计算机网络笔记(三十二)——5.4可靠传输的工作原理
5.4.1停止等待协议
停止等待协议是计算机网络中用于实现可靠数据传输的基本协议，适用于具有比特差错或丢包的信道环境下。
一、协议核心原理
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可靠传输三要素：
- 基于确认的重传（接收方显式反馈）
- 分组序列号（识别重复分组）
- 超时重传定时器（处理确认丢失）
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基本工作流程：
- 每发送一个分组后停止等待确认
- 收到正确ACK后才发送下一分组
- 若超时未收到ACK则重传当前分组
二、关键机制设计
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数据包编号系统：
- 采用1位序列号（0/1交替）
- 解决重复分组识别问题
- 示例：编号0的ACK确认表示期待收到编号1的下一个分组
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超时重传机制：
- 时间需大于RTT（往返传播时间）
- 典型实现：每次超时后加倍等待时间（二进制指数退避）
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错误处理方案：
- ACK校验失败：静默丢弃冗余ACK
- 分组损坏检测：通过校验和确认
- 数据传输中断：发送NAK加速恢复（可选）
三、协议状态机模型
四、性能特征分析
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信道利用率公式：
U = (L/R) / (RTT + L/R)L: 分组长度，R: 传输速率，RTT: 往返时延
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典型场景效率对比：
| 网络环境 | 带宽 | RTT | 利用率 |
|---|---|---|---|
| 局域网 | 1Gbps | 1ms | >90% |
| 广域网 | 100Mbps | 100ms | <10% |
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优势与局限：
- 优点：实现简单、资源占用低
- 缺点：信道利用率低、不适用高速网络
- 演进方向：发展为滑动窗口协议提升效率
五、实际应用场景
- TFTP协议（简单文件传输）
- 无线传感器网络控制报文
- 物联网设备状态上报
- 卫星通信链路控制
六、典型问题解决
重复ACK处理：
当收到多个相同ACK时：
- 检查是否为预期序列号的ACK
- 若已处理过相同ACK则直接丢弃
- 保持当前状态不进行任何操作
示例报文交互：
Sender Receiver
|----Packet0------>|
|<-ACK0------------|
|----Packet1------>X（丢失）
|----Packet1(timeout)->|
|<-ACK1------------|
|----Packet0------>|
|<-ACK0------------|
该协议通过严格的时序控制和冗余防护机制，在不可靠信道上构建了可靠的传输通道。
5.4.2连续ARQ协议
一、协议核心机制
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滑动窗口机制
发送方维护一个发送窗口（发送缓冲区），允许在未收到确认前连续发送多个分组
窗口大小_WS_表示最大允许发送的未确认分组数量 -
累积确认机制
接收方采用累积确认方式，对按序到达的最后一个分组发送ACK
例如：收到分组1、2、3后返回ACK3，表示所有≤3的分组都已正确接收 -
超时重传机制
每个发送的分组都设置超时计时器，超时后重传整个窗口分组（Go-Back-N原理）
窗口中的某个分组n未被确认时，后续所有分组n+1…都会被阻塞
二、工作流程（基于回退N步）
三、协议要素对比表
| 特性 | 停等ARQ | 连续ARQ |
|---|---|---|
| 窗口大小 | 1 | WS ≥1 |
| 信道利用率 | 低 | 高 |
| 确认方式 | 单个确认 | 累积确认 |
| 错误处理 | 单独重传出错分组 | 重传出错分组及其后续 |
| 缓冲区要求 | 仅需1分组缓冲区 | 需要WS大小缓冲区 |
| 典型应用场景 | 低带宽网络 | 高带宽延迟积网络 |
四、关键算法实现
发送方逻辑
- 从上层接收数据组帧，存入发送窗口
- 当窗口未满时连续发送分组
- 每次收到ACKn后，窗口移动至n+1位置
- 超时事件触发全部未确认分组重传
接收方逻辑
- 只接收当前期望序号的正确分组（假设期望接收rn）
- 对rn分组进行校验：
- 通过：交付上层，返回ACK(rn)
- 失败/过时：丢弃并返回最近正确分组的ACK
五、性能优化技巧
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窗口尺寸限制
最大窗口尺寸≤2ⁿ-1（n为序号位数），避免序号混淆
例如：3位序号最多允许7个未确认分组 -
冗余ACK处理
收到3次重复ACK立即触发快速重传（改进型ARQ） -
动态窗口调整
根据网络状况动态调整窗口大小（TCP拥塞控制基础）
典型故障处理流程
当分组2丢失时：
- 接收方缓存后续分组3-4
- 持续返回ACK1（最后正确接收的分组号）
- 发送方超时后重传分组2-4
- 接收方收到分组2后，按序交付2-4并返回ACK4