数据链路·层 - 可靠传输 - 《计算机网络》

一、可靠传输概述
二、可靠传输实现机制
1.停止等待协议（SW）
回退N帧协议
- 总结
- 习题
选择重传协议
- 习题

一、可靠传输概述

使用差错检测技术（例如循环冗余校验CRC），接收方的数据链路层就可检测出帧在传输过程中是否产生了误码（比特错误）。

数据链路层向上提供的服务类型：

不可靠传输：仅仅丢弃有误码的帧，其他什么也不做。
可靠传输：想办法实现发送端发送什么，接收端就收到什么。

一般情况下，有线链路的误码率较低，为了减少开销，并不要求数据链路层提供可靠传输服务，即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理。
无线链路易受干扰，误码率较高，因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务。

传输差错：比特差错、分组丢失、分组失序、分组重复（这三个差错类型一般不会出现在数据链路层，而会出现在其上层）。
可靠的传输服务并不仅限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。

分组丢失：主机1向主机2发送的分组到达了路由器R1，由于此时R1的输入队列已经满了，此时R1根据自己的分组丢弃策略将该分组丢弃，这是分组丢弃的情况。 分组失序：主机1向主机2发送了三个分组，但他们并未按照发送顺序到达主机2，最先发送的分组并未最先到达。 分组重复：主机1向主机2发送的分组由于某些原因在网络中滞留了，没有及时到达主机2，这可能导致主机1对该分组的超时重发，重发的发组到达了主机2，一段时间后，在网络中滞留的分组到达了主机2，造成了分组重复。

二、可靠传输实现机制

1.停止等待协议（SW）

收发双方基于互联网进行通信，而不是局限在一条点对点的数据链路。

纵坐标为时间，发送方给接收方发送数据分组，接收方收到后进行差错检测，若没有误码，则接收该分组，并给发送方发送确认分组，简称为ACK。
发送方收到对所发送数据的确认分组后，才能发送下一个数据分组。
假设这个数据分组在传输过程中出现了误码，接收方收到后进行差错检测，发现了误码，则丢弃了该分组，并且给发送方发送否认分组，简称为NCK。
发送方收到对所发送数据的否认分组后，就知道了之前自己所发送的数据分组出现了差错而被接收方拒绝，于是立刻重传该数据分组，因此发送方每发送完一个分组后，并不能立刻将这个数据分组从缓存中删除，只有在收到针对该数据分组的确认分组后，才能将其从缓存中删除。
发送方每发送完一个数据分组之后，就停止发送下一个数据分组，等待来自接收方的确认分组或否认分组（停止等待协议SW）
若收到确认分组，则继续发送下一个分组
若收到否认分组，则重发之前发送的那个否认分组。
上述做法实现了发送方收到什么，接收方就收到什么，也就是所谓的可靠传输。

问题1:如果在数据传输过程中出现了数据丢失，该怎么办？答：由于出现了数据丢失，接收方收不到数据分组，就不会发送ACK或NCK，如果不采取任何措施，发送方会处于等待ACK或NCK的状态，这时可以在发送方发送完一个数据分组时，启动一个超时计时器。若到了超时计时器所设置的重传时间，而仍然收不到ACK或NCK，则重传原来的数据分组，这叫超时重传。一般可将重传时间选为大于“从发送方到接收方的平均往返时间”

问题2：如果在发送方在等待确认分组（ACK）或否认分组（NCK）中出现了分组丢失，该怎么办？答：使用超时重传和给确认分组和否认分组进行编号。

问题3：如果因为确认分组丢失，如何解决数据分组重复问题？

注意：

接收端检测到数据分组有误时，将其丢弃并等待发送方超时重传，但对于误码率较高的点对点链路，为使发送方尽早重传，也可以给发送方发送NAK分组。
为了让接收方能够判断所接收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号，由于·等待协议的停等特性，只需要1个·比特信号就够了。
为了让接收方能够判断所接收到的ACK分组是否是重复de，需要给ACK分组编号，所用比特数量与分组编号所用的比特数量一样。但在数据据链路层一般不会出现确认分组ACK迟到的情况，所以对数据链路层实现停止-等待协议可以不用给ACK分组编号。
超时计数器设置的重传时间应该仔细选择，一般可将重传时间选为大于“从发送方到接收方的平均往返时间”

