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  • 26-tcp可靠传输——停止等待协议

    千次阅读 2018-04-30 18:39:39
    1. tcp可靠传输   通过前面的学习可知,网络层传输数据时尽最大努力传输到目的地,并不保障数据的可靠传输,对于网络拥塞,延迟,数据丢失等问题没有采取有效的措施。...  什么是停止等待协议?   A和B...

    1. tcp可靠传输

      通过前面的学习可知,网络层传输数据时是尽最大努力传输到目的地,并不保障数据的可靠传输,对于网络拥塞,延迟,数据丢失等问题没有采取有效的措施。因此我们需要一种数据可靠传输的通信方式,即tcp来实现发送端和接收端之间的可靠通信。

      那么为了后面学习tcp可靠传输,先从最简单的可靠传输停止等待协议说起吧。

    2. 停止等待协议

      什么是停止等待协议?

      A和B双方建立好tcp连接后就可以相互发送数据了,A为发送方,B为接收方。因为这里讨论可靠传输原理,所以把传输的数据单元称为分组。“停止等待”就是每发送完一个分组就停止发送,等待对方确认后再发送下一个分组。停止等待协议考虑了数据在网络中传输出现的几种情况来提供有效措施保障数据的可靠传输,下面我们就一一来介绍这几种情况。

      对于无差错情况,不会出现重传情况,那么我们直接跳过,没什么好说的。

    2.1 出现差错或丢失的情况

    这里写图片描述
    图1-出现差错或丢失

      当A在发送M1分组的过程中丢失时,又或者B接收到M1分组检测到差错并丢弃了M1分组时(注意:这里B不会发送M1确认分组,而是什么也不做),可靠传输协议是这样设计的:只要A没有在规定时间内收到B的确认,就认为刚才发送的分组丢失了,并对丢失的分组进行重传,这种方式叫超时重传。要实现超时重传,就要每发送完一个分组就设置一个超时计时器。如果在超时计时器到期之前收到了对方的确认,则撤销该超时计时器。

    这里注意几点:
      1. A发送完一个分组后,必须暂时存储已发送的分组的副本(发生超时重传时使用),当收到该分组的确认时就清除本地存储的分组的副本。

      2. 分组和确认分组都必须进行编号,这样才能明确哪一个已发送的分组被确认,哪一个还没被确认。

      3. 超时计时器设置的重传时间比数据分组传输的平均往返时间更长一些,在设置重传时间也是有要求的。因为重传时间设置的过长会导致重传花费的时间长,通信效率慢,但是重传时间设置的过短会导致出现不必要的重传,浪费网络资源。

      比如B发送的确认分组发生在网络中发生拥塞,传输的时间过长才到达A,但是A设置的重传时间又很短,就会出现不必要的重传。因此设置重传时间是非常复杂的,因为分组在网络传输的过程中经过哪些网络,是否会出现网络拥塞或其他问题,都是不确定的。

    2.2确认丢失的情况

    这里写图片描述
    图2-确认丢失

      当B收到A的M1分组后,B发送的M1确认分组在网络中丢失了,且A在设定的超时重传时间内又没有收到B的M1确认分组,这时A无法知道是自己发送的M1分组出错丢失,还是B发送的M1确认分组丢失了,那么A会在超时计时器到期后重传M1分组。

      如果B又收到了重传的分组M1,这时B会丢弃重复的M1分组,并向A发送M1确认分组(很明显,因为A本来就没有收到过确认啊)

    2.3 确认迟到的情况

    这里写图片描述
    图3-确认迟到

      假设这么一种情况:A在发送M1分组后,B发送的确认M1分组却迟到了,但是A在超时计时器规定的时间内又没有收到B的确认M1分组,那么A将会重传M1分组,根据前面所知的情况来看,B在收到重复的M1分组后会丢弃并重传确认M1分组。那么在A收到重传的确认分组后,又收到了B迟到的确认M1分组,这是A会丢弃迟到的确认M1分组。

      像上面所说的可靠传输协议通常称为自动重传请求,也就是说,重传时自动进行的,只要发送方没收到确认,就会重传。如果A不断重传分组却总是也收不到确认,这说明通信线路太差,不能进行通信。

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  • 3.1.4.1 停止-等待协议

    2020-09-18 23:34:35
    1.停止-等待协议究竟哪一层? 在早期的计算机网络中,由于通信链路质量差,出现差错比较多,为了提高传输效率,数据链路层应该承担一部分可靠传输的任务, 把停止-等待协议放在了数据链路层。 在现在的计算机...

