流量控制与可靠传输

流量控制概述

流量控制（Flow Control）是数据链路层的核心功能之一，用于协调发送方和接收方之间的速率差异，防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出、数据丢失。

流量控制

流量控制是一种机制，通过限制发送方的发送速率，使之不超过接收方的接收和处理能力，从而保证数据的可靠传输。

流量控制与差错控制密切相关，共同构成了可靠传输机制。可靠传输的核心思想是：通过确认（ACK）和超时重传（Timeout Retransmission），确保数据正确、有序地到达接收方。

停止-等待协议（Stop-and-Wait）

停止-等待协议是最简单的可靠传输协议。

工作原理

发送方发送一帧后，停止发送，等待接收方的确认（ACK）
接收方收到正确的帧后，发送 ACK 给发送方
发送方收到 ACK 后，才发送下一帧
如果发送方在规定时间内（超时计时器）未收到 ACK，则重传该帧

为了解决重复帧的问题（ACK丢失导致发送方重传，接收方收到两个相同的帧），需要对帧进行编号。停止-等待协议使用 1 比特序号（0 和 1），ACK 也带序号，表示”期望收到的下一帧序号”。

信道利用率分析

停止-等待协议的最大问题是效率低。发送方在等待 ACK 的时间内，信道处于空闲状态。

设：

$T_t$ ：帧的传输时延（发送一帧所需时间）= 帧长 / 数据率
$T_p$ ：信号传播时延 = 链路长度 / 信号传播速度
$T_a$ ：ACK 的传输时延（通常很小，可忽略）

一个完整的周期为：发送帧 $T_t$ + 传播到接收方 $T_p$ + 发送 ACK $T_a$ + ACK 传播回发送方 $T_p$

信道利用率（发送方忙的时间占总周期的比例）：

$U = \frac{T_t}{T_t + 2T_p + T_a} \approx \frac{T_t}{T_t + 2T_p}$

当传播时延 $T_p$ 远大于传输时延 $T_t$ 时（如卫星链路， $T_p$ 约 250ms），停止-等待协议的信道利用率极低，可能不到 1%。这就是为什么需要滑动窗口协议。

滑动窗口协议（Sliding Window）

滑动窗口协议通过允许发送方在收到确认之前连续发送多个帧，大大提高了信道利用率。

基本概念

发送窗口（Send Window）：发送方允许发送但尚未收到确认的帧的序号范围。窗口大小记为 $W_T$ 。
接收窗口（Receive Window）：接收方允许接收的帧的序号范围。窗口大小记为 $W_R$ 。
窗口滑动：当发送方收到 ACK 后，发送窗口向前滑动；当接收方收到帧并发送 ACK 后，接收窗口向前滑动。

序号空间

帧的序号用 $n$ 比特表示，序号范围为 $0 \sim 2^n - 1$ 。为了避免新旧帧的序号混淆（即接收方无法区分是新帧还是重传的旧帧），发送窗口大小必须满足：

$W_T + W_R \leq 2^n$

对于 GBN 协议， $W_R = 1$ ，故 $W_T \leq 2^n - 1$ 。对于 SR 协议， $W_T = W_R$ ，故 $W_T \leq 2^{n-1}$ 。

后退 N 帧协议（Go-Back-N, GBN）

GBN 是滑动窗口协议的一种实现，其特点是接收窗口大小为 1，即接收方只按序接收帧。

工作原理

发送方可以连续发送发送窗口内的多个帧，无需等待确认
接收方只接受按序到达的帧。如果收到乱序的帧（即前面的帧丢失了），则丢弃该乱序帧，并对最后一个按序收到的帧发送重复 ACK
发送方如果收到重复 ACK 或超时，则从出错的那一帧开始，重传该帧及其后所有已发送但未确认的帧（即”后退 N 帧”）

累计确认

GBN 使用累计确认（Cumulative ACK）：ACK $n$ 表示序号为 $n$ 及之前的所有帧都已正确收到。这意味着如果 ACK 丢失，后续的 ACK 可以”捎带”确认前面的帧。

