3.4.1 计算机网络之流量控制（停止-等待协议、滑动窗口、后退N帧协议GBN、选择重传协议SR）、滑动窗口、可靠传输机制
文章目錄
- 0.思維導(dǎo)圖
- 1.什么是流量控制？
- 2.什么是可靠傳輸機(jī)制？
- 3.什么是滑動(dòng)窗口機(jī)制？
- 4.可靠傳輸、流量控制、滑動(dòng)窗口之間的關(guān)系
- 5.停止-等待協(xié)議
- （1）為什么要有停止-等待協(xié)議？
- （2）研究停止等待協(xié)議的前提
- （3）停止-等待協(xié)議有幾種應(yīng)用情況？
- 1?? 無(wú)差錯(cuò)情況
- 2?? 有差錯(cuò)情況
- ① 數(shù)據(jù)幀丟失或檢測(cè)到幀出錯(cuò)
- ② ACK確認(rèn)幀丟失
- ② ACK確認(rèn)幀遲到超時(shí)
- （4）停止等待協(xié)議性能分析
- 6.多幀滑動(dòng)窗口與后退N幀協(xié)議（GBN）
- （1）后退N幀協(xié)議（GBN）的滑動(dòng)窗口
- （2）GBN發(fā)送方響應(yīng)的三件事
- 1?? 上層的調(diào)用
- 2?? 收到一個(gè)ACK
- 3?? 超時(shí)事件
- （3）GBN接受方要做的事
- （4）一張圖了解GBN發(fā)送方和接受方之間的傳輸過(guò)程
- （5）GBN滑動(dòng)窗口的限制
- （6）GBN重點(diǎn)知識(shí)
- （7）GBN性能分析
- 7.多幀滑動(dòng)窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）
- （1）SR的滑動(dòng)窗口圖
- （2）SR發(fā)送方必須響應(yīng)的三件事
- 1?? 上層的調(diào)用
- 2?? 收到一個(gè)ACK確認(rèn)幀
- 3?? 超時(shí)處理
- （3）SR接受方要做的事
- （4）一張圖了解SR發(fā)送方和接受方之間的傳輸過(guò)程
- （5）SR滑動(dòng)窗口的大小限制
- （6）SR重點(diǎn)知識(shí)
0.思維導(dǎo)圖
1.什么是流量控制？
- 流量控制是數(shù)據(jù)鏈路層的一種功能，流量控制對(duì)數(shù)據(jù)鏈路上的幀的發(fā)送速率進(jìn)行控制，以使接收方有足夠的緩沖空間來(lái)接受每個(gè)幀
- 流量控制的基本方法是由接收方控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率
- 常見(jiàn)的流量控制方式有兩種：停止-等待協(xié)議、滑動(dòng)窗口協(xié)議
2.什么是可靠傳輸機(jī)制？
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可靠傳輸機(jī)制是為了使數(shù)據(jù)可以正確穩(wěn)定的傳輸和接收而制定的規(guī)則。
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數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸通常使用確認(rèn)和超時(shí)重傳兩種機(jī)制來(lái)完成。
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確認(rèn)是一種無(wú)數(shù)據(jù)的控制幀，這種控制幀使得接收方可以讓發(fā)送方知道哪些內(nèi)容被正確接收。有些情況下為了提高傳輸效率，將確認(rèn)捎帶在一個(gè)回復(fù)幀中，稱(chēng)為捎帶確認(rèn)。
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超時(shí)重傳是指發(fā)送方在發(fā)送某一個(gè)數(shù)據(jù)幀以后就開(kāi)始一個(gè)計(jì)時(shí)器，在一定時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有得到發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)幀，那么就重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，直到發(fā)送成功為止。
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自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Auto Repeat reQuest，ARQ），通過(guò)接收方請(qǐng)求發(fā)送方重傳出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀來(lái)恢復(fù)出錯(cuò)的幀，是通信中用于處理信道所帶來(lái)差錯(cuò)的方法之一。
