流量控制

★★☆ CPU

🔥 高优先级

选择题和解答题都经常考查 ARQ 协议，三个重点不能忽略：1. 三种 ARQ 协议的 实现原理 。 2. 窗口大小的限制 。3. 信道利用率 的计算方法。

这一节都是理解性内容，需要理清背后的原理。

ARQ 协议

ARQ 协议是一类 可靠数据传输协议 ，用于在 不可靠的信道 （比如可能出错或丢包的网络链路）上实现 可靠通信 。

ARQ 协议的 核心思想 是：

  • 发送方在发送数据后，必须等待接收方的确认（ACK）。
  • 如果在规定时间内没有收到确认，就认为数据丢失或出错，需要重传。

ARQ 协议主要包括三种形式：停等 （Stop‑and‑Wait）、回退 N 帧 （Go‑Back‑N）以及 选择性重传 （Selective Repeat）。其中，回退 N 帧和选择性重传统称为 连续 ARQ 协议 。

考研模型里默认：

  • 链路层：可能用 ARQ（作为差错控制手段之一），适用于误码率较高的链路

  • 以太网不使用

  • 无线链路、卫星通信会用

    • 传输层：一定用 ARQ（TCP）

但要记住一句本质话：

ARQ 不是某一层专属，而是一种“机制”，可以出现在不同层。

如果 TCP 是保证可靠传输，那么链路层为什么还需要使用 ARQ？

如果链路层不大可靠的话，链路层 ARQ 可以在底层迅速修补了大多数偶发的比特错误，让上面的 TCP 以为链路几乎从不丢包，从而避免了频繁进入“拥塞控制”状态，大幅提升了吞吐量。

停等协议

停等（Stop‑and‑Wait）是一种最基本的 自动重传请求 （ARQ）协议。其核心思想是：发送方在发送完每一个数据帧后立即停止发送，并 等待 接收方的 确认 （ACK）。只有在收到确认后，发送方才会继续发送下一个帧。由于任意时刻网络中只会有一个 帧在传输，所以该协议也被称为“停等”。

停等协议的 工作过程 如下：

  1. 发送数据
  • 发送方将一个数据帧发送给接收方。
  • 同时启动 计时器 ，用于监控该帧的确认是否在规定时间内到达。
  1. 等待确认
  • 在计时器超时之前，发送方保持在“等待”状态。
  • 此期间若收到 确认帧 （ACK），则说明该帧已成功到达并被正确接收。
  1. 确认的接收
  • 接收方收到数据帧后，首先检验其完整性（如校验和、序号等）。
  • 若数据帧无误，接收方立即发送 确认帧 （ACK）回给发送方；若检测到错误，则不发送 ACK，导致发送方超时后重传。
  1. 计时器到期
  • 若计时器在收到确认之前到期，发送方认为该帧或其确认已丢失。
  • 发送方随后 重新发送 同一数据帧，并重新启动计时器，重复上述过程直至收到有效的确认。

通过上述四个步骤，停等协议实现了可靠的点对点数据传输，尽管其效率受限于 “每次只能发送一个帧” 的特性。

回退 N 帧

在 回退 N 帧 （GBN，Go‑Back‑N）协议中，发送窗口 指的是发送方在未收到确认的情况下，最多可以连续发送的数据帧数量。它像一个滑动窗口，控制着数据的发送节奏。

发送方可以在等待确认的过程中，连续发送多个帧，但总数不能超出发送窗口的大小。当窗口被填满时，发送方必须停下来等待确认，收到确认后窗口才能向后滑动，从而腾出空间发送新的帧。

补充

回退 N 帧的语义如何理解？

当发送方检测到某个数据帧超时（或收到重复的 ACK / NAK）时，它不会只重传那一帧，而是“回退”到该丢失帧的序号，并重新发送从该序号开始的所有后续帧 —— 即使这些帧之前已经发送过。

