1、后退N帧协议中的滑动窗口
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• 2、GBN发送方必须响应的三件事
  • ①上层的调用：上层要发送数据时，发送方要先检错发送窗口是否已满，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。上层等一会儿再发送。(实际现实中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送)
  • ②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，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧
  • ③超时事件：协议的名字为后退N帧/回退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，发送方重传所有已发送但未被确认的帧
• 3、GBN接收方要做的事
  • ①如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧的数据部分交付给上层
  • ②其余情况都丢弃帧，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，只需维护一个信息：expectedseqnum(下一个按序接收的帧序号)
• 4、运行中的GBN
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  • 如上图，2帧丢失，发送方发送后续3帧，4帧，5帧，接收方收到后都直接丢弃，并且返回ACK1，直到2帧超时，发送方重传2帧，然后3，4，5...
• 4、滑动窗口长度
  • 若采用n个比特对帧编号，那么帧的序号应该是0 ~ ，一共有种帧号，如果滑动窗口恰好为，那么当0帧丢失或全部丢失时且窗口满了即窗口中为0 ~ 号帧，重0号帧开始超时重传，但接收方并不能确定该0号帧是超时重传的0号帧还是新的0号帧，所以发送窗口最大为-1，即窗口最多能容纳0~-2号帧，超时重传也只能是这些号帧，而新的帧应该是-1号，故发送窗口大小应满足1 -1
• 5、GBN协议重点总结
  • ①累积确认(偶尔捎带确认--双方通信，接收方发送数据给发送方时可以顺便带上确认帧)
  • ②接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
  • ③确认序号最大的、按序到达的帧
  • ④发送窗口最大为-1,接收窗口大小为1

四、选择重传协议(SR--Selective Repeat)

• 1、GBN协议的弊端
• 2、选择重传协议中的滑动窗口
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• 3、SR发送方必须响应的三件事
  • ①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
  • ②收到了一个ACK：如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接受。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第一个窗口对于的序号)，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
  • ③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
• 4、SR接收方要做的事
  • ①特点：对于窗口内的帧来者不拒
  • ②过程：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确认帧，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，然后向前滑动窗口，如下图6，7帧先缓存，等5帧到后一起交互给网络层，然后窗口滑动
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  • ③如果收到了窗口序号外(小于窗口下界)的帧，因为ACK可能丢失，就返回一个ACK。其他情况，就忽略该帧
• 5、运行中的SR
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• 6、滑动窗口长度
  • 发送窗口最好等于接收窗口，因为大于则接收方来不及接收而溢出，小于则接收方多余的窗口没有意义
  • 假设用2个bit给帧编号，滑动窗口长度为3，如下图
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  • 情形一：左边图接收方发送0，1，2帧的ACK全部丢失，那么发送方将要重传0帧，情形二，右边图发送方接收到0，1帧的ACK，但还未收到2，3帧ACK，于所发送方也将发送下一个0帧。这样的话，接收方是无法区别该0帧到底是重传的0帧还是新的0帧，产生二义性，因此最好= ，或者表示为+
  • 简单证明(个人理解)：情况1：帧的编号为0 ~ -1，窗口为编号数一半即，当发送方发送前半序号的帧时，接收方接收且返回响应的ACK，窗口则滑到全为后半序号的帧，此时接收方接收到发送方发送的前半序号即0~-1号帧时，由于窗口内没有对应的序号，肯定不是新的帧而是重传的帧，则返回对应的ACK。但凡接收窗口大一个即最后一个窗口装了一个序号0，都不能区分发送方传来的0帧是否是重传的0帧还是新0帧。情况2:发送方窗口不等于接收窗口，但+ 时，想象一下发送方将窗口的帧全部发送完，接收方返回相应的ACK同时向后滑动个帧，此时接收窗口从最后一个帧开始往前的帧数量应该是+，因为数量大于,所以接收窗口必定包括了新的0帧，1帧或者更多，若前面的ACK丢失，接收窗口收到0帧同样像情况1一样不能确认
• 7、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、==

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