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傳統(tǒng)自動(dòng)重傳請(qǐng)求分為三種，即停等式（Stop-and-Wait）ARQ、后退N幀（Go-Back-N）ARQ以及選擇性重傳（Selective Repeat）ARQ。后兩種協(xié)議是滑動(dòng)窗口技術(shù)與請(qǐng)求重發(fā)技術(shù)的結(jié)合，由于窗口尺寸開(kāi)到足夠大，幀在線路上可以連續(xù)地流動(dòng)，因此又稱(chēng)為連續(xù)ARQ協(xié)議。
3.什么是滑動(dòng)窗口機(jī)制？
- 滑動(dòng)窗口協(xié)議的基本原理就是在任意時(shí)刻，發(fā)送方都維持了一個(gè)連續(xù)的允許發(fā)送的幀的序號(hào)，稱(chēng)為發(fā)送窗口；同時(shí)，接收方也維持了一個(gè)連續(xù)的允許接收的幀的序號(hào)，稱(chēng)為接收窗口。
- 發(fā)送窗口和接收窗口的序號(hào)的上下界不一定要一樣，甚至大小也可以不同。
- 不同的滑動(dòng)窗口協(xié)議窗口大小一般不同。
- 發(fā)送方窗口內(nèi)的序列號(hào)代表了那些已經(jīng)被發(fā)送，但是還沒(méi)有被確認(rèn)的幀，或者是那些可以被發(fā)送的幀。
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在發(fā)送端，每收到一個(gè)確認(rèn)幀，發(fā)送窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)幀的位置，當(dāng)發(fā)送窗口內(nèi)沒(méi)有可以發(fā)送的幀（即窗口內(nèi)的幀全部是已發(fā)送但未收到確認(rèn)的幀），發(fā)送方就會(huì)停止發(fā)送，直到收到接受方發(fā)送的確認(rèn)幀使窗口移動(dòng)，窗口內(nèi)有可以發(fā)送的幀，之后才開(kāi)始繼續(xù)發(fā)送。
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在接受端，當(dāng)收到數(shù)據(jù)幀后，將窗口向前移一個(gè)位置，并發(fā)回確認(rèn)幀，若收到的數(shù)據(jù)幀落在接受窗口之外則一律丟棄。
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滑動(dòng)窗口有以下重要特性：
只有接受窗口向前滑動(dòng)時(shí)（同時(shí)接受方發(fā)送確認(rèn)幀），發(fā)送窗口才有可能（只有發(fā)送方收到確認(rèn)幀才是一定）向前滑動(dòng)。
從滑動(dòng)窗口的概念看，停止-等待協(xié)議、后退N幀協(xié)議和選擇重傳協(xié)議只有在發(fā)送窗口大小和接收窗口大小有所差別。
停止-等待協(xié)議：發(fā)送窗口大小=1，接受窗口大小=1；
后退N幀協(xié)議：發(fā)送窗口大小>1，接受窗口大小=1；
選擇重傳協(xié)議：發(fā)送窗口大小>1，接受窗口大小>1；
當(dāng)接受窗口的大小為1時(shí)，可保證幀的有序接受。
4.可靠傳輸、流量控制、滑動(dòng)窗口之間的關(guān)系
5.停止-等待協(xié)議
- 停止-等待協(xié)議也稱(chēng)為單幀滑動(dòng)窗口與停止-等待協(xié)議
- 當(dāng)發(fā)送窗口和接收窗口的大小固定為1時(shí)，滑動(dòng)窗口協(xié)議退化為停等協(xié)議（stop-and-wait）。
- 該協(xié)議規(guī)定發(fā)送方每發(fā)送一幀后就要停下來(lái)，等待接收方已正確接收的確認(rèn)（acknowledgement）返回后才能繼續(xù)發(fā)送下一幀。
- 由于接收方需要判斷接收到的幀是新發(fā)的幀還是重新發(fā)送的幀，因此發(fā)送方要為每一個(gè)幀加一個(gè)序號(hào)。
- 由于停等協(xié)議規(guī)定只有一幀完全發(fā)送成功后才能發(fā)送新的幀，因而只用一比特來(lái)編號(hào)就夠了。
（1）為什么要有停止-等待協(xié)議？
（2）研究停止等待協(xié)議的前提
- 雖然現(xiàn)在常用全雙工通信方式，但是為了討論方便，我們僅考慮一方發(fā)送數(shù)據(jù)（發(fā)送方），一方接收數(shù)據(jù)。
