计算机网络:可靠数据传输(rdt)、流水协议、窗口滑动协议

文章目录

  • 前言
  • 一、Rdt
    • 1.Rdt1.0
    • 2.Rdt2.0
    • 3.Rdt2.1
    • 4.Rdt2.2
    • 5.Rdt3.0
  • 二、流水线协议
    • 1.滑动窗口(slide window)协议
      • 发送窗口
      • 接收窗口
        • 正常情况下的2个窗口互动
        • 异常情况下GBN的2个窗口互动
        • 异常情况下SR的2窗口互动
        • GBN协议和SR协议的异同
    • 2.小结
  • 总结


前言

Rdt1.0、Rdt2.0、Rdt2.1、Rdt2.2、Rdt3.0、流水线协议、滑动窗口协议。


一、Rdt

  • rdt在应用层、传输层和数据链路层都很重要,是网络Top10问题之一。
  • 信道的不可靠特点决定了可靠数据传输协议(rdt)的复杂性

在这里插入图片描述

下面我们只考虑单向数据传输(但是控制信息是双向流动的),双向数据传输实际上就是两个单向数据传输问题的综合,所以我们只考虑单向。下面将会用有限状态机(FSM)来描述发送方和接收方。

1.Rdt1.0

在可靠信道上的可靠数据传输

  • 下层的信道是完全可靠的
    • 没有比特出错
    • 没有分组丢失
  • 发送方和接收方的FSM
    • 发送方将数据发送到下层信道
    • 接收方从下层信道接收数据

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2.Rdt2.0

具有比特差错的信道

  • 下层信道可能会出错:将分组中的比特翻转
    • 用校验和来检测比特差错
  • 问题:怎样从差错中恢复
    • 确认(ACK):接收方显式地告诉发送方分组已被正确接收
    • 否定确认(NAK):接收方显式地告诉发送方分组发生了差错
      • 发送方收到NAK后,发送方重传分组
  • rdt2.0中的新机制:采用差错控制编码进行差错检测
    • 发送方差错控制编码、缓存
    • 接收方使用编码检错
    • 接收方的反馈:控制报文(ACK,NAK):接收方→发送方
    • 发送方收到反馈相应的动作

FSM描述

在这里插入图片描述

  • 根据上图,可以看到:发送方一直等待上层调用,接收方一直在等待下层调用;当上层调用发送方时,发送方将packet(将发送数据封装,带有差错检测信息的数据包(data,checksum))调用函数发送(udt_send),发送后进入等待ACK或NAK确认的状态,并且此状态一直在检测信息NACK还是ACK,如果是NACK就重新调用函数发送packet,如果是ACK就转为等待上层调用的状态。而接收方,如果有差错时(corrupt),调用函数(udt_send)发送NAK信息,没有差错就调用函数发送ACK信息。
  • 接收方差错检测是通过比较发送方带来的checksum(校验和)和自己的校验和结果,一样说明未出错,不一样则为出错。
checksum           //校验和
 
rdt_rcv(rcvpkt)    //对于sender是确认信息
                  //对于receiver是分组
 
isACK(rcvpkt)      //确认信息为ACK
isNAK(rcvpkt)      //确认信息为NAK
 
corrupt(rcvpkt)    //根据校验和发现有差错
notcorrupt(rcvpkt) //根据校验和发现没有差错

思考:

  • 如果ACK/NAK出错?(发送方接收的不是ACK也不是NAK)
    • 发送方不知道接收方发生了什么事情!
    • 发送方如何做?
    • 重传?可能重复
    • 不重传?可能死锁(或出错)
    • 需要引入新的机制
      • 序号
  • 处理重复:
    • 发送方在每个分组中加入序号
    • 如果ACK/NAK出错,发送方重传当前分组
    • 接收方丢弃(不发给上层)重复分组

等停协议发送方发送一个分组,然后等待接收方的应答

3.Rdt2.1

发送方处理出错的ACK/NAK

发送方:
在这里插入图片描述

接收方:
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  • 发送方:
    • 在分组中加入序列号
    • 两个序列号(0,1)就足够了
      • 一次只发送一个未经确认的分组
    • 必须检测ACK/NAK是否出错(需要EDC)
    • 状态数变成了两倍
      • 必须记住当前分组的序列号为0还是1
  • 接收方:
    • 必须检测接收到的分组是否是重复的
      • 状态会指示希望接收到的分组的序号为0还是1
    • 注意:接收方并不知道发送方是否正确收到了其ACK/NAK
      • 没有安排确认的确认
      • 具体解释见下面

