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计算机网络第九章——数据链路层《流量控制和可靠传输》

news 来源：原创 2025/6/26 23:45:21

一、回顾概念

前面上一章讲了数据链路层的《差错控制》，那么回顾一下差错控制和可靠传输的区别：

差错控制：发现一个帧里的【位错（比特错）】
检错（奇偶校验码、CRC循环冗余校验码）：接收方发现错后丢帧或让发送方重传
纠错（海明码）：接收方发现错后自己改

可靠传输：发现并解决【帧错】，帧错包括
帧丢失：解决办法是设置 “超时计时器”，当 “计时器超时” ，发送方就自动再发一次
帧重复：解决办法是给帧设置编号（数据帧和确认帧都要设置编号，后面会细讲）
帧失序：也是给帧设置编号、还有3大滑动窗口机制（停止等待协议、GBN协议、SR协议）重要！！！

注意了！！根据【有线】和【无线】2种信道，数据链路层会分别向上提供【不可靠传输服务】和【可靠传输服务】

因为有线的以太网（像IEEE802.3、CSMA/CD）通常误码率极低，就算有问题上层也可以自己搞定，不需要数据链路层提供可靠传输
而无线网络（像IEEE802.11、CSMA/CA）容易受到干扰、误码率大，必须要数据链路层可靠传输

二、可靠传输机制基本解决方案

1、“一问一答”的确认机制

首先我们需要知道，数据链路层通信时我们需要用 “一问一答” 的形式通信，发送方发的信息接收方必须回复收到了！不能 “冷暴力” 发送方！

例子：

你要是敢不回你女朋友的信息就死定了，数据链路层同理，每发一句都要回复：“收到！”

所以数据链路层规定：

发送方发过去的【数据】——【DATA】
接收方返回【收到】——【ACK】
如果接收方发现有问题，也得回复【有问题】——【NAK】（仅在SR协议中用到）

2、对于【帧丢失】问题

就是设置【超时计时器】，如果发送方发了信息等了很久还没收到接收方的回复ACK，超时了就再发一次上一个数据帧

（就像你女朋友问你一个事，结果网卡没发出去，看你半天不回复，她就再问你一遍）

3、对于【帧重复】和【帧失序】问题

各个帧的传输速度不一样，可能有的排在后面的帧会比前面的帧先到达接收方；由于网络故障接收方的ACK也可能超时回复，从而导致发送方在超时后重复发了一样的数据帧

要解决这些问题，最基本的方法就是【给帧编号】！！而且要求【发送方数据帧】和【接收方回复帧】都要编号！！！！

；

好理解的例子：（这里暂时忘了给发送方的数据帧编号，各位知道就行）

三、滑动窗口机制 (重点)

1、滑动窗口概念

【滑动窗口机制】是数据链路层控制【可靠传输】和【流量控制】的流程和手段！！！

简单概念，不是考试重点，但是要看明白是啥意思：

简单说就是：

发送方只能发他的【发送方的窗口大小WT以内】的数据帧，如果发送方发的速度太快超出了窗口，那超出的帧不让发
接收方只接收【接收方的窗口大小WR以内】的数据帧，发送方如果发得太快，超出的帧接收方可以不要丢掉

就像你的碗就那么大，但是你妈一直在给你夹菜，那你就得控制你妈了：你的碗盛满的时候还夹菜给你就丢掉；你妈也要限制在一个范围内给你夹菜，比如已经范围是3个鸡腿，已经夹了3个鸡腿之后就不准再给我夹第四个了！！