特点

优点：接收方实现简单（不需要缓存乱序帧），累计确认机制健壮
缺点：出错时可能重传已经正确接收的帧，浪费带宽；在错误率高的环境下效率低
适用场景：错误率较低的网络（如有线网络）

选择重传协议（Selective Repeat, SR）

SR 是另一种滑动窗口协议，其特点是接收窗口大小大于 1，接收方可以缓存乱序到达的帧。

工作原理

发送方可以连续发送发送窗口内的多个帧
接收方对每个正确收到的帧都发送单独的 ACK（不是累计确认）。对于乱序到达但正确的帧，接收方缓存起来，不立即交付给上层
发送方只为每个帧设置独立的超时计时器。如果某帧超时，只重传该帧（不重传后续帧）
当缺失的帧被正确收到后，接收方将缓存的帧按序交付给上层

特点

优点：只重传出错的帧，避免不必要的重传，在错误率高的环境下效率高
缺点：接收方需要缓存乱序帧，实现复杂；需要对每个帧单独确认和计时
适用场景：错误率较高的网络（如无线网络）

三种协议的对比

特性	停止-等待	GBN	SR
发送窗口大小	1	$>1$ ， $\leq 2^n-1$	$>1$ ， $\leq 2^{n-1}$
接收窗口大小	1	1	$>1$
确认方式	逐个确认	累计确认	逐个确认
重传策略	重传当前帧	重传出错帧及后续所有帧	只重传出错帧
接收方缓存	不需要	不需要	需要
信道利用率	低	中等	高
实现复杂度	简单	中等	复杂
适用场景	低时延链路	低错误率链路	高错误率链路

TCP 协议本质上是一种选择重传协议（但使用累计确认），它结合了 GBN 和 SR 的优点：使用累计确认（类似 GBN），但通过快速重传机制只重传丢失的段（类似 SR）。

典型例题

例题1：停止-等待协议信道利用率

在一个数据率为 1 Mbps、传播时延为 20 ms 的信道上，使用停止-等待协议传输 1000 字节的帧。求信道利用率。如果改用滑动窗口协议，窗口大小至少为多少才能使信道利用率达到 80%？

参考答案(4 个标签)

停止等待信道利用率滑动窗口传输时延

计算传输时延： $T_t = \frac{\text{帧长}}{\text{数据率}} = \frac{1000 \times 8}{1 \times 10^6} = \frac{8000}{10^6} = 8 \text{ ms}$
传播时延 $T_p = 20 \text{ ms}$
停止-等待协议信道利用率： $U = \frac{T_t}{T_t + 2T_p} = \frac{8}{8 + 2 \times 20} = \frac{8}{48} = \frac{1}{6} \approx 16.7\%$
滑动窗口协议的信道利用率近似为： $U \approx \frac{W \times T_t}{T_t + 2T_p}$ （当窗口足够大时）

要求 $U \geq 80\%$ ： $\frac{W \times 8}{48} \geq 0.8$ $W \geq \frac{0.8 \times 48}{8} = 4.8$

故窗口大小至少为 5。

答案：停止-等待协议信道利用率约为 16.7%；滑动窗口大小至少为 5 才能使利用率达到 80%。

例题2：GBN 协议序号与窗口

一个 GBN 协议使用 3 比特序号，发送窗口大小为 5。在某一时刻，发送方的发送窗口为 [2, 3, 4, 5, 6]（表示已发送但未确认的帧序号）。此时发送方收到了 ACK 4，请问： (1) 新的发送窗口是什么？ (2) 发送方接下来可以发送哪些序号的帧？

参考答案(4 个标签)

GBN滑动窗口累计确认序号

GBN 使用累计确认，ACK 4 表示序号 4 及之前的所有帧（0,1,2,3,4）都已正确收到。
原发送窗口为 [2,3,4,5,6]，收到 ACK 4 后，窗口向前滑动，移除已确认的 2,3,4。
新的发送窗口为 [5, 6, 7, 0, 1]（3比特序号，6之后是7,0,1）。
其中 5,6 已发送但未确认，7,0,1 是新可以发送的帧。

