可靠传输

滑动窗口机制

类似算法中的滑动窗口，分为发送窗口和接收窗口。窗口仅向后滑动，绝不向前后退；窗口滑动完全由接收方返回的确认帧 ACK 控制，接收方通过确认机制限制发送方窗口滑动速度，以此实现流量控制。

考研核心考点

  1. 帧序号采用 n 位二进制编号，总序号空间个数：$2^n$
  2. 不同可靠传输协议，发送窗口、接收窗口大小限制各不相同
  3. 只有收到确认帧，发送窗口才会向后滑动

停止-等待协议

基本概念

  • 数据帧：发送方传输数据的基本单元，帧首部携带帧序号。
  • 确认帧（ACK）：接收方正确接收数据帧后，返回给发送方的应答帧，帧内携带对应帧序号，用于告知发送方该帧接收无误，可以发送下一帧。
  • 帧序号：用于区分新旧帧、重复帧，本协议仅需 0、1 两个序号循环即可。

超时重传

为解决数据帧丢失问题：发送方每发一帧就启动超时计时器，若长时间未收到对应 ACK，判定帧丢失，超时重传该帧，并重置计时器。

  • 确认帧丢失：发送方依旧超时重传该帧；接收方通过帧序号识别出重复帧，直接丢弃重复帧，并重新发送对应 ACK。
  • 数据帧出错：接收方检测出差错后，直接丢弃出错帧，不发送任何 ACK，触发发送方超时重传。

窗口大小

$W_T=1，W_R=1$

信道利用率

$U = T_d / (T_d + RTT)$

  • $T_d$：一帧发送时延
  • $RTT$：往返传播时延

优缺点

  • 优点：原理最简单，实现简单，接收端几乎不需要缓存空间
  • 缺点：一次仅发送一帧，等待时间长，信道利用率极低，链路越长效率越差

后退N帧协议（GBN，回退N帧）

工作要求

发送方可以连续发送多个帧，无需逐帧等待确认；采用累积确认机制，接收方仅对按序到达的最后一个正确帧发送 ACK。

例：收到帧1、2、3全部正确，仅回复 ACK3，代表前面所有帧均接收正确。

差错处理

  1. 中间帧出错/丢失
    例如发送 1、2、3 帧，帧2出错。接收方丢弃出错帧以及后续所有乱序帧，仅确认已正确的帧1；发送方超时后回退到出错帧，重传该帧及其之后全部帧（2、3、4）。

  2. 确认帧 ACK 丢失
    发送窗口内最早帧计时器先超时，一次性重传该帧以及后续所有未确认帧。

接收方规则

  • 接收窗口大小固定 $W_R=1$
  • 只按序接收，不缓存任何乱序帧，乱序帧全部直接丢弃

窗口大小限制

n 位帧序号：
$W_T \le 2^n - 1$

信道利用率

$U = (W_T * T_d) / (W_T * T_d + RTT)$

发送窗口越大，信道利用率越高，整体效率远优于停止等待协议。

优缺点

  • 优点：支持连续发送，效率提升明显；接收缓存极小
  • 缺点：一错全重传，出错会重传大量原本正确的帧，带宽浪费；若接收速度慢，会频繁重传

选择重传协议（SR）

工作要求

基于连续发送机制改进，不使用累积确认，一帧一单独 ACK 逐个确认；重传机制类似停止等待协议，仅重传出错的单个帧。

考研易错纠正

本协议不存在否认帧（NAK），帧出错、帧丢失均依靠超时重传机制解决，无专门的否认应答帧。

接收方接收窗口 $W_R>1$，可以缓存所有正确到达的乱序帧，等到缺失帧补齐后，再按序交付给上层。

差错处理

某一帧出错/丢失，仅该帧超时，只单独重传此出错帧，其余已正确接收的帧全部无需重传。

窗口大小限制

n 位帧序号：
$W_T \le W_R \le 2^{n-1}$

且整体满足约束：
$W_T + W_R \le 2^n$

最优性能：$W_T = W_R$

若不满足该限制，帧序号会循环混淆，无法区分新帧与旧重复帧，可靠性无法保证。

信道利用率

$U = (W_T * T_d) / (W_T * T_d + RTT)$

相同窗口大小下，三者利用率最高。

优缺点

  • 优点：仅重传出错帧，带宽利用率最优，支持乱序接收
  • 缺点：协议实现复杂，接收端需要大量缓存空间，逐帧确认通信开销大

协议完整对比总结（考研背诵版）

1. 窗口大小总表

协议 发送窗口 W_T 接收窗口 W_R n 位序号限制
停止等待 1 1 无
后退N帧 GBN ≤ 2ⁿ−1 1 W_T ≤ 2ⁿ−1
选择重传 SR ≤ 2ⁿ⁻¹ ≤ 2ⁿ⁻¹ W_T ≤ W_R ≤ 2ⁿ⁻¹

2. 确认机制

  1. 停止等待：发一帧，等一帧 ACK
  2. GBN：累积确认，仅确认最后一个按序正确帧
  3. SR：逐个独立确认，一帧一 ACK

3. 重传规则

  1. 停止等待：仅重传当前出错帧
  2. GBN：出错则回退全重传
  3. SR：仅重传出错帧

4. 接收方处理

  1. 停止等待：按序接收，无缓存
  2. GBN：丢弃乱序帧，不缓存
  3. SR：缓存乱序帧，补齐后上交

5. 信道利用率排序

SR ＞ GBN ＞ 停止等待协议

6. 高频易错点

  1. GBN 接收窗口永远 = 1
  2. SR 没有否认帧 NAK
  3. SR 窗口最大为 2ⁿ⁻¹
  4. 滑动窗口只能向后滑动
  5. 全部协议依靠 帧序号 + 超时计时器 保证可靠
  6. 累积确认仅 GBN 独有