计算机网络之流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，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。

打个比方就像我喂犯人吃饭，如果我把饭送进去，犯人送出来一个空碗，就说明犯人还有胃口，还可以再吃，就暗示我们继续送。这个空碗就像是一个确认帧，来告诉发送方还可以继续发送。

传输层流量控制手段:接收端给发送端一个窗口公告。

流量控制的方法

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。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jzWnJ5w7-1667573138937)(D:\学习！！\Typora各种图片\停止等待协议.png)]

效率是比较低的。

为什么要有停止等待协议？

除了比特出差错，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。（在链路层就叫帧，在网络层叫做ip数据报或者分组，在传输层就叫数据段 ）

研究停止等待协议的前提？

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)。

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传送的。

停等协议有几种应用情况?

无差错情况&有差错情况

无差错情况

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有差错情况

数据帧都是或检测到帧出错

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打个比方就像女生给男朋友发消息，但男生没有及时回复，女生就会自动发送下一条，或者打电话。

需要注意！

1.发完一个帧后，必须保留它的副本。

⒉数据帧和确认帧必须编号。（保证每个帧不会重复传递）

ACK（确认帧）丢失

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ACK（确认帧）迟到

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6Mt6M08g-1667573138944)(D:\学习！！\Typora各种图片\ACK迟到.png)]

性能分析

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hmeL6NNP-1667573138945)(D:\学习！！\Typora各种图片\停止等待协议性能分析.png)]

优点就是简单，缺点就是信道利用率低：
信道利用率U=T0T0+RTT+TA信道利用率U=\frac{T_0}{T_0+RTT+T_A} 信道利用率U=T0+RTT+TAT0

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。
信道利用率=(L/C)/T信道利用率=(L/C)/T信道利用率=(L/C)/T
T表示发送周期从，开始发送数据，到收到第一个确认帧为止

L表示T内发送L比特数据

C表示发送方数据传输率

信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

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滑动窗口协议——后退N帧协议（GBN）和选择重传协议（SR）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-u2Kdu7MM-1667573138947)(D:\学习！！\Typora各种图片\滑动窗口协议.png)]

停止-等待协议可以看作是一种特殊的滑动窗口协议

协议	窗口大小
停止-等待协议	发送窗口大小=1，接收窗口大小=1;
后退N帧协议(GBN）	发送窗口大小>1，接收窗口大小=1;
选择重传协议(SR）	发送窗口大小>1，接收窗口大小>1;

后退N帧协议（GBN）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KC7wVdRU-1667573138948)(D:\学习！！\Typora各种图片\后退N帧协议中的滑动窗口.png)]

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,发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。(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)。

⒉收到了一个ACK（数据帧）

GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认（非常重要）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。就像在停等协议中一样，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，发送方重传所有己发送但未被确认的帧。

GBN接收方要做的事

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。

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)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rErfEebe-1667573138949)(D:\学习！！\Typora各种图片\运行中的GBN.png)]

滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸WTW_TWT应满足1≤WT≤2n−11\leq W_T\leq2^n-11≤WT≤2n−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。**接受窗口大小为1。

例如在一个2比特对帧编号的数据报，123123…选用尺寸4对其进行传送，如果第一个帧0就丢失了，那么会进行重传操作，此时又发送了一遍0123，那么接收方就无法识别这是新的0123还是旧的0123，导致传输出错

例题

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

考虑制约甲的数据传输速率的因素；首先，信道带宽能直接制约数据的传输速率，传输速率一定是小于等于信道带宽的。其次，因为甲乙主机之间采用后退N帧协议传输数据，要考虑发送一个数据到接收到他的确认之前，最多能发送多少数据，甲第最大传输速率受这两个条件约束，所以甲的最大传输速率就这两个值之间的最小值。

首先计算甲将发送窗口中所有的数据发送出去需要的时间：
1000×1000×8bit(1字节)100×106b/s=80ms\frac{1000\times1000\times 8bit(1字节)}{100\times10^6b/s}=80ms 100×106b/s1000×1000×8bit(1字节)=80ms
再计算传输延迟+甲发送第一个帧的发送时长：
2×50ms+1000×8bit100×106b/s=100.08ms2\times50ms+\frac{1000\times8bit}{100\times10^6b/s}=100.08ms 2×50ms+100×106b/s1000×8bit=100.08ms
计算最大平均数据传输率：
1000×1000100.08≈80Mb/s\frac{1000\times 1000}{100.08}\approx80Mb/s 100.081000×1000≈80Mb/s
比较min{80Mb/s,100Mb/s}min\{80Mb/s,100Mb/s\}min{80Mb/s,100Mb/s}

选C。

选择重传协议（SR）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-anGI6x7P-1667573138950)(D:\学习！！\Typora各种图片\选择重传协议中的滑动窗口.png)]

SR发送方必须响应的三件事

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。

⒉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），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

3.超时事件
每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

SR接收方要做的事

来者不拒(窗口内的帧)
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该帧的确认帧【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。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-as2M9Jan-1667573138950)(D:\学习！！\Typora各种图片\来者不拒.png)]

运行中的SR

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BqDC6tzA-1667573138951)(D:\学习！！\Typora各种图片\运行中的SR.png)]

SR滑动窗口的长度

发送窗口最好等于接受窗口。（大了会溢出，小了没意义）
WTmax=WRmax=2n−1W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{n-1} WTmax=WRmax=2n−1
WTmaxW_{Tmax}WTmax表示发送窗口，WRmaxW_{Rmax}WRmax表示接收窗口。
M9Jan-1667573138950)]

运行中的SR

[外链图片转存中…(img-BqDC6tzA-1667573138951)]

SR滑动窗口的长度

发送窗口最好等于接受窗口。（大了会溢出，小了没意义）
WTmax=WRmax=2n−1W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{n-1} WTmax=WRmax=2n−1
WTmaxW_{Tmax}WTmax表示发送窗口，WRmaxW_{Rmax}WRmax表示接收窗口。