直到你把碗里的吃完，开始第二碗开干、你妈也开始夹下一轮的菜：第4个、第5个、第6个鸡腿

对于如何给帧编号

我们并不知道一个分组数据有多少帧？而且也不知道各个分组的帧一不一样？那么我们就规定了帧编号使用n位，这n位需要满足：WT + WR <= 2^n

回想计算机组成原理知识点，3bit能表示2^3=8进制（0~7）、4bit能表示2^4=16进制（0~15），所以nbit可以表示2^n个十进制数，一样的道理

2、滑动窗口3个协议

3、S-W停止等待协议

（1）记住两个重点：

1、严格要求【一问一答】，发送窗口和接收窗口固定死是1（帧）
2、正因为是因为发送窗口和接收窗口固定死是1（帧），所以帧的编号是需要【1bit】（0或1）

（2）具体流程和细节（了解即可）

        之所以帧编号取1位的原因就是，发送窗口和接收窗口距离始终不超过1，发送窗口随着接收窗口往后移动才移动

        当接收方收到错误的数帧，可以选择直接丢掉并不返回ACK，然后让发送方时钟超时重传正确的数据帧；

        如果发送方的数据帧丢失，则接收方也不会返回ACK，直到时钟超时再传一次

        而接收方的回复确认帧ACK如果丢失了，但是接收窗口确实收到了数据所以会往后移动，而发送方没收到ACK则不会往后移动，超时后重传这个重复数据帧，那么因为有【帧编号】，接收方会检查是否重复了，是的话就丢弃并返回ACK，这样发送方再正常往后移动

此时接收窗口在数据帧【编号0】处，但发送方却发【编号1】，说明【编号1】已经发过了重复了，不然接收窗口不可能自己到【编号0处】

（3）停止等待协议的信道利用率

如图所示：

去分析这个公式我们可以知道，要想让信道利用率大，那么分母要小、分子要大；反正则信道利用率小。

那么分母大的情况通常是RTT影响，当两个主机距离贼远，那信道距离就变长了，从而往返时延就大！！
而分子小的情况就是发送方的传输速率很高，从而导致传输时延小（传输时延 = 发送数据大小 / 传输速率）
简单来说就是看一次信息发送完成里，【传输(发送)时延】占【总的时间(接收双方传输时延和往返传播实验)】的比重

记住这种通过【重传-确认】的自动化机制，通常叫【自动请求重传ARQ协议】

例题

4、GBN回退N帧协议

（1）概念理解

GBN全拼Go-Back-N，对应中文回退N帧

S-W停止等待协议里，发送方需要等待接收方的ACK回复，即便是网络极好的理想状态依旧太慢了，信道利用率低；所以GBN创造了“流水线”的协议，无需等待接收方ACK，发送方直接一直发数据，同时接收方也会返回ACK

（2）重点！

1、3个机制的总体要求是 WT + WR <= 2^n，不过回退N帧协议只需要记住：发送窗口WT <= 2^n - 1、接收窗口WR固定死只有 1
2、累计确认机制：只有GBN回退N帧有，就是只要发送方收到第N个ACK，那么自动默认前面第N个和他之前的数据帧接收方都已经接收到了！！！
3、最理想状态可以实现【100%的信道率】

（3）流程细节

正常情况

发送方正常连贯往前发，收到第N-1个ACK之后，发送窗口就会往前移动到第N位；

注意这里发送窗口的每一帧都有一个计时器，分别计时这一帧的ACK返回是否超时

发送方丢失情况

        当发送方的数据帧丢失了，接收窗口没收到就不会往前移动，也不会发ACK确认帧，同时发送方超出接收窗口的帧还在发，而接收方接收到超过接收窗口的帧，就会丢掉

        然后再次返回接收窗口的上一个ACK确认帧，此时发送方就知道这个编号的ACK和他之前的帧都已顺利被接收，只需要把发送窗口移动到ACK帧编号的前一位

        然后因为没有丢失帧的位置没有收到ACK确认，从而超时重传，这样就又达到了完整流畅的流水线

注意：【回退N帧】不是指滑动窗口回退，而是指【回退到第N位重新传数据帧！！！！】

确认帧ACK丢失

如果接收方的ACK确认帧丢失，接收窗口移动到下一位

而此时前面发送方的数据帧部分一直没收到ACK而超时重传，而当前在最前面的接收窗口没有收到对应自己编号的数据帧，就会知道这些都是非法的重复帧，直接丢弃，并再次发送自己接收窗口的前一个的ACK确认帧