（3）停止-等待協(xié)議有幾種應(yīng)用情況？
- 兩種：無(wú)差錯(cuò)和有差錯(cuò)
1?? 無(wú)差錯(cuò)情況
2?? 有差錯(cuò)情況
① 數(shù)據(jù)幀丟失或檢測(cè)到幀出錯(cuò)
② ACK確認(rèn)幀丟失
② ACK確認(rèn)幀遲到超時(shí)
（4）停止等待協(xié)議性能分析
- 關(guān)于信道利用率可參考我之前的：https://blog.csdn.net/weixin_43914604/article/details/104541219
- 發(fā)送方從開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)到收到第一個(gè)確認(rèn)幀ACK為止，這段時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)發(fā)送周期
- 信道利用率=發(fā)送時(shí)間/發(fā)送周期
- 由于停等協(xié)議要為每一個(gè)幀進(jìn)行確認(rèn)后才繼續(xù)發(fā)送下一幀，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n幀協(xié)議（GBN）和選擇重傳協(xié)議（SR）。
6.多幀滑動(dòng)窗口與后退N幀協(xié)議（GBN）
- 后退n協(xié)議中，發(fā)送方在發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，不停下來(lái)等待應(yīng)答幀，而是連續(xù)發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)幀，即使在連續(xù)發(fā)送過(guò)程中收到了接收方發(fā)來(lái)的應(yīng)答幀，也可以繼續(xù)發(fā)送。且發(fā)送方在每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)都要設(shè)置超時(shí)定時(shí)器。只要在所設(shè)置的超時(shí)時(shí)間內(nèi)仍未收到確認(rèn)幀，就要重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。
- 如：當(dāng)發(fā)送方發(fā)送了N個(gè)幀后，若發(fā)現(xiàn)該N幀的前一個(gè)幀在計(jì)時(shí)器超時(shí)后仍未返回其確認(rèn)信息，則該幀被判為出錯(cuò)或丟失，此時(shí)發(fā)送方就不得不重新發(fā)送出錯(cuò)幀及其后的N幀。
- 從這里不難看出，后退n協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了效率，但另一方面，在重傳時(shí)又必須把原來(lái)已正確傳送過(guò)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳（僅因這些數(shù)據(jù)幀之前有一個(gè)數(shù)據(jù)幀出了錯(cuò)），這種做法又使傳送效率降低。
- 由此可見(jiàn)，若傳輸信道的傳輸質(zhì)量很差因而誤碼率較大時(shí)，連續(xù)測(cè)協(xié)議不一定優(yōu)于停止等待協(xié)議。此協(xié)議中的發(fā)送窗口的大小為k，接收窗口仍是1。
（1）后退N幀協(xié)議（GBN）的滑動(dòng)窗口
（2）GBN發(fā)送方響應(yīng)的三件事
1?? 上層的調(diào)用
- 上層要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方先檢查發(fā)送窗口是否已滿，如果未滿，則產(chǎn)生一個(gè)幀并將其發(fā)送;如果窗口己滿，發(fā)送方只需將數(shù)據(jù)返回給上層，暗示上層窗口已滿。上層等一 會(huì)再發(fā)送。 ( 實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，發(fā)送方可以緩存這些數(shù)據(jù)，窗口不滿時(shí)再發(fā)送幀)。
- 配合下圖加深理解
2?? 收到一個(gè)ACK
- GBN協(xié)議中，對(duì)n號(hào)幀的確認(rèn)采用·累積確認(rèn)·的方式，標(biāo)明接收方已經(jīng)收到n號(hào)幀和它之前的全部幀。
3?? 超時(shí)事件
- 協(xié)議的名字為后退N幀/回退N幀，來(lái)源于出現(xiàn)丟失和時(shí)延過(guò)長(zhǎng)幀時(shí)發(fā)送方的行為。