在数据链路层点对点的往返时间比较确定，重传时间好设定。然而在运输层，由于端到端往返时间不确定，设置重传时间不容易。

当往返时间RTT远大于数据帧发送时延时（例如卫星链路），信道利用率极低。
若出现重传，则对于传送有用数据信息来说，信道利用率还要降低。
为了克服停止-等待协议信道利用率很低的特点，就产生了另外两种协议，即后退N帧协议GBN和选择重传协议SR。

回退N帧协议

该协议在流水线传输的基础上，利用发送窗口可连续发送数据分组的个数。使用停止-等待协议的发送方只能发送一个数据分组，而回退N帧协议的发送方可以发送5个数据分组。接收方的接收窗口Wr=1，与停止等待协议相同。当序号落在发送窗口中的序号可以被连续发送，而不必等收到接收方相应确认分组后再发送。无差错情况（没有出现比特错误/分组重复/分组失序/分组丢失）：发送方将落在窗口内的0~4号数据分组，依次连续发送出去，经过互联网的传输，正确到到达了接收方，接收方按序接受他们，每接收一个，接收窗口就向前滑动一个位置，并给发送方发送针对所接收分组的确认分组。0~4号确认分组正确到达发送方，发送方每接收一个确认分组，发送窗口就前向前滑动一个位置，新的序号落入了发送窗口，发送方就可以将收到确认的数据分组从缓冲中删除了。累计确认情况：使用N帧回退协议的接收方不需要对收到的数据分组逐个发送确认，而是在收到几个数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。ACKn表示序号n及以前的所有数据分组都已正确接收了。举例说明：
发送方将落在窗口内的0~4号数据分组，依次连续发送出去，经过互联网的传输，正确到达了接收方，接收方按序接收他们，当接收方收到0号和1号数据分组后，给发送法发送了一个累计确认ACK1，当接收完2~4号分组后，又给发送方发送累计确认ACK4。
假设ACK1在传输过程中丢失了，而ACK4正确到达了发送方，发送方接收ACK4后就知道了，序号为4及之前的数据分组已被接收方所接收，。于是将窗口向前滑动5个位置，新的序号落入发送窗口。发送方就可以将收到确认的数据分组从缓冲中删除了。接收方可以将已接收的数据分组交付给上层处理。
优点：（1）即使确认分组丢失，发送方也可能不必重传。
           （2）可以减小接收方的开销，减少网络资源的占用。
缺点：（1）不能向发送方及时反应出接收方已经正确接收的数据分组信息。
有差错情况：

发送方将落在窗口内的5~1号数据分组，依次连续发送出去，经过互联网的传输，正确到达了接收方.
假设5号的数据分组出现了误码,接收方通过检错码发现了错误。于是丢弃该数据分组，而后序到达的数据分组的序号与接收窗口中的序号不匹配，接收方同样不能接收他们，并对之前按序接收的最后数据分组进行确认，也就是发送ACK4，

每丢弃一个数据分组，就发送一个ACK4，这4个ACK4经过传输到达了发送方，但是发送方之前就接收过ACK4，当收到重复的ACK4时，就知道了之前发送的数据分组出现了差错，于是可以不等超时计数器超时，立刻进行重传，至于收到几个重复确认，由具体实现决定。

假设发送方收到4个重复的确认信息并不会立刻触发发送方立刻重传。一段时间后，超时计数器出现超时。发送方将发送窗口内已发送过的数据全部重传，在本例中，尽管序号为6、7、0、1的数据分组之前已正确的到达接收方，但是因为5号数据分组误码，后面序号的数据分组也不被接受，发送方还要重传这些正确到达的数据分组。
缺点：在通信线路信号不好时，回退N帧协议的信道利用率并不比停止-等待协议高。

注意：发送方的窗口取值范围不能超过总序号，要不接受方无法分辨新、旧分组，进而会产生分组重复这种传输差错。