在这里插入图片描述

4.Rdt2.2

无NAK的协议

  • 功能同rdt2.l,但只使用ACK(ack要编号)
  • 接收方对最后正确接收的分组发ACK,以替代NAK
    • 接收方必须显式地包含被正确接收分组的序号
  • 当收到重复的ACK(如:再次收到ack0)时,发送方与收到NAK采取相同的动作:重传当前分组
  • 为后面的一次发送多个数据单位做一个准备
    • 一次能够发送多个
    • 每一个的应答都有:ACK,NACK;麻烦
    • 使用对前一个数据单位的ACK,代替本数据单位的nako确认信息减少一半,协议处理简单

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5.Rdt3.0

具有比特差错和分组丢失的信道

  • 新的假设:下层信道可能会丢失分组(数据或ACK)
    • 会死锁
  • 机制还不够处理这种状况:
    • 检验和
    • 序列号
    • ACK
    • 重传
  • 方法:发送方等待ACK一段合理的时间
    • 发送端超时重传:如果到时没有收到ACK-→重传
    • 问题:如果分组(或ACK)只是被延迟了:
      • 重传将会导致数据重复,但利用序列号已经可以处理这个问题
      • 接收方必须指明被正确接收的序列号
    • 需要一个倒计数定时器

链路层的timeout时间确定的传输层timeout时间是适应式的;
链路层的超时时间确定的传输层超时时间是适应式的。

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Rdt3.0性能
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Rdt3.0停等操作:
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二、流水线协议

提高链路利用率,提高Rdt3.0性能瓶颈

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  • 流水线:允许发送方在未得到对方确认的情况下一次发送多个分组
    • 必须增加序号的范围:用多个bit表示分组的序号
    • 在发送方/接收方要有缓冲区
      • 发送方缓冲:未得到确认,可能需要重传;
      • 接收方缓存:上层用户取用数据的速率 ≠ 接收到的数据速率;接收到的数据可能乱序,排序交付(可靠)
  • 两种通用的流水线协议:回退N步(GBN)和选择重传(SR)
sending window = 1,receving window = 1   -->  S-W 停等协议

流水线协议:
sending window > 1,receving window = 1   -->  GBN
sending window > 1,receving window > 1   -->  SR

1.滑动窗口(slide window)协议

发送窗口

  • 发送缓冲区
    • 形式:内存中的一个区域,落入缓冲区的分组可以发送
    • 功能:用于存放已发送,但是没有得到确认的分组
    • 必要性:需要重发时可用
  • 发送缓冲区的大小:一次最多可以发送多少个未经确认的分组
    • 停止等待协议 = 1
    • 流水线协议 > 1,合理的值,不能很大,链路利用率不能够超100%
  • 发送缓冲区中的分组
    • 未发送的:落入发送缓冲区的分组,可以连续发送出去;
    • 已经发送出去的、等待对方确认的分组:发送缓冲区的分组只有得到确认才能删除
  • 发送窗口:发送缓冲区内容的一个范围
    • 那些已发送但是未经确认分组的序号构成的空间
  • 发送窗口的最大值<=发送缓冲区的值
  • 一开始:没有发送任何一个分组
    • 后沿=前沿
    • 之间为发送窗口的尺寸 = 0
  • 每发送一个分组,前沿前移一个单位

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  • 发送窗口前沿移动的极限:不能够超过发送缓冲区

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  • 发送窗口后沿移动
    • 条件:收到老分组的确认
    • 结果:发送缓冲区罩住新的分组,来了分组可以发送
    • 移动的极限:不能够超过前沿

