3.2 流量控制与可靠传输：停止-等待、GBN 与 SR

滑动窗口机制，停止-等待协议、后退 N 帧协议（GBN）与选择重传协议（SR）的工作过程、窗口大小限制，以及信道利用率的计算。

滑动窗口机制

流量控制：由接收方控制发送方的发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。可靠传输：使用确认和超时重传两种机制，保证发送方发送的数据能被接收方正确、完整地收到。数据链路层的流量控制与可靠传输都基于滑动窗口：

• 发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；接收方维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口；
• 发送窗口用来对发送方进行流量控制，其大小 $W_T$ 代表在还未收到对方确认信息的情况下发送方最多还可以发送多少个数据帧；
• 只有接收窗口向前滑动（并发送了确认帧）时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧后才一定）向前滑动；
• 接收窗口的大小 $W_R$ 为 1 时，接收方只能按序接收帧。

三种可靠传输协议

停止-等待协议（SW）

发送方每发送一帧，都要等待接收方的确认，收到确认后才能发送下一帧。为了应对帧丢失和确认丢失，发送方设置超时计时器，超时未收到确认就重传；为了让接收方能识别重复帧，数据帧需要编号，停止-等待协议只需 1 bit 序号（0 和 1 交替）即可。

• 超时重传时间一般选为略大于”从发送完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”（RTT）；
• 发送方必须保留已发送帧的副本，直到收到确认；
• 优点：简单；缺点：信道利用率很低。

后退 N 帧协议（GBN）

发送方无须在收到上一帧的 ACK 后才开始发送下一帧，而是可以连续发送帧。当接收方检测出失序的信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧；或者当发送方发送了 $N$ 个帧后，若发现该 $N$ 个帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重传该出错帧及随后的 $N$ 个帧。

• 接收方只允许按顺序接收帧，失序帧一律丢弃；
• 采用累积确认：对 $n$ 号帧的确认表明接收方已正确收到了 $n$ 号帧及以前的所有帧；
• 若采用 $n$ 比特对帧编号，则发送窗口的尺寸 $W_T$ 应满足 $1 \leq W_T \leq 2^n - 1$。若 $W_T = 2^n$，接收方无法区分新帧和旧帧（所有确认都丢失时）；
• 缺点：一方面，由于连续发送数据帧而提高了信道的利用率；另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传，使传送效率降低。

选择重传协议（SR）

为进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或计时器超时的数据帧。此时必须加大接收窗口，以便先收下失序但正确到达且序号仍落在接收窗口内的那些数据帧，等到所缺序号的数据帧收齐后，再一并送交主机。

• 每个帧都有自己的计时器，对每个帧逐一确认；
• 窗口大小约束：$W_T + W_R \leq 2^n$，且 $W_R \leq W_T$，因此 $W_R \leq 2^{n-1}$。通常取 $W_T = W_R = 2^{n-1}$；
• 接收窗口大小为 $W_R$，则接收方要有 $W_R$ 个帧的缓冲区。

信道利用率

信道利用率是指发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率。

信道吞吐率 = 信道利用率 × 发送方的发送速率。

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