回退 N 帧的 核心要点 如下：

  1. 窗口大小
  • 若帧序号使用 n 位二进制，则序号空间大小为 2n 。
  • 为保证不产生歧义，GBN 的发送窗口大小 W 必须满足 W≤2n−1 ，因此 最大窗口大小 为 2n−1 。
  • 接收窗口的大小固定为 1 ，即接收方只能一次接受并确认期望的序号。
  1. 发送过程
  • 只要发送窗口未满，发送方就可以把窗口内的帧依次发送出去。
  • 对于 最早发送且尚未被确认的帧 （即窗口中的第一个未确认帧），发送方启动 单一的超时计时器 。
  • 其余已发送但尚未确认的帧不再单独维护计时器，而是共享这一个计时器。
  1. 接收过程
  • 接收方维护一个 期望序号 （expected sequence number）。
  • 当收到的帧序号等于期望序号时，接收方接受该帧并发送 累计确认 ACK （确认该帧及其之前的所有帧）。随后期望序号加 1。
  • 若收到的帧序号不是期望序号（说明前面的某帧丢失），接收方直接 丢弃该帧 ，并 重新发送最近一次正确接收的帧的 ACK 。由于接收窗口为 1，后续已到达但序号不连续的帧都会被丢弃。
  1. 超时与重传
  • 当 超时计时器 触发时，发送方认为窗口中最早的未确认帧已丢失。按照 GBN 的工作原理，发送方会 从该帧开始 ，把窗口内的所有帧全部 重新发送 。
  • 这样做的原因是：即使后面的帧已经到达接收方，由于接收窗口仅能接受连续的序号，这些帧会在接收方被丢弃，只有最早丢失的帧被重新发送后，后续帧才能被顺利接收。

通过 GBN、SR 交互演示 可以直观地了解 Go‑Back‑N 与 Selective Repeat 的工作流程，加深对上述概念的理解。

选择性重传

选择性重传 （SR，Selective Repeat）是一种 自动重传请求 （ARQ ）协议，专门用于克服回退 N 帧（Go‑Back‑N）在高误码率环境下的效率低下。与 Go‑Back‑N 不同，SR 只 重传 那些真正丢失或出错的帧，而不必重新发送随后所有的帧，从而在误码率较高的链路上表现得更为高效。

选择性重传的 核心要点 如下：

  1. 窗口大小
  • 在 SR 中，发送窗口和接收窗口的大小保持一致。
  • 若帧序号采用 n 位二进制表示，则窗口的最大取值为 **2 n−1 **（即序号空间的半数），以避免发送方和接收方窗口的重叠产生歧义。
  1. 发送过程
  • 发送方在其发送窗口范围内连续发帧。
  • 每发送一帧，就为该帧启动一个 计时器 ；计时器独立于其他帧，超时后仅针对该帧进行重传。
  1. 接收过程
  • 接收方接受所有落在接收窗口中的帧，即使这些帧顺序错乱。
  • 对于每一正确收到的帧，接收方立即发送 确认 （ACK）。
  • 乱序到达的帧会被 缓存 ，待窗口前面的缺失帧补齐后，按正确顺序交付给上层。
  1. 超时与重传

  • 当某帧的计时器到期，发送方只 重传 该帧，而不是窗口内的全部帧。这一点是 SR 与 GBN 的根本区别，也是 SR 在高误码率下保持高吞吐量的关键。

    1. 滑动窗口机制

  • 发送方 ：收到帧的确认后，窗口左边界向前移动，释放已确认的帧槽位，随后可以发送新的帧。

  • 接收方 ：当缓存的帧已能够连续组成一个完整序列并交付给上层后，接收窗口也向前滑动，腾出空间接收后续帧。

  1. 冲突确认的处理
  • 由于网络延迟，发送方可能在重传帧后才收到该帧的早期确认。
  • 为避免误判，SR 协议必须具备 识别并丢弃重复确认 （duplicate ACK）的机制，只对最新、有效的确认作出响应。

协议对比

几种 ARQ 协议的主要区别是通过发送和接收窗口体现的：

发送窗口

  • 定义 ：发送方在未收到对方确认（ACK）的情况下，允许连续发送的最大帧数量（或数据单元数量）。
  • 作用 ：控制发送方的数据发送速率，避免因发送过快导致网络拥塞或接收方处理不过来。

接收窗口

  • 定义 ：接收方允许接收并缓存（或直接交付）的帧的最大数量，通常决定了接收方可以接受乱序或非连续帧的能力。
  • 作用 ：明确接收方能够处理的数据范围（包括按序和乱序数据），超出窗口的数据会被丢弃。

