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可靠传输

若数据链路层向其上层提供的服务类型为可靠传输服务，若出现了误码的情况，可靠传输服务会通过某种机制实现发送方发送什么，接收方最终就能收到什么。

一般情况下，有线链路的误码率比较低。为了减小开销，并不要求数据链路层向其上层提供可靠传输服务。即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理。而无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向其上层提供可靠传输服务。

可靠传输服务并不局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。可靠传输的实现比较复杂，开销比较大，是否使用可靠传输取决于应用需求

停止-等待 (SW) 协议

停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol）是一种简单的数据链路层协议，用于在两个节点之间进行可靠的数据传输。其基本思想是发送方发送一个数据分组后，等待接收方进行差错检测后发送确认（ACK）分组，只有在收到确认之后，才发送下一个数据分组。若发送的分组出现误码，接收方进行差错检测后将数据分组丢弃，并发送否认（NAK）分组。

超时重传机制

若发送方发送的数据分组在传输过程中丢失，接收方收不到数据分组，就不会发送相应的 ACK 或 NAK。如果不采取措施，发送方就会一直处于等待接收方 ACK 或 NAK 的状态。

为解决上述问题，发送方可在每发送完一个数据分组时就启动一个超时计时器（Timeout Timer）若到了超时计时器所设置的超时重传时间（Retransmission Time-Out，RTO)，发送方仍未收到接收方的 ACK 或 NAK，就重传之前已发送过的数据分组

分组编号机制

ACK 丢失问题

若接收方收到数据分组并完成差错检测后，向发送方发送的 ACK，超过超时重传时间 RTO 后，发送方会向接收方重传数据分组，而接收方无法识别两次收到的数据分组是否重复，因此会出现分组重复问题。

为了避免分组重复这种传输错误，必须给每个分组带上序号。对于停止-等待协议，由于每发送一个数据分组就停止等待，只要保证每发送一个新的数据分组，其序号与上次发送的数据分组的序号不同就可以了，因此用一个比特来编号就够了，序号有 0 和 1 两种。接收方连续收到两个序号相同的数据分组时，就可以识别出分组重复这种传输差错，接收方会丢弃重复的数据分组，完成差错检测无误码情况后，再发送一个确认分组 ACK。

发送方收到 ACK 后，可给接收方发送下一个数据分组，其序号与上一个数据分组的不同。

ACK 延迟问题

若接收方收到发送方的 数据分组0 之后，ACK 发送到发送方时超过了 RTO，此时发送方重新发送了 数据分组0，而之后 ACK 到达了发送方，发送方误以为这是重新发送的 数据分组0 的 ACK，因此又发送了 数据分组1，而接收方收到重复的 数据分组0 后，发送了 ACK，发送方误认为此 ACK 是对 数据分组1 的 ACK。

为避免以上问题，需要给确认分组 ACK 也编上序号，与数据分组对应，发送方就可识别出是对 数据分组0 的重复确认。

注意事项

• 使用超时重传机制后，就可以不使用否认机制了，这样可使协议实现起来更加简单。但是，如果点对点链路的误码率较高，使用否认机制可以使发送方在超时计时器超时前就尽快重传。

• 数据链路层确认分组编号一般不会出现确认分组迟到的情况，因此在数据链路层实现停止-等待协议可以不用给

• 给超时计时器设置的超时重传时间 RTO 应当仔细选择，一般将RTO设置为略大于收发双方的平均往返时间RTT。

  • 在数据链路层，点对点的往返时间 RTT 比较固定，RTO 就比较好设定。
  • 在运输层，由于端到端的往返时间非常不确定，设置合适的超时重传时间 RTO 有时并不方便

• 停止-等待协议属于自动请求重传（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）协议。即重传的请求是发送方自动进行的，而不是接收方请求发送方重传某个误码的数据分组。

信道利用率

不考虑超时重传

• $T_D$：数据分组发送时延
• $RTT$：往返传播时延
• $T_A$：ACK发送时延

若出现超时重传，对于传送有用的数据信息来说，信道利用率还要降低。

在往返时间 RTT 相对较大的情况下，为了提高信道利用率，收发双方不适合采用停止-等待协议，而可以选择使用 回退 N帧 (GBN) 协议 或 选择重传 (SR) 协议。

回退 N 帧 (GBN) 协议

在使用流水线传输方式时，发送方不能无限制地连续发送数据分组，否则可能会导致网络中的路由器或接收方来不及处理这些数据分组，进而导致数据分组的丢失，这实际上是对网络资源的浪费。因此，必须采取措施来限制发送方连续发送数据分组的数量。

回退 N 帧协议采用流水线传输方式，并且利用发送窗口来限制发送方连续发送数据分组的数量，这属于连续 ARQ 协议。

滑动窗口

滑动窗口，即发送方的发送窗口和接收方的接收窗口，采用 n 个比特给分组编序号，序号范围是 $0$ ~ $2^n-1$，当序号增加到$2^n-1$时，下一个序号又从0开始。

停止-等待协议的发送窗口与接收窗口的窗口尺寸均为1

发送方需要维护一个发送窗口 $W_T$，在未收到接收方确认分组的情况下，发送方可将序号落入 $W_T$ 内的所有数据分组连续发送出去。采用n个比特给分组编序号，则 $W_T$ 的取值范围是$1<W_T\le (2^n-1)$。若 $W_T$ 取值为1，则是停止-等待协议；若$W_T$ 取值超过取值范围的上限，当确认分组丢失时，由于接收方无法辨别新旧的数据分组，会出现分组重复的传输差错。