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发送窗口滑动过程——相对表示法

  • 采用相对移动方式表示,分组不动
  • 可缓冲范围移动,代表一段可以发送的权力

绿色是滑动窗口,粉红色表示已发送未得到确认,浅蓝色表示得到确认

在这里插入图片描述

接收窗口

  • 接收窗口(receiving window)=接收缓冲区
    • 接收窗口用于控制哪些分组可以接收;
      • 只有收到的分组序号落入接收窗口内才允许接收
      • 若序号在接收窗口之外,则丢弃;
    • 接收窗口尺寸Wr = l,则只能顺序接收;
    • 接收窗口尺寸Wr > l,则可以乱序接收
      • 但提交给上层的分组,要按序
    • 例子: Wr=l,在0的位置;只有0号分组可以接收;向前滑动一个,罩在1的位置,如果来了第2号分组,则丢弃;
  • 接收窗口的滑动和发送确认
    • 滑动:
      • 低序号的分组到来,接收窗口移动;
      • 高序号分组乱序到,缓存但不交付(因为要实现rdt,不允许失序)),不滑动
    • 发送确认:
      • 接收窗口尺寸=1 ;发送连续收到的最大的分组确认(累计确认,GBN)
      • 接收窗口尺寸>1;收到分组,发送那个分组的确认(非累计确认,SR)

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正常情况下的2个窗口互动
  • 发送窗口
    • 1.有新的分组落入发送缓冲区范围,发送->前沿滑动
    • 4.来了老的低序号分组的确认->后沿向前滑劫->新的分组可以落入发送缓冲区的范围
  • 接收窗口
    • 2.收到分组,落入到接收窗口范围内,接收
    • 3.是低序号,发送确认给对方
  • 发送端上面来了分组->发送窗口滑动->接收窗口滑动->发确认
异常情况下GBN的2个窗口互动
  • 发送窗口
    • 1.新分组落入发送缓冲区范围,发送->前沿滑动
    • 5.超时重发机制让发送端将发送窗口中的所有分组发送出去
    • 4.来了老分组的重复确认->后沿不向前滑动->新的分组无法落入发送缓冲区的范围(此时如果发送缓冲区有新的分组可以发送)
  • 接收窗口
    • 2.收到乱序分组,没有落入到接收窗口范界内,抛弃
    • 3.(重复)发送老分组的确认,累计确认;
异常情况下SR的2窗口互动
  • 发送窗口
    • 1.新分组落入发送缓冲区范围,发送->前沿滑动
    • 5.超时重发机制让发送端将超时的分组重新发送出去
    • 4.来了乱序分组的确认->后沿不向前滑动->新的分组无法落入发送缓冲区的范围(此时如果发送缓冲区有新的分组可以发送)
  • 接收窗口
    • 2.收到乱序分组,落入到接收窗口范围内,接收
    • 3.发送该分组的确认,单独确认;

每发送一个分组,发送方就会启动一个超时计时器

GBN协议和SR协议的异同
  • 相同之处
    • 发送窗口>1
    • 一次能够可发送多个未经确认的分组
  • 不同之处
    • GBN:接收窗口尺寸 = 1
      • 接收端:只能顺序接收
      • 发送端:从表现来看,一旦一个分组没有发成功,如:0,1,2,3,4;假如1未成功,234都发送出去了,要返回1再重新发送(234也重发)
    • SR:接收窗口尺寸 > 1
      • 接收端:可以乱序接收
      • 发送端:发送0,1,2,3,4,一旦1未成功,2,3,4,已发送,无需重发,选择性发送1

2.小结

Go-back-N:

  • 客户端最多再流水线中有N个未确认的分组
  • 接收端只是发送累计已确认cumulative ack
    • 接收端如果发现gap,不确认新到来的分组
  • 发送端拥有对最老的未确认的定时器
    • 只需设置一个定时器
    • 当定时器到时时,重传所有未确认分组

在这里插入图片描述
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Selective repea:

  • 发送端最多在流水线中有N个未确认的分组
  • 接收方对每个到来的分组确认individual ack(非累计确认)
  • 发送方为每个未确认的分组保持一个定时器
    • 当超时定时器到时,只是重发到时的未确认分组

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对比GBN和SR
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适用范围:

  • 出错率低:比较适合GBN,出错非常罕见,没有必要用复杂的SR,为罕见的事件做日常的准备和复杂处理
  • 链路容量大(延迟大、带宽大):比较适合SR而不是GBN,一点出错代价太大

窗口最大尺寸
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总结

以上就是Rdt和流水协议(窗口滑动)的详细讲解

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