TCP连续ARQ协议和滑动窗口协议
TCP协议通过使用连续ARQ协议和滑动窗口协议,来保证数据传输的正确性,从而提供可靠的传输。
一、ARQ协议
ARQ协议,即自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest),是OSI模型中数据链路层和传输层的错误纠正协议之一。它通过使用确认和超时这两个机制,在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输。如果发送方在发送后一段时间之内没有收到确认帧,它通常会重新发送。ARQ包括停止等待ARQ协议和连续ARQ协议,拥有错误检测(Error Detection)、正面确认(Positive Acknowledgment)、超时重传(Retransmission after Timeout)和 负面确认及重传(Negative Acknowledgment and Retransmission)等机制。
(1)停止等待ARQ协议
要想弄明白为什么TCP要使用连续ARQ协议,首先需要弄清楚停止等待ARQ协议的原理。
TCP 连接是全双工的连接,也就是说在通信的时候,双方既是发送方,也是接收方。下面为了简化问题,只考虑一方发送,一方接受的情况。其中,A作为发送方,B作为接收方。
1.无差错情况
A发送分组M1,发送完就暂停发送,等待B的确认。B收到M1就向A发送确认。A在收到了对M1的确认后,就再发送下一个分组M2。依次下去发送剩余的数据...如下图所示:
2.出现差错
如果A发送的过程中出现差错,B在接收M1时检测出了差错,就丢弃M1,其他什么都不做(也不会通知A收到有差错的分组)。又或者A传送的过程中分组丢失了,以上这两种情况下,B不会发送任何信息。
既然说它是可靠传输协议,那自然有它可靠的方法:如果发生以上的情况,A只要超过了一段时间仍然没有收到确认,就认为刚才发送的分组丢失了,所以它会重传刚刚的发送过的分组,也就是所谓的超时重传。
超时重传的原理也很简单:发送方发送完一个分组后,就会设置一个超时计时器,如果超时计时器到期之前没有收到接收方发来的确认信息,则会重发刚发送过的分组;如果收到确认信息,则撤销该超时计时器。如下图所示:
这里应该注意的是:
①既然发送方发送的分组可能丢失或者有差错,可能需要重传,那么它必须暂时保留已发送的分组副本,只有收到确认后,才清除这个副本。
②分组和确认分组信息都应该有各自的编号,用来标示每一个分组和确认信息。(这样才知道需要发送哪个分组,收到了哪个分组的确认信息)
③超时计时器设置的时间应该略长于分组传送往返时间。
3.确认丢失和确认延迟
没有正常进行通信,除了发送方出现问题外,接收方同时也可能存在问题。
例如,如果A发送了M1分组,到达B,B发送了M1确认信息,但由于网络原因,该确认信息丢失。那么这个时候,A在超时重传时间内,没有收到B的确认信息,而且它并不知道是自己的分组有差错、丢失,还是B发生的确认丢失了。因此,A会在超时重传过后,重传M1分组。
接收方B会采取这两个行动:
①B会丢弃M1分组,不向上层交付。(B之前已经收到过M1分组了)
②向A发送确认(因为A重发了,肯定重传时间内没有收到确认信息)
还有可能是另一种情况,就是B发送了确认,没有丢失,但是延迟了。也就是说,B发送的确认在A超时计时器过期后才到达。 这种情况下,A收到确认信息后会丢弃,然后重传刚才的分组,B收到后,丢弃重复的分组,并重传确认信息。
根据上述的确认和重传机制,我们就可以在不可靠的网络上实现可靠的传输。
4.信道利用率
停止等待ARQ协议的优点是简答,但也有很严重的确定,就是信道利用率太低。如下图所示:
信道利用率U = TD / (TD + RTT + TA)
(2)连续ARQ协议
由于停止等待ARQ协议信道利用率太低,所以需要使用连续ARQ协议来进行改善。这个协议会连续发送一组数据包,然后再等待这些数据包的ACK。
发送方采用流水线传输。流水线传输就是发送方可以连续发送多个分组,不必每发完一个分组就停下来等待对方确认。如下图所示:
连续ARQ协议通常是结合滑动窗口协议来使用的,发送方需要维持一个发送窗口,如下图所示:
图(a)是发送方维持的发送窗口,它的意义是:位于发送窗口内的5个分组都可以连续发送出去,而不需要等待对方的确认,这样就提高了信道利用率。
连续ARQ协议规定,发送方每收到一个确认,就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。例如上面的图(b),当发送方收到第一个分组的确认,就把发送窗口向前移动一个分组的位置。如果原来已经发送了前5个分组,则现在可以发送窗口内的第6个分组。
接收方一般都是采用累积确认的方式。也就是说接收方不必对收到的分组逐个发送确认。而是在收到几个分组后,对按序到达的最后一个分组发送确认。如果收到了这个分组确认信息,则表示到这个分组为止的所有分组都已经正确接收到了。
累积确认的优点是容易实现,即使确认丢失也不必重传。但缺点是,不能正确的向发送方反映出接收方已经正确收到的所以分组的信息。比如发送方发送了前5个分组,而中间的第3个分组丢失了,这时候接收方只能对前2个发出确认。而不知道后面3个分组的下落,因此只能把后面的3个分组都重传一次,这种机制叫Go-back-N(回退N),表示需要再退回来重传已发送过的N个分组。
二、滑动窗口协议
滑动窗口协议在在发送方和接收方之间各自维持一个滑动窗口,发送发是发送窗口,接收方是接收窗口,而且这个窗口是随着时间变化可以向前滑动的。它允许发送方发送多个分组而不需等待确认。TCP的滑动窗口是以字节为单位的。
如下图所示,发送窗口中有四个概念::已发送并收到确认的数据(不在发送窗口和发送缓冲区之内)、已发送但未收到确认的数据(位于发送窗口之内)、允许发送但尚未发送的数据(位于发送窗口之内)、发送窗口之外的缓冲区内暂时不允许发送的数据。
接收窗口中也有四个概念:已发送确认并交付主机的数据(不在接收窗口和接收缓冲区之内)、未按序收到的数据(位于接收窗口之内)、允许的数据(位于接收窗口之内)、不允许接收的数据(位于发送窗口之内)。
规则:
(1)凡是已经发送过的数据,在未收到确认之前,都必须暂时保留,以便在超时重传时使用。
(2)只有当发送方A收到了接收方的确认报文段时,发送方窗口才可以向前滑动几个序号。
(3)当发送方A发送的数据经过一段时间没有收到确认(由超时计时器控制),就要使用回退N步协议,回到最后接收到确认号的地方,重新发送这部分数据。
此外,TCP利用滑动窗口协议来进行流量控制,如下图所示:
参考资料:
1、ARQ-维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/ARQ
2、TCP/IP(三) —— 可靠传输工作原理 http://pmghong.blog.51cto.com/3221425/1242470
3、TCP可靠传输&流量控制&拥塞控制 http://my.oschina.net/manmao/blog/601585
4、计算机网络【七】:可靠传输的实现 http://blog.chinaunix.net/uid-26275986-id-4109679.html
5、TCP/IP之TCP协议(3):流量控制(滑动窗口协议)http://blog.csdn.net/wbw1985/article/details/4879224
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