    3.1.4.1 停止-等待协议

    1.停止-等待协议究竟是哪一层?
        在早期的计算机网络中,由于通信链路质量差,出现差错比较多,为了提高传输效率,数据链路层应该承担一部分可靠传输的任务,
            把停止-等待协议放在了数据链路层。
        在现在的计算机网络中,通信链路质量大大提高,出现差错的情况很少,不用承担可靠传输的任务,提高了通信速度,降低了延迟
            把停止-等待协议放在了传输层,链路层则主要负责差错控制
    2.为什么要有停止-等待协议?
        1.除了比特出差错,底层信道还会出现丢包问题
            丢包:物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因会导致数据包的丢失
            (数据包其实就是一个数据,在数据链路层叫帧,在网络层就叫IP数据报或者分组,在传输层也可以叫报文段)
        2.为了解决丢包问题(可靠控制)和流量控制就出现了停止-等待协议
    3.研究停止等待协议的前提?
        1.虽然现在常用全双工通信方式,但为了讨论问题方便,仅考虑一方发送数据(发送方),一方接收数据(接收方)
        2.因为是在讨论可靠传输的原理,所以并不考虑数据是在哪一层次上传送的
        3.“停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送没等待对方确认,在收到确认后再发送下一个分组。
    4.停止等待协议有几种应用情况?
        1.无差错情况
        2.有差错情况
            1.数据帧丢失和检测到帧出错
                1.超时计时器:每发送一个帧就启动一个计时器
                2.如果在计时器到期之前收到了确认帧,则计时器终止
                  如果计时器到期了还没有收到确认帧,则发送方会重新发送没收到确认帧的数据帧
                3.超时计时器设置的重传时间应当比帧传输的平均RTT(往返传播时延)更长一些
                4.注意事项
                    1.发送完一个帧后,必须保留它的副本。
                    2.数据帧和确认帧必须编号
            2.ACK丢失(确认帧丢失)
                发送方超时计时器到期后没有收到确认帧,发送方重传数据帧
                接收方收到了重复的数据帧,丢弃重复的数据帧,并重传确认帧
            3.ACK迟到(确认帧迟到)
                超时还没收到确认帧则重传数据帧,接收方收到了重复的数据帧,并丢弃重复的数据帧
                发送方之后在等待另一个确认帧时,收到了迟到的确认帧,会不对迟到的数据帧做处理
    5.停止-等待协议性能分析
        1.优点:简单
        2.缺点:信道利用率太低    
            信道利用率: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。
                =(L/C)/T
                L:T内发送L比特数据
                C:发送方数据传输率
                T:发送周期,从发送数据开始,到收到第一个确认帧为止(一般包括发送时间和RTT,接收数据帧的时间可以忽略)
            信道吞吐率:
                =信道利用率*发送方的发送速率
    
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  • 什么停止等待协议??TCP协议其实是全双工的。为了让我们很好的理解,我们只考虑发送端A,发送数据给接收端B.这里要说明一下,大家都知道TCP协议是面向流的,而UDP是面向数据包的。那么面向数据

    在传输层中TCP协议如果要确保可靠性传输,在不做任何优化,最容易想到的算法就是“停止等待协议”(当然实际上TCP所用不是这种简单的“停止等待协议”,而是经过改良的更复杂一点的,为了帮助理解,建议还是得学习)。

    什么是停止等待协议??

    TCP协议其实是全双工的。为了让我们很好的理解,我们只考虑发送端A,发送数据给接收端B.

    这里要说明一下,大家都知道TCP协议是面向流的,而UDP是面向数据包的。那么面向数据包很好理解,就是传输层以报文为单位,一次发一个报文。面向流呢??其实面向流也有单位的,只不过每次发送的大小单位是动态变化的(具体表现在应用层发送端和接收端的在一次收发中大小不对,A发送10个字节数据,B可以先收下3字节或其他)。我们经常提的“面向流就是爱发多少发多少”,个人觉得这里理解还是有些笼统。所以我还是重新给出自己的理解,面向流就是一个应用层上收发端在一次发送和接收会话中数据的单位大小是随意的,由传输层根据自己各方面的算法决定。

    下面继续讲停止等待协议:

    A发送一个数据包后就只等待,B接受一个数据后对数据包进行处理后发送一个“确认包”,这时候A才可以再发下一个数据包,如果在A等到超过了A所能接收的时间,那么A就重新发一个包。