补充

  • 发送窗口 ：决定发送方能“同时发多少”。
  • 接收窗口 ：决定接收方能“同时收多少”以及“是否支持乱序接受”。

三个 ARQ 协议的具体区别如下：

特性停等协议GBN（Go‑Back‑N）协议SR（Selective‑Repeat）协议
发送方窗口大小（序号位数为 n）1（一次只能发送一帧）最多 2n−1 （可并发发送多帧）最多 2n−1 （可并发发送多帧）
接收方窗口大小（序号位数为 n）1（只接受一帧）1（只能接受按序的下一帧）与发送方窗口大小相同（可接受乱序帧）
超时重传单位单个数据帧即整个发送窗口整个发送窗口单个数据帧
发送方效率低——每发送一帧必须等待确认高——在确认到达前可连续发送多帧高——仅对出错帧进行重传，其他帧不受影响
接收方效率高——无需缓存，按序直接交付低——必须按照顺序接收高——可以缓存并按序交付已收到的乱序帧
错误处理方式只重传丢失的那一帧从第一个出错帧起，全部帧都要重传只重传出错或乱序的那一帧（或若干孤立的帧）
带宽利用率低——大量空闲时间高——大多数时间都在利用链路带宽高——仅在必要时占用带宽进行重传

窗口大小限制

在说明窗口大小限制之前，必须先区分三种不同的“编号”概念：

假设序列号位数为 3，那么序列号范围为 [0, 7]

  • 绝对编号 ：指帧在整个逻辑发送流中的真实顺序编号。 该编号会随着发送不断递增：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,…

绝对编号本身通常认为是无限增长的，仅用于逻辑分析。

  • 序列号（循环编号） ：协议首部中的编号字段长度有限。 若序列号字段使用 n 位，则序列号范围为：

0∼2n−1

超过后重新从 0 开始循环。

例如当 (n=3) 时：

0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,…

  • 窗口内编号 ：是序列号范围的一个子集

协议真正传输的是 序列号（循环编号） 。

发送窗口与接收窗口本质上是在“循环序列号空间”上滑动。 这可以与 TCP 中的 绝对下标和序列号 进行类比。

假设协议中的序列号字段使用 n 位，则序列号空间大小为：

2n

发送窗口大小（ Ws​ ）与接收窗口大小（ Wr​ ）必须满足：

Ws​+Wr​≤2n

为什么有这个限制？

根本原因是防止 序列号回绕（wrap around）带来的歧义 。

当发送窗口和接收窗口的大小之和超过 2n 时，可能出现以下情况：

  • 一个新帧使用了与之前某个仍在网络中滞留的旧帧相同的序列号；
  • 接收方无法区分该帧是“新的合法帧”还是“旧的延迟到达帧”。

通过保证：

Ws​+Wr​≤2n

可以确保在任何时刻，发送窗口与接收窗口不会在序列号空间中发生重叠，从而避免不同绝对编号的帧使用同一序列号时产生歧义。

极端情况下：当接收方收到了所有数据帧，但是所有确认帧都丢失的情况下，

发送窗口和接收窗口会具有相同的 序列号，但是所对应的数据帧不同

假设序列号位数为 2，序列号范围为 0,1,2,3

假设发送窗口大小 4，接收窗口大小 1，

假设发送窗口大小 3，接收窗口大小 3，

信道利用率

在 ARQ 协议中，信道利用率 （也叫做链路利用率）是指信道用于传输有效数据的效率，通常定义为 成功传输数据的时间占总传输时间的比例 。它反映了协议在给定信道条件下的性能，是评估 ARQ 协议效率的重要指标。

信道利用率 U 可以表示为

U=Ttotal​Tdata​​

其中：

  • Tdata​ ：成功传输有效数据的时间。
  • Ttotal​ ：总时间，包含数据传输、确认、重传以及等待。

计算方法

对于 ARQ 协议，假设信号传播时间为 Tp​ ，一个数据帧的传输时间为 Td​ ，一个确认帧的传输时间为 Ta​ ，发送窗口的最大值为 N ，信号往返时间 RTT=2⋅Tp​ 。

在此情况下，信道利用率 U = 发送数据的时间 / 从发送第一个帧的时间到收到第一个确认帧的时间：

U=RTT+Td​+Ta​N⋅Td​​

停等协议

对于停等协议，信道利用率为

U=RTT+Td​+Ta​Td​​

连续 ARQ 协议

滑动窗口协议，连续传输多个帧

对于使用了滑动窗口的协议（比如回退 N 帧和选择性重传），一次性可以传输 N 个数据帧，信道利用率为

U=RTT+Td​+Ta​N⋅Td​​

注意有些时候确认帧比较小，在这种情况下确认帧传输时间 Ta​ 可以忽略。

此外， U≤1 ，所以当 N⋅Td​>RTT+Td​+Ta​ 时，信道利用率 U=1 。

相关笔记

  • 通信概念
  • 物理层设备
  • 编码与调制
  • 物理层
  • 交换方式
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