4.4 可靠传输的工作原理

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前言

在现代网络通信中，确保数据传输的可靠性是至关重要的。然而，IP 网络本身并不保证数据传输的可靠性。由于网络中存在数据包丢失、损坏或顺序错乱的情况，必须依赖可靠传输协议来保障数据的正确传输。

1 停止等待协议

理想情况下，网络信道不产生差错，发送方可以按需发送数据，而接收方能够即时处理。
但现实中，网络环境通常并不理想，因此需要通过多种可靠传输协议来应对如丢包、错序、重复传输等问题。

停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol）是最基础的可靠传输协议之一，设计简单，确保数据传输可靠性。其基本思想是，发送方每次发送一个数据包后，会暂停，等待接收方确认消息（ACK）才能继续发送下一个数据包。

1.1 无差错情况

在理想情况下，发送方 A 发送数据包 M1 后，暂停发送，等待接收方 B 发送确认消息 ACK。当 A 收到 ACK 后，继续发送下一个数据包 M2。此过程可以通过以下流程图展示：

1.2 出现差错的情况

在网络传输过程中，若发生差错，则可能出现以下两种情况：

1. B 接收 M1 时检测出了差错，就丢弃 M1，其他什么也不做（不通知 A 收到有差错的分组）。
2. M1 在传输过程中丢失了，这时 B 当然什么都不知道，也什么都不做。

问题：A 如何知道 B 是否正确收到了 M1 呢？

1.3 解决方案：超时重传

为了解决上述情况，发送方 A 为每个数据包设置超时计时器。
A 只要在超时计时器到期之前收到了相应的确认，就撤销该超时计时器，继续发送下一个分组 M2 ；若 A 在超时计时器规定时间内没有收到 B 的确认，则认为分组错误或丢失，重发该分组。
这种超时重传机制确保了数据的可靠传输，但也带来了一些性能上的影响，信道利用率较低。

1.4 确认丢失与确认迟到

• 确认丢失：如果接收方 B 的确认消息丢失，发送方 A 会超时重传数据包。B 会丢弃重复的 M1，并向 A 发送新的确认。
• 确认迟到：如果确认消息延迟到达，A 在超时后会重传数据包，尽管 B 已经收到 M1，B 会丢弃重复的包并重新确认。A 收到重复确认时只需忽略它。

1.5 信道利用率的瓶颈

尽管停止等待协议在确保可靠性方面有效，但它的信道利用率较低。特别是在网络延迟较大时，发送方会因为等待确认而停顿，导致信道的空闲时间较长。

这使得停止等待协议难以高效利用网络带宽，尤其在高延迟环境中表现明显。

为了解决停止等待协议的低效问题，流水线传输（Pipelining）应运而生。
流水线传输允许发送方在未收到前一个数据包确认的情况下，连续发送多个数据包，从而提高信道的利用率，减少空闲时间。流水线传输的核心思想是让发送方并行发送多个数据包，而不必等待单个数据包的确认。

由于信道上一直有数据不间断地传送，流水线传输拥有很高的信道利用率。

2 连续 ARQ 协议

流水线传输可以通过两种主要协议实现：连续 ARQ 协议和滑动窗口协议。这两种协议通过不同方式提高信道的利用率，并减少等待确认的时间。

在连续 ARQ 协议中，发送方维护一个发送窗口，可以在窗口内连续发送多个数据包，而无需等待每个数据包的确认。每收到一个确认，发送窗口会向前滑动一个位置。

接收方采用累积确认机制，确认序列中按序到达的最后一个数据包，从而确认所有前面的数据包都已成功接收。

• 优点：简洁易实现，能提高带宽利用率，特别是在网络延迟较高时具有显著优势。
• 缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。

3 Go-Back-N 协议

Go-Back-N 协议是连续 ARQ 的一种实现方式。在该协议中，发送方可以在不等待确认的情况下连续发送多个数据包。若某个数据包丢失或损坏，接收方会丢弃该数据包及之后所有的数据包，并要求发送方从丢失的包重新发送。

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。

• 优点：实现简单，能够有效提高传输效率。
• 缺点：在丢包率较高的网络环境中，可能导致大量数据的重复传输，影响协议效率。