    这里我们可以得出2个结论,

    • 第一,在发送端A,只管发送数据,发多少次都无所谓,只要在不超时的情况下收到“确认数据”。
    • 第二,在接收端B,只管接收数据,收多少次都可以(接收不一定会放入缓存,对于损坏的数据和重复的数据会被丢弃),但是只处理1个数据并且只会响应一个确认数据给发送端A。

    整个停止等待协议已经讲完了。

    优点就是简单有效。

    缺点:信道利用率低,发送端很多时间都花在等待上,接收端需要忙于对每个发送做确认。

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  • 文章目录0....1️⃣ 无差错2️⃣ 有差错情况① 数据帧丢失或检测到帧出错② ACK确认帧丢失② ACK确认帧迟到超时(4)停止等待协议性能分析5.多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)(1)后退N帧协议(GB...


    0.思维导图

    在这里插入图片描述

    1.什么是流量控制?

    • 流量控制是数据链路层的一种功能,流量控制对数据链路上的帧的发送速率进行控制,以使接收方有足够的缓冲空间来接受每个帧
    • 流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率
    • 常见的流量控制方式有两种:停止-等待协议、滑动窗口协议
      在这里插入图片描述

    2.什么是可靠传输机制?

    • 可靠传输机制是为了使数据可以正确稳定的传输和接收而制定的规则。

    • 数据链路层的可靠传输通常使用确认超时重传两种机制来完成。

    • 确认是一种无数据的控制帧,这种控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收。有些情况下为了提高传输效率,将确认捎带在一个回复帧中,称为捎带确认

    • 超时重传是指发送方在发送某一个数据帧以后就开始一个计时器,在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧,那么就重新发送该数据帧,直到发送成功为止。

    • 自动重传请求(Auto Repeat reQuest,ARQ),通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧,是通信中用于处理信道所带来差错的方法之一。

    • 传统自动重传请求分为三种,即停等式(Stop-and-Wait)ARQ、后退N帧(Go-Back-N)ARQ以及选择性重传(Selective Repeat)ARQ。后两种协议是滑动窗口技术与请求重发技术的结合,由于窗口尺寸开到足够大,帧在线路上可以连续地流动,因此又称为连续ARQ协议。

    3.什么是滑动窗口机制?

    • 滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻,发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号,称为发送窗口;同时,接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号,称为接收窗口
    • 发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样,甚至大小也可以不同。
    • 不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。
    • 发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送,但是还没有被确认的帧,或者是那些可以被发送的帧。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    • 发送端,每收到一个确认帧,发送窗口就向前滑动一个帧的位置,当发送窗口内没有可以发送的帧(即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧),发送方就会停止发送,直到收到接受方发送的确认帧使窗口移动,窗口内有可以发送的帧,之后才开始继续发送。

    • 接受端,当收到数据帧后,将窗口向前移一个位置,并发回确认帧,若收到的数据帧落在接受窗口之外则一律丢弃。

    • 滑动窗口有以下重要特性

    1. 只有接受窗口向前滑动时(同时接受方发送确认帧),发送窗口才有可能(只有发送方收到确认帧才是一定)向前滑动。

    2. 从滑动窗口的概念看,停止-等待协议、后退N帧协议和选择重传协议只有在发送窗口大小和接收窗口大小有所差别。

    3. 停止-等待协议:发送窗口大小=1,接受窗口大小=1;

    4. 后退N帧协议:发送窗口大小>1,接受窗口大小=1;

    5. 选择重传协议:发送窗口大小>1,接受窗口大小>1;

    6. 当接受窗口的大小为1时,可保证帧的有序接受。

    4.可靠传输、流量控制、滑动窗口之间的关系

    在这里插入图片描述

    5.停止-等待协议

    • 停止-等待协议也称为单帧滑动窗口与停止-等待协议
    • 当发送窗口和接收窗口的大小固定为1时,滑动窗口协议退化为停等协议(stop-and-wait)。
    • 该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来,等待接收方已正确接收的确认(acknowledgement)返回后才能继续发送下一帧。
    • 由于接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧,因此发送方要为每一个帧加一个序号。
    • 由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧,因而只用一比特来编号就够了。

    (1)为什么要有停止-等待协议?

    在这里插入图片描述

    (2)研究停止等待协议的前提

    • 虽然现在常用全双工通信方式,但是为了讨论方便,我们仅考虑一方发送数据(发送方),一方接收数据。

    (3)停止-等待协议有几种应用情况?