- 就像在停等協(xié)議中一樣，定時(shí)器將再次用于恢復(fù)數(shù)據(jù)幀或確認(rèn)幀的丟失。
- 如果出現(xiàn)超時(shí)，發(fā)送方重傳所有已發(fā)送但未被確認(rèn)的幀。
（3）GBN接受方要做的事
（4）一張圖了解GBN發(fā)送方和接受方之間的傳輸過(guò)程
（5）GBN滑動(dòng)窗口的限制
（6）GBN重點(diǎn)知識(shí)
- 來(lái)道題目熟悉一下知識(shí)
- 因?yàn)榻邮斩丝梢岳鄯e確認(rèn)，所以只要看最大的確認(rèn)幀就行，所以接下來(lái)發(fā)送方要重發(fā)的幀數(shù)為4
（7）GBN性能分析
7.多幀滑動(dòng)窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）
- 在后退n協(xié)議中，接收方若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤幀就不再接收后續(xù)的幀，即使是正確到達(dá)的幀，這顯然是一種浪費(fèi)。由此誕生了SR（SELECTICE REPEAT）。
- SR工作原理：當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯(cuò)后，其后繼續(xù)送來(lái)的正確的幀雖然不能立即遞交給接收方的高層，但接收方仍可收下來(lái)，存放在一個(gè)緩沖區(qū)中，同時(shí)要求發(fā)送方重新傳送出錯(cuò)的那一幀。一旦收到重新傳來(lái)的幀后，就可以將已存于緩沖區(qū)中的其余幀一并按正確的順序遞交上一層。
- 顯然，選擇重發(fā)減少了浪費(fèi)，但要求接收方有足夠大的緩沖區(qū)空間。
（1）SR的滑動(dòng)窗口圖
（2）SR發(fā)送方必須響應(yīng)的三件事
1?? 上層的調(diào)用
- 從上層收到數(shù)據(jù)后，SR發(fā)送方檢查下一個(gè)可用于該幀的序號(hào)，如果序號(hào)位于發(fā)送窗口內(nèi)，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀;否則就像GBN一樣，要么將數(shù)據(jù)緩存，要么返回給上層之后再傳輸。
2?? 收到一個(gè)ACK確認(rèn)幀
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如果收到ACK，加入該幀序號(hào)在窗口內(nèi)，則SR發(fā)送方將那個(gè)被確認(rèn)的幀標(biāo)記為已接收。如果該幀序號(hào)是窗口的下界(最左邊第-一個(gè)窗口對(duì)應(yīng)的序號(hào))，則窗口向前移動(dòng)到具有最小序號(hào)的未確認(rèn)幀處。如果窗口移動(dòng)了并且有序號(hào)在窗口內(nèi)的未發(fā)送幀，則發(fā)送這些幀。
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圖解此過(guò)程
3?? 超時(shí)處理
- 每個(gè)幀都有自己的定時(shí)器，一個(gè)超時(shí)事件發(fā)生后只重傳一個(gè)幀。
（3）SR接受方要做的事
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SR接收方將確認(rèn)-一個(gè)正確接收的幀而不管其是否按序。失序的幀將被緩存，并返回給發(fā)送方一個(gè)該幀的確認(rèn)幀[收誰(shuí)確認(rèn)誰(shuí)]，直到所有幀(即序號(hào)更小的幀)皆被收到為止，這時(shí)才可以將一-批幀按序交付給 上層，然后向前移動(dòng)滑動(dòng)窗口。
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圖解此過(guò)程
（4）一張圖了解SR發(fā)送方和接受方之間的傳輸過(guò)程
（5）SR滑動(dòng)窗口的大小限制
（6）SR重點(diǎn)知識(shí)
- 一道小例題加深理解
參考：https://www.bilibili.com/video/av70228743?p=25
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的3.4.1 计算机网络之流量控制（停止-等待协议、滑动窗口、后退N帧协议GBN、选择重传协议SR）、滑动窗口、可靠传输机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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