答案：(1) 新的发送窗口为 [5, 6, 7, 0, 1]；(2) 接下来可以发送序号为 7, 0, 1 的帧。

例题3：SR 协议序号空间

一个选择重传协议使用 4 比特序号，发送窗口和接收窗口大小相等。请问最大窗口大小是多少？如果窗口大小设为 9，会出现什么问题？

参考答案(4 个标签)

选择重传序号空间窗口大小SR

SR 协议中，发送窗口 $W_T$ 和接收窗口 $W_R$ 大小相等，且需要满足 $W_T + W_R \leq 2^n$ 。
$n=4$ ， $2^4 = 16$ ，故 $2W_T \leq 16$ ， $W_T \leq 8$ 。
最大窗口大小为 8。
如果窗口大小设为 9（ $W_T = W_R = 9$ $W_{T} = W_{R} = 9$ ），则 $W_T + W_R = 18 > 16$ $W_{T} + W_{R} = 18 > 16$ ，会出现序号混淆问题：
- 假设接收方窗口为 [0,1,…,8]，收到所有帧并发送 ACK 后，窗口滑动到 [9,10,…,0]（即 9,10,11,12,13,14,15,0,1）
- 如果之前的 ACK 全部丢失，发送方超时重传序号 0 的帧
- 接收方此时期望接收的新帧中也包含序号 0，无法区分这是重传的旧帧还是新帧
- 导致协议错误

答案：最大窗口大小为 8；设为 9 会导致序号混淆，接收方无法区分重传的旧帧和新帧。

练习题

练习1

比较停止-等待协议、GBN 协议和 SR 协议在重传策略和接收方缓存方面的区别。

参考答案(4 个标签)

协议比较停止等待GBNSR

重传策略：
- 停止-等待：超时后重传当前帧（只有一帧在传）
- GBN：超时或收到重复ACK后，重传出错帧及其后所有已发送但未确认的帧（后退N帧）
- SR：每个帧有独立计时器，超时后只重传出错的那一帧
接收方缓存：
- 停止-等待：接收窗口=1，不需要缓存（只接收一帧）
- GBN：接收窗口=1，只按序接收，乱序帧直接丢弃，不需要缓存
- SR：接收窗口>1，需要缓存乱序到达但正确的帧，等待缺失的帧到达后按序交付
确认方式：
- 停止-等待：逐个确认
- GBN：累计确认（ACK n表示n及之前都收到了）
- SR：逐个确认（每个帧单独ACK）

练习2

在数据率为 10 Mbps、传播时延为 5 ms 的信道上，使用停止-等待协议传输 1500 字节的帧，求信道利用率。

参考答案(3 个标签)

信道利用率停止等待传输时延

传输时延： $T_t = \frac{1500 \times 8}{10 \times 10^6} = \frac{12000}{10^7} = 1.2 \text{ ms}$
传播时延： $T_p = 5 \text{ ms}$
信道利用率： $U = \frac{T_t}{T_t + 2T_p} = \frac{1.2}{1.2 + 10} = \frac{1.2}{11.2} \approx 10.7\%$

答案：信道利用率约为 10.7%。

术语对照表

中文术语	英文术语	缩写	说明
流量控制	Flow Control	-	限制发送速率防止溢出
可靠传输	Reliable Transmission	-	确保数据正确有序到达
停止-等待	Stop-and-Wait	-	最简单的ARQ协议
滑动窗口	Sliding Window	-	允许连续发送多帧的机制
后退N帧	Go-Back-N	GBN	出错时重传出错帧及后续帧
选择重传	Selective Repeat	SR	只重传出错帧
自动重传请求	Automatic Repeat reQuest	ARQ	确认+超时重传的可靠传输机制
确认	Acknowledgment	ACK	接收方通知发送方已收到
超时重传	Timeout Retransmission	-	超时未收到ACK则重传
累计确认	Cumulative ACK	-	ACK n表示n及之前都收到
信道利用率	Channel Utilization	-	发送方忙的时间占比
发送窗口	Send Window	-	允许发送但未确认的帧范围
接收窗口	Receive Window	-	允许接收的帧范围

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