【计算机网络】第3章：传输层—可靠数据传输的原理

目录

一、PPT

二、总结

（一）可靠数据传输原理

关键机制

1. 序号机制 (Sequence Numbers)

2. 确认机制 (Acknowledgements - ACKs)

3. 重传机制 (Retransmission)

4. 校验和 (Checksum)

5. 流量控制 (Flow Control)

协议实现的核心：滑动窗口协议 (Sliding Window Protocol)

两种主要变体

（二）可靠数据传输协议（Rdt）演进详解

核心目标

Rdt 1.0：理想信道模型

假设条件

工作机制

缺陷

Rdt 2.0：引入差错检测与确认机制

解决核心问题

关键技术

有限状态机（FSM）

缺陷

Rdt 2.1：解决确认信号受损

核心改进

关键行为

优势

Rdt 2.2：无NAK确认协议

核心改进

接收方行为

优势

Rdt 3.0：解决丢包与超时重传

解决核心问题

关键技术

有限状态机（FSM）关键流程

性能问题

协议演进总结对比

后续演进方向

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一、PPT

 

二、总结

（一）可靠数据传输原理

核心目标：确保数据在不可靠信道（可能发生比特差错、分组丢失、乱序、重复）上完整、有序、无重复地交付给接收方。

关键机制

1. 序号机制 (Sequence Numbers)

• 作用：标识每个发送的数据段。

• 原理：

  • 发送方为每个数据段分配一个唯一的序号（通常是字节流中的偏移量或分组编号）。

  • 接收方利用序号：

    • 检测丢失分组：发现序号间隙。

    • 检测重复分组：收到相同序号的分组。

    • 按序重组：将乱序到达的分组按序号排序后交付上层。

• 序号空间：序号需足够大（模运算处理回绕），常见32位（TCP）。

2. 确认机制 (Acknowledgements - ACKs)

• 作用：接收方通知发送方已成功接收数据。

• 原理：

  • 累积确认 (Cumulative ACK)：

    • 接收方发送 ACK n，表示已正确接收序号 n 之前（包括 n）的所有数据。

    • 优点：简单，ACK丢失容忍度较高（后续ACK能确认前面的数据）。

    • 缺点：不能精确告知哪些分组丢失（只能知道n+1丢失）。

  • 选择确认 (Selective ACK - SACK)：

    • 接收方显式告知已正确接收的非连续数据块范围。

    • 优点：更高效地指明丢失分组，减少不必要的重传。

    • 缺点：实现更复杂，需要额外选项字段（TCP SACK）。

  • 否定确认 (Negative ACK - NAK)：

    • 接收方显式通知发送方某个特定分组丢失或损坏（较少使用）。

    • 优点：快速通知丢失。

    • 缺点：需要额外机制处理NAK丢失。

3. 重传机制 (Retransmission)

• 作用：在检测到数据丢失或损坏时重新发送数据。

• 触发条件：

  • 超时重传 (Timeout-based)：

    • 发送方为每个已发送但未确认的分组启动一个重传定时器 (Retransmission Timer)。

    • 如果在超时时间间隔 (Timeout Interval) 内未收到该分组的ACK，则重传该分组。

  • 快速重传 (Fast Retransmit)：

    • 发送方收到3个重复ACK (Duplicate ACKs) 时，认为该重复ACK指示的分组已丢失（即使超时未到），立即重传该分组。

    • 显著减少因等待超时而导致的延迟。

• 超时时间计算：

  • 基于对往返时间 (Round-Trip Time - RTT) 的估计。

  • 常用算法：EstimatedRTT = (1-α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT (α 常取 0.125)。

  • DevRTT 估计RTT的偏差。

  • TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT (TCP推荐公式)。

  • 关键点：动态适应网络变化，避免过早或过晚重传。

4. 校验和 (Checksum)

• 作用：检测传输过程中数据（头部+载荷）是否发生比特差错。

• 原理：

  • 发送方：计算待发送数据的校验和，放入分组头部。

  • 接收方：对接收到的数据（包括校验和字段）重新计算校验和。

  • 如果接收方计算的校验和与头部携带的校验和不匹配（通常为0），则认为数据出错。

  • 处理：丢弃出错分组（隐式通知丢失），等待重传。校验和本身无法纠正错误。

5. 流量控制 (Flow Control)

• 作用：防止发送方发送速率过快导致接收方缓冲区溢出。

• 原理 (TCP滑动窗口)：

  • 接收方在ACK中通告其接收窗口大小 (Receive Window Size - rwnd)，表示当前可用缓冲区空间。

  • 发送方维护一个发送窗口 (Send Window)，其大小不超过 min(拥塞窗口cwnd, 接收窗口rwnd)。

  • 发送方只能发送落在发送窗口内的数据。

  • 接收方处理数据并释放缓冲区后，通过后续ACK更新 rwnd，允许发送方发送更多数据。

• 关键点：匹配发送速率与接收方的处理能力。

协议实现的核心：滑动窗口协议 (Sliding Window Protocol)