接收方需要维护一个接收窗口 $W_R$，只有正确到达接收方(无误码)且序号落入 $W_R$ 内的数据分组才被接收方接收。$W_R$ 的取值只能是 1，这一点与停止等待协议是相同的。

在回退 N 帧协议的工作过程中，发送方的发送窗口和接收方的接收窗口按规则不断向前滑动。因此，这类协议又称为滑动窗口协议。

信道利用率

无传输差错

在的情况下，回退N帧协议的信道利用率比停止-等待协议的信道利
用率有显著提高。提高的程度取决于发送窗口的大小。

• 接收方每正确收到一个序号落入接收窗口的数据分组，就将接收窗口向前滑动一个位置，这样就有一个新的序号落入接收窗口。与此同时，接收方还要给发送方发送针对该数据分组的确认分组。

• 发送方每收到一个按序确认的确认分组，就将发送窗口向前滑动一个位置，这样就有一个新的序号落入发送窗口，序号落入发送窗口内的数据分组可继续被发送，收到确认的数据分组可从发送缓存中删除。

超时重传、回退N帧

超时重传、回退N帧的情况：若数据传输过程中 数据分组2 出现误码，出现误码前的 数据分组0 和 数据分组1 正常处理，数据分组2 进行丢弃，其后的数据分组由于序号未落入接收窗口，接收方将其丢弃，接收窗口无法向前滑动，并向发送方发送最近已按序接收的数据分组的重复 确认分组 ACK1 。

发送方接收到按序确认的确认分组 ACK0 ACK1，将发送窗口滑动向前对应的位置，将新加入发送窗口的 数据分组5 和 数据分组6 发送出去，收到重复确认分组 ACK1，接收方收到新的 数据分组5 和 数据分组6，由于不能按序将其加入接收窗口，仍会将其丢弃并向发送方发送最近已按序接收的重复确认分组 ACK1。

接收方收到多个重复确认分组 ACK1 后，可识别出接收方并未按序正确接收出现差错的数据分组2，发送方可 数据分组2 重传计时器超时之前重新按序发送 数据分组2。发送方可在收到 n 个重复确认分组后立即开始重传，可由具体实现决定。

在 数据分组2 超时之后，发送方就将超时的数据分组以及其后序号落入发送窗口内的数据分组全部重传，尽管 数据分组2 之后的数据分组并非发生误码情况，接收方只能接收序号落入接收窗口的数据分组，因此 数据分组2之后的数据分组全部都要重传，即一旦出错，就需要退回重传已发送过去的 N 个数据分组

一个数据分组的差错就可能引起大量数据分组的重传。在信道质量较差（容易出现误码）的情况下，回退N帧协议 的信道利用率并不比 停止-等待协议 的信道利用率高。

累计确认

回退N帧协议的接收方采用累积确认方式，接收方不必对收到的每一个数据分组都发送一个确认分组，而是可以在收到几个序号连续的数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认分组。接收方何时发送累积确认分组，由具体实现决定。确认分组 $AC{K}_n$ 表明序号为 n 及之前的所有数据分组都已正确接收

优点：减少向网络中注入确认分组的数量。即使确认分组丢失，也可能不必重传数据分组。

缺点：不能向发送方及时准确地反映出接收方已正确接收的所有数据分组的数量。

选择重传 (SR) 协议

选择重传（SR）协议是一种基于滑动窗口的可靠数据传输协议，它允许发送方在接收到确认之前发送多个数据帧，并且只对丢失或损坏的帧进行重传，而不是整个窗口。为了使发送方仅重传出现差错的数据分组，接收方不再采用累积确认，而需要对每一个正确接收的数据分组进行逐一确认。

滑动窗口

用 n(n>1) 个比特给分组编号

窗口尺寸：$1<W_R\le W_T$ ，$W_R$ 超过 $W_T$ 没有意义

$W_R+W_T\le 2^n$，确保接收窗口向前滑动后，落入接收窗口内的新序号与之前的旧序号没有重叠，避免无法分辨新旧数据分组。

接收窗口：$1<W_R\le 2^{n-1}$，当 $W_R$ 取最大值 $2^{n-1}$ 时，$W_T$ 能取到的最大值也为 $2^{n-1}$。

发送窗口：若 $W_T$ 取值超过取值范围的上限 $2^{n-1}$，当确认分组丢失时，由于接收方无法辨别新旧的数据分组，会出现分组重复的传输差错。

发送方的数据分组出现误码时，接收方会将出现误码的数据分组进行丢弃，将失序但仍正确到达接收方且序号落入接收窗口的数据分组进行缓存，并发送相应的确认分组，接收方不能向前滑动窗口。

发送方收到确认分组后，也不能向前滑动窗口，但会记录正确接收的数据分组的确认分组，此时出现差错的数据分组会被超时重传。接收方正确接收重传的数据分组后，发送正确分组并向前滑动接收窗口，确认分组正确到达发送方后，将发送窗口向前滑动。此时发送方将已正确发送的数据分组从缓存中移除。