• 【计网】第三章 数据链路层（2）流量控制与可靠传输、停止等待协议、后退N帧协议（GBN）、选择重传协议（SR）

    目录

    3.4-1 流量控制与可靠传输机制

    一、数据链路层的流量控制

    二、流量控制的方法

    三、可靠传输、滑动窗口、流量控制

    总结：

    3.4-2 停止-等待协议

    一、停止-等待协议究竟是哪一层的？

    二、停止-等待协议的出现原因和前提

    三、停等协议——无差错情况

    四、停等协议——有差错情况

    五、停止等待协议性能分析

    六、信道利用率

    总结：​编辑

    3.4-3 后退N帧协议（GBN）

    一、停等协议的弊端

    二、后退N帧协议中的滑动窗口

    三、GBN发送方必须响应的三件事

    四、GBN接收方要做的事

    五、运行中的GBN

    六、滑动窗口长度

    七、GBN协议重点总结

    八、GBN协议性能分析

    总结： 

    3.4-4 选择重传协议（Selective Repeat）

    一、GBN协议的弊端

    二、选择重传协议中的滑动窗口

    三、SR发送方必须相应的三件事

    四、SR接收方要做的事

    五、滑动窗口长度

    六、SR协议重点总结

    总结：

    3.4-1 流量控制与可靠传输机制

    一、数据链路层的流量控制

    较高的发送速度和较低的接受能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。

    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：接收端给发送端一个窗口公告。

    二、流量控制的方法

    1. 停止-等待协议

    每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。

    2. 滑动窗口协议

    （1）后退N帧协议（GBN）；（2）选择重传协议（SR）；

    发送方收到确认帧后，滑动窗口再后移。窗口的大小在传输过程中是固定的。

    三、可靠传输、滑动窗口、流量控制

    可靠传输：发送端发啥，接收端收啥。

    流量控制：控制发送速率，使接收方有足够缓冲空间来接收每一个帧。

    滑动窗口解决：①流量控制（收不下就不给确认，想发也发不了）；②可靠传输（发送方自动重传）；

    总结：

    3.4-2 停止-等待协议

    一、停止-等待协议究竟是哪一层的？

    在计算机网络发展的前期通信链路质量不是很好，所以链路层就担负起可靠传输这个职责。因此，链路层就会使用停止-等待协议、后退N帧协议、选择重传协议等等。随着现在技术的发展，通信链路质量越来越好，出现差错的可能性就不像之前那么大，所以链路层就可以暂时抛弃可靠传输这样一个职责，把这个责任交给传输层来实现，链路层主要负责差错控制。这样就会使得数据在链路上进行传递的过程当中速度更快，所用时间更小，延迟也就更小。

    停止-等待协议、后退N帧协议、选择重传协议这三个协议在哪一层次，最后影响的只是传输数据的一个对象，如果这三个协议是传输层的，发送的数据就叫“分组”；如果协议是链路层的，发送的数据就叫“数据帧”。这里只是对象上命名的不同，本质都是要传送的数据。

    二、停止-等待协议的出现原因和前提

    1. 为什么要有停止-等待协议？

    除了比特出错，底层信道还会出现丢包问题。

    * 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，会导致数据包的丢失。（数据：在链路层叫做“帧”，在网络层叫做“IP数据报”，在传输层叫“报文段”，在不同层次会有不同名字）

    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，但为了讨论问题方便，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一个层次上发送的；

    （3）“停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认后在发送下一个分组。

    3. 停等协议有几种应用情况？

    无差错情况&有差错情况

    三、停等协议——无差错情况

    四、停等协议——有差错情况

    1. 数据帧丢失或检测到帧出错

    2. ACK丢失（确认帧丢失）

    丢掉后面重传的1帧，保留第一个。

    3. ACK迟到

    五、停止等待协议性能分析

    优点：简单；

    缺点：信道利用率低；

    T_{D}：发送方的发送时延；

    T_{A}：接收方的发送时延；

    六、信道利用率

    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。

    Question：一个信道的数据传输率为4kb/s，单向传播时延为30ms，如果使停止-等待协议的信道最大利用率达到80%，要求的数据帧长度至少为（）。

    Answer：（单位上4kb/s=4b/ms）

     如果发送方的发送速率很快，数据在传输的路上花掉的时间就会相对较长，发送方就空闲很长时间。为了使信道利用率提高，就使用接下来的后退N帧协议（GBN）、选择重传协议（SR）。

