16、可靠数据传输（rdt）的原理

一、可靠的数据传输（rdt）
1、什么是可靠数据传输：不出错、不冲突、不失序、不丢失
2、如何实现可靠数据传输？
需要借助于下层提供的协议，但是如果下层提供服务不可靠呢？本层的协议机制，协议实体要靠什么机制的安排实现可靠的服务？
采用渐增式的开发可靠数据传输协议（rdt）的发送方和接收方。
3、rdt
1、只考虑单向数据传输
2、双向的数据传输问题实际是两个单向数据传输问题的综合
3、使用有限状态机（FSM）来描述发送方和接收方
4、rdt在应用层、传输层和数据链路层都很重要，是网络TOP10问题之一
5、信道的不可靠性特点决定了可靠数据传输（rdt）的复杂性

二、Rdt1.0
1、使用场景：下层的信道是完全可靠的：没有比特差错，没有分组丢失
2、发送方和接收方的FSM：发送方将数据发送到下层信道，接收方从下层信道接收数据
所以rdt1.0做的工作就是封装和解封装

三、Rdt2.0：具有比特差错的信道
1、使用场景：下层信道可能出现差错：将分组中的比特翻转，0变为1,1变为0（用校验和来检测差错）
2、确认ACK：接收方显式的告诉发送方分组已经被接收
否定确认NAK：接收方显式地告诉发送方分组出现了差错（发送方接收到NAK后，会重传分组）
3、过程：发送方发送packet到下层信道，接收方接收，通过校验和发现数据有差错，返回NAK,发送方再次发送原packet；无差错返回ACK，发送方发送新的pactet
4、所以Rdt2.0新机制就是采用了差错控制编码进行差错检测
5、发送方和接受方的FSM:
（1）发送方状态：等待来自上层的调用、等待ACK / NAK
（2）接收方：等待来自下层的调用

最后细想一个问题，发送的packet可能会出现错误，但是返回的ACK / NAK是不是就一定是正确的呢？答案肯定是否定的，但是发送方应该怎么做呢？重传？可能会重复，不重传？可能会造成死锁或出错
所以引出了 Rdt2.1

四、Rdt2.1
1、为了处理上面所描述的问题，也就是在不知道发送的 ACK / NAK是否出现差错的情况下，Rdt2.1采用再次传输的方法，并且在传输的每个packet中都会加上序号，若没有错误，则根据序号将这个packet跑调，这样子就解决可能存在ACK / NAK出现错误，又能避免没有错误时的重复
2、因为每次只会发送一个分组然后等待确认，所以只需要两个序列号就够了（0和1），检测ACK / NAK是否出错同样使用EDC；原本只需要等待数据的发送，现在有了序号，状态也就变成了两倍，成了等待0与等待1
2、这种发送方只发送一个分组，然后等待接收方的应答的方式称为停止等待协议

五、Rdt2.2（无NAK协议）
1、功能与Rdt2.1相同，但是只用ACK（ACK需要编号）
2、接收方对最后正确接收的分组ACK，以代替NAK（接收方必须显式地包含被正确接收的分组的序号）
3、当收到重复的ACK时，发送方则重传当前分组

总结：其实就是在发送方发送一个packet，接收方若没有错，则返回ACK+序号，再次发送若出错了，则再次发送上次这个ACK+序号，没出错序号便是新的序号了。
问题：当第一个传输的分组就出错了，应该如何返回？
答案：事实上如果第一个就出现错误，前面没有ACK可返回，那发送方在一定时间内没有收到返回信息，便会重传（超时重传），这个就是Rdt3.0。

六、Rdt3.0
1、当下层信道可能会丢失分组（数据或ACK）：会死锁，也就是上面提到的发送方一直没有收到接收方的返回信息，这时候就引入超时重传（需要一个倒计时定时器）

问题：每次都是只能发送一个，当信道非常大的时候，传输的packet在信道中损耗的时间是非常多的，如何解决？
答案：采用流水线方式，提高链路的利用率

七、流水线协议
1、流水线：允许发送方在未得到对方确认的情况下一次发送多个分组
2、必须增加序号的范围：用多个bit表示分组的序号
3、在发送方/接收方要有缓冲区
（1）发送方缓冲：未得到确认，可能需要重传，需要将发送的分组放在缓冲区
（2）接收方缓存：上层用户取用数据的速率！= 接收到的数据从速率，接收到的速率可能会乱序，需要排序交付
4、流水线协议：回退N步（GBN）和选择重传（SR）

八、通用窗口协议（缓冲区协议）：
1、发送缓冲区：
（1）发送缓冲区：
a.形式：内存中的一个区域，落入缓冲区的分组可以发送
b.功能：用于存放已发送，但是没有得到确认的分组
c.必要性：需要重发的时候可以用
（2）缓冲区大小：一次最多可以发送多少个未经确认的分组
a.停止等待协议=1
b.流水线协议>1,合理的值，不能很大，链路利用率不能超过100%
（3）发送缓冲区中的分组
a.未发送的：落入发送缓冲区的分组，可以连续发送出去
b.已经发送出去的，等待对方确认的分组；缓冲区中只有得到确认的分组才能删除
2、接收缓冲区：
（1）接收窗口=接收缓冲区；传输的分组序号只有落在窗口范围内才允许内接收；若落在接收窗口范围外，则被丢弃
（2）接收窗口尺寸Wr=1,则只能顺序接收，成称为累计确认（GBK协议）；Wr>1,则可以乱序接收，三号窗口确认了，但是前面2号窗口不一定就确认了，称为非累计确认（SR协议）。
3、窗口的滑动
（1）正常情况下窗口的滑动
a.发送窗口：有新的分组落入发送缓冲区范围，发送->前沿滑动；来了老的底序号分组的确认->后沿向前滑动->新的分组可以落入缓冲区的范围
b.接收窗口：收到分组，落入到接收窗口的范围内，接收；是底序号，发送确认给对方
（2）异常情况下GBK窗口的滑动
a.原因：传输过程中的分组可能丢失、出错；接收方给的确认没有达到发送方。
b.过程：接收方缓冲区大小为3情况下，在发送方发送分组的过程，2号分组丢失，1号分组确认收到后，接收方窗口不会向前滑动，因为2号分组的窗口是空的，而再接下来发送方在等待2号分组的确认信息是等不到的，所以最后触发超时重传。
c.后果：超时重传时发送方会将已发送但是未确认的全部重传一遍。
（3）异常情况下SR窗口的滑动
a.因为SR协议下的接收方是可以乱序接收的，也就是发送方可以发送多个，接收方可以乱序接收，也就意味着在缓冲区的范围内，若某个分组丢失，缓冲区的其他分组是可以照常确认的，只不过缓冲区窗口前沿不会向前移动，在等待丢失的分组超时触发器触发时，会将分组重传。SR协议下发送方每发一个协议，就会设定一个超时触发器。
4、GBK协议和SR协议的异同
（1）相同之处：发送窗口>1，一次可以发送多个未经确认的分组
（2）不同之处：GBK接收窗口=1，所以只能顺序接收；SR接收窗口>1，可以乱序接收
5、总结

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