发送方收到后就移动到这第N个ACK编号的后一位N+1，然后再重新开始传输，又恢复了正常的流水线

（4）为什么一定要发送窗口是WT <= 2^n - 1（了解即可）

看例子，假设先让WT = 2^n > 2^n-1

帧编号取3位，则滑动窗口是2^3 = 8位

假设所有的ACK确认帧都丢失

那么当前接收窗口往前移动一位之后，居然对应着下一组编号的编号0，然后前面的发送方的数据帧因为没收到ACK开始超时重传，第0位传过来刚好对应接收窗口编号0，那么就会这么误打误撞错着传下去

但如果发送窗口是2^3-1 = 8 - 1 = 7

那么第6位的接收窗口移动一位之后在第7位

发送方数据帧超时重传，但是和接收窗口编号不对应，那么接收窗口就会返回它的上一个ACK编号6

然后发送方就明白0~6都已经接收到了，直接移动到第7位开始传就行了

例题

5、SR选择重传机制

SR全拼：Selective Repeat

（1）重点：

1、发送窗口和接收窗口都大于1，但是！发送窗口WT >= 接收窗口WR，而且WT + WR <= 2^n（因为发送窗口是根据接收窗口而移动的，接收窗口只有接收了对应编号的数据帧才会动，那如果发送窗口比接收窗口小，那接收窗口右边永远获得不到发送方的数据帧，接收窗口也永远不会动，从而发送窗口也永远不动，死循环。。。）
2、和GBN回退N帧不同的是，SR协议只能对应每一个数据帧都回复确认帧ACK
3、发送方每个数据帧也都有计时器，哪个数据帧没收到确认帧ACK就超时重传(可以多个同时一起传)，只要是在发送窗口和接收窗口之内，相当于每一对发送帧和确认帧完全是一对一关系，自己计时自己传

不满足，因为WT < WR

（2）细节流程

正常情况

通常情况都是WT == WR

然后每个编号数据帧对应确认帧，都有自己的计时器，发送窗口连贯着发过去数据帧、然后确认帧也连贯着返回，发送方可以不用等待ACK确认帧，但是每一个数据帧

数据帧丢失

数据帧丢失的情况，各个帧计时器会检测是哪几个帧没有返回ACK而导致超时

然后接收方和发送方都只能向后移动到【第一个没有返回ACK而超时的帧】

然后发送方重传，而移动完后只要在发送窗口内的数据帧都可以一起向接收方传

数据帧错误

SR可以主动地返回NAK，告诉发送方赶紧重传一个数据帧

这样就减少了计时器超时地这个时间，是SR地特点

同理，接收方和发送方只会向后移动到【第一个要重传的帧】的位置

最后移动到最后一个收到的确认帧ACK的位置的后一位，开启下一轮传数据

确认帧丢失

当确认帧丢失后，因为前面说了数据帧和确认帧是一对一关系，接收窗口会不管那么多直接移动到【最后一ACK确认帧的后一位】，因为他只会以为自己回复了

发送窗口会移动到【第一个没收到ACK】的数据帧位置

然后没收到ACK的数据帧位置超时重传，同时进加入到发送窗口的数据帧也可以开始发数据

接收方收到对应接收窗口编号的【最新的数据帧】只会，还是自顾自往后移动

而前面【超时重传的数据帧】因为不在接收窗口，会被认为是【重复数据帧】

那么直接返回【确认帧ACK】

发送方那些超时重传的数据帧收到ack确认帧之后，才算满意，这时候发送窗口移动到【最后一个ACK的后一位】

例题

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编程日记 2025/6/26 13:16:43