    总结：

    3.4-3 后退N帧协议（GBN）

    一、停等协议的弊端

    流水线技术下的停止-等待协议可以解决信道利用率低的问题，但是同样会出现之前的差错情况，为了解决这些差错，就有了后退N帧协议（GBN）与选择重传协议（SR）。

    二、后退N帧协议中的滑动窗口

    三、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，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送；如果窗口已满，发送方只需要将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会儿再发送。（实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧）。

    2. 收到了一个ACK

    GBN协议中，对n号帧的确认采用累计确认的方式，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。就像在停止等待协议中一样，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。

    四、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，并将该帧中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，只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）。

    五、运行中的GBN

    六、滑动窗口长度

    Q：滑动窗口可以无限吗？

    A：对滑动窗口的要求：若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W_{T}应满足：{\color{DarkRed} 1\leq W_{T}\leq 2^{n}-1}。因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧（新帧旧帧数据重复的情况下发生这样的情况）。

    七、GBN协议重点总结

    1. 累积确认（偶尔稍带确认）；

    2. 接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃；

    3. 确认序列号最大的、按序到达的帧；

    4. 发送窗口最大为2^{n}-1，接收窗口大小为1；

    习题一：

    数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是（ ）。

    A.2    B.3    C.4    D.5

    看最大帧数3，可知已经收到了3及3之前的确认，应该重发4、5、6、7，共4帧。

    习题二：

    主机甲与主机乙之间使用后退N帧协议（GBN）传输数据，甲的发送窗口尺寸为1000，数据帧长为1000字节，信道带宽为100Mb/s，乙每收到一个数据帧立即利用一个短帧（忽略其传输延迟）进行确认，若甲、乙之间的单向传播时延是50ms，则甲可以达到的最大平均数据传输率约为（ ）。

    A.10Mb/s    B.20Mb/s    C.80Mb/s    D.100Mb/s

    甲把发送窗口里面的数据全部发送所需的时间（甲传输延迟）：

    甲一个窗口可以装1000帧，一帧有1000字节（1000*8bit），100Mb/s 需换算成 bit/s

    \frac{1000\times 1000\times 8}{100\times 10^{6}}= 0.08(单位：秒s) ，即80ms

    甲收到确认帧的时间（第一个窗口的第一个帧）：

    2\times 50+\frac{1000\times 8}{100\times10^{6}} = 100.08（单位：毫秒ms）

    甲从开始到结束发送完一个窗口的数据需要80ms，再等待20.08ms收到确认帧，窗口再向前移动。在100.08ms内完成一个窗口数据的传输。

    \frac{1000\times 1000\times 8\times10^{-6}}{100.8\times 10^{-3}}=80（单位：Mb/s）

    八、GBN协议性能分析

    优点：因连续发送数据帧而提高了信道利用率；

    缺点：在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低；

    为了解决效率低的问题，产生了一个新的协议“选择重传协议”。

    总结： 

    3.4-4 选择重传协议（Selective Repeat）

    一、GBN协议的弊端

    GBN中的累计重传机制会导致批量重传，一个帧传错了，它后面所有的帧都要重传一次。

    优化思路是：那么可不可以只重传出错的帧？

    ——可以，设置单个帧的确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

    二、选择重传协议中的滑动窗口

    三、SR发送方必须相应的三件事

    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收。如果该帧序号是窗口的下界（最左边第一个窗口对应的序号），则窗口向前（右）移动到具有最小序号（窗口内）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，则发送者些帧。

    3. 超时事件

    每个帧都有自己的计时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

    四、SR接收方要做的事

    对接收窗口内应收到的帧来者不拒。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帧的确认帧（收谁确认谁），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，然后向前移动滑动窗口。

    运行中的SR（假设发送窗口和接收窗口尺寸都为4）

    五、滑动窗口长度

    Q：窗口长度可以无限吗？

    第一种情况：ack0、ack1、ack2全部丢失，接收端收到的是第一个0号帧；

    第二种情况：ack2丢失，接收端将会收到第二个0号帧；

    问题在于 发送窗口 相对于 帧的编号 比过大。

    发送窗口最好等于接收窗口（大了会溢出，小了没意义）

    W_{Tmax} = T_{Rmax} = 2^{n-1}

    T为Send Window发送窗口，R为Receive Window接收窗口，n为用多少比特来编帧的序号。

    本题中0、1、2、3共4位可以用2bit来编，所以本题中的n为2，窗口小于等于2时就不会出现问题。

    六、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. 滑动窗口大小应小于等于W_{Tmax} = T_{Rmax} = 2^{n-1}

    习题：
     数据链路层采用了选择重传（SR）协议，发送方已经发送了编号为0~3的帧。现已收到1号帧的确认，而0、2号帧依次超时，则发送方需要重传的帧数为（）。

    2个帧，分别为0、2号帧。

    总结：

     

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