    • 两种:无差错和有差错
    1️⃣ 无差错情况

    在这里插入图片描述

    2️⃣ 有差错情况
    ① 数据帧丢失或检测到帧出错

    在这里插入图片描述

    ② ACK确认帧丢失

    在这里插入图片描述

    ② ACK确认帧迟到超时

    在这里插入图片描述

    (4)停止等待协议性能分析

    • 关于信道利用率可参考我之前的:https://blog.csdn.net/weixin_43914604/article/details/104541219
      在这里插入图片描述
    • 发送方从开始发送数据到收到第一个确认帧ACK为止,这段时间称为一个发送周期
    • 信道利用率=发送时间/发送周期
      在这里插入图片描述
    • 由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧,大大降低了信道利用率,因此又提出了后退n帧协议(GBN)和选择重传协议(SR)
      在这里插入图片描述

    6.多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)

    • 后退n协议中,发送方在发完一个数据帧后,不停下来等待应答帧,而是连续发送若干个数据帧,即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧,也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍未收到确认帧,就要重发相应的数据帧。
    • 如:当发送方发送了N个帧后,若发现该N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新发送出错帧及其后的N帧。
    • 从这里不难看出,后退n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率,但另一方面,在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传(仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错),这种做法又使传送效率降低。
    • 由此可见,若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时,连续测协议不一定优于停止等待协议。此协议中的发送窗口的大小为k,接收窗口仍是1。

    (1)后退N帧协议(GBN)的滑动窗口

    在这里插入图片描述

    (2)GBN发送方响应的三件事

    1️⃣ 上层的调用
    • 上层要发送数据时,发送方先检查发送窗口是否已满,如果未满,则产生一个帧并将其发送;如果窗口己满,发送方只需将数据返回给上层,暗示上层窗口已满。上层等一 会再发送。 ( 实际实现中,发送方可以缓存这些数据,窗口不满时再发送帧)。
    • 配合下图加深理解
      在这里插入图片描述
    2️⃣ 收到一个ACK
    • GBN协议中,对n号帧的确认采用·累积确认·的方式,标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。
    3️⃣ 超时事件
    • 协议的名字为后退N帧/回退N帧,来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。
    • 就像在停等协议中一样,定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。
    • 如果出现超时,发送方重传所有已发送但未被确认的帧。

    (3)GBN接受方要做的事

    在这里插入图片描述

    (4)一张图了解GBN发送方和接受方之间的传输过程

    在这里插入图片描述

    (5)GBN滑动窗口的限制

    在这里插入图片描述

    (6)GBN重点知识

    在这里插入图片描述

    • 来道题目熟悉一下知识

    在这里插入图片描述

    • 因为接收端可以累积确认,所以只要看最大的确认帧就行,所以接下来发送方要重发的帧数为4

    (7)GBN性能分析

    在这里插入图片描述

    7.多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)

    • 在后退n协议中,接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧,即使是正确到达的帧,这显然是一种浪费。由此诞生了SR(SELECTICE REPEAT)。
    • SR工作原理:当接收方发现某帧出错后,其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层,但接收方仍可收下来,存放在一个缓冲区中,同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后,就可以将已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交上一层。
    • 显然,选择重发减少了浪费,但要求接收方有足够大的缓冲区空间。

    (1)SR的滑动窗口图

    在这里插入图片描述

    (2)SR发送方必须响应的三件事

    1️⃣ 上层的调用
    • 从上层收到数据后,SR发送方检查下一个可用于该帧的序号,如果序号位于发送窗口内,则发送数据帧;否则就像GBN一样,要么将数据缓存,要么返回给上层之后再传输。
    2️⃣ 收到一个ACK确认帧
    • 如果收到ACK,加入该帧序号在窗口内,则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第-一个窗口对应的序号),则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧,则发送这些帧。

    • 图解此过程
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

    3️⃣ 超时处理
    • 每个帧都有自己的定时器,一个超时事件发生后只重传一个帧。

    (3)SR接受方要做的事

    • SR接收方将确认-一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存,并返回给发送方一个该帧的确认帧[收谁确认谁],直到所有帧(即序号更小的帧)皆被收到为止,这时才可以将一-批帧按序交付给 上层,然后向前移动滑动窗口。

    • 图解此过程
      在这里插入图片描述
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    (4)一张图了解SR发送方和接受方之间的传输过程

    在这里插入图片描述

    (5)SR滑动窗口的大小限制

    在这里插入图片描述

    (6)SR重点知识

    在这里插入图片描述

    • 一道小例题加深理解
      在这里插入图片描述

    参考:https://www.bilibili.com/video/av70228743?p=25

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