结合了序号、确认、重传和流量控制机制，允许多个分组在信道上“在途飞行”。

• 发送窗口 (Send Window)：

  • 包含已发送但未确认的分组 (Sent but not ACKed) 和可以立即发送的分组 (Can Send Now)。

  • 随着收到ACK向前“滑动”。

• 接收窗口 (Receive Window)：

  • 包含期望接收的下一个序号 (Next Expected Seq#) 及之后可以按序接收的序号范围。

  • 随着按序交付数据向前“滑动”。

两种主要变体

1. 回退N步 (Go-Back-N - GBN)：

   • 接收方只接受按序到达的分组，丢弃所有乱序分组。

   • 发送方收到ACK n 表示 n 及之前所有分组都已被确认。

   • 超时或收到NAK时，重传所有已发送但未确认的分组（从序号 n+1 开始）。

   • 优点：接收方实现简单（只需维护 expectedseqnum）。

   • 缺点：效率低，一个分组丢失可能导致大量正确分组被重传。

2. 选择重传 (Selective Repeat - SR)：

   • 接收方缓存所有正确接收但乱序的分组。

   • 发送方为每个分组维护独立的定时器。

   • 超时或收到NAK/SACK时，只重传特定丢失的分组。

   • 优点：效率高，只重传丢失分组。

   • 缺点：发送方和接收方实现更复杂（需要更大的缓冲区管理乱序分组和独立的定时器管理）。

特性	Go-Back-N (GBN)	Selective Repeat (SR)
接收处理	只收按序，丢弃乱序	缓存所有正确接收的分组 (乱序也存)
确认机制	累积确认	选择确认 (SACK/NAK)
重传触发	超时或重复ACK触发重传 所有 未确认分组	超时或SACK/NAK触发重传 单个 丢失分组
发送窗口	需要管理	需要管理 (更复杂)
接收窗口	大小为1	大于1
效率	较低 (一个丢包引发大量重传)	较高 (只重传丢失包)
复杂度	较低	较高

（二）可靠数据传输协议（Rdt）演进详解

核心目标

在不可靠信道上实现无差错、无丢失、无重复、按序交付的数据传输。

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Rdt 1.0：理想信道模型

假设条件

• 底层信道完全可靠（无比特差错、无丢包）

工作机制

1. 发送方
   • 将应用层数据打包成分组（Packet）直接发送。
2. 接收方
   • 直接解包数据交付给应用层。

缺陷

• 不切实际：真实网络存在比特差错和丢包。

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Rdt 2.0：引入差错检测与确认机制

解决核心问题

• 比特级差错（如传输中比特翻转）

关键技术

1. 校验和（Checksum）
   • 检测分组内比特错误。
2. 确认与重传
   • ACK：接收方显式确认正确接收。
   • NAK：接收方显式报告错误，触发发送方重传。
3. 停等协议（Stop-and-Wait）
   • 发送方每发送一个分组后等待ACK/NAK。

有限状态机（FSM）

缺陷

• ACK/NAK受损问题：确认信号本身可能出错，导致发送方无法判断接收方状态。

Rdt 2.1：解决确认信号受损

核心改进

1. 添加序列号（Sequence Number）

   • 使用 1-bit 序号（0 或 1）标识分组。

2. 冗余ACK处理

   • 接收方检测到重复分组时，重发上一次的ACK（非NAK）。

关键行为

• 发送方：

  • 收到受损ACK/NAK → 重传当前分组。

  • 收到重复ACK → 忽略（已确认接收方正确接收）。

• 接收方：

  • 收到重复分组 → 丢弃并重发ACK（避免重复交付）。

优势

• 明确区分新分组 vs 重传分组。

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Rdt 2.2：无NAK确认协议

核心改进

• 完全取消NAK，仅使用ACK + 序号确认。

接收方行为

• 收到正确分组时：

  • 发送 ACK + 期望的下一序号（隐式确认当前分组）。

  • 例：发送 ACK0 表示成功接收 seq=1（期望下一分组 seq=0）。

• 收到错误/非期望分组时：

  • 发送 ACK + 最后一次正确接收的序号（触发发送方重传）。

优势

• 简化协议设计，统一反馈机制。

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Rdt 3.0：解决丢包与超时重传

解决核心问题

• 分组丢失（发送方/接收方均可能丢失分组）

• ACK丢失

关键技术

1. 倒计时定时器（Countdown Timer）

   • 发送方每发一个分组即启动定时器。

2. 超时重传（Timeout Retransmission）

   • 定时器到期未收到ACK → 重传分组。

3. 序号机制扩展

   • 仍使用1-bit序号，但需处理延迟ACK和重复分组。

有限状态机（FSM）关键流程

性能问题

• 信道利用率低：

  • 链路传播延迟（RTT）期间信道空闲（停等机制限制）。

  • 公式：Utilization = (L/R) / (RTT + L/R)
    （L=分组大小, R=带宽, RTT=往返时延）

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协议演进总结对比

版本	解决的核心问题	关键技术	主要缺陷
1.0	无（理想信道）	直接发送	不适用于真实网络
2.0	比特差错	校验和、ACK/NAK、停等协议	ACK/NAK受损问题
2.1	ACK/NAK受损	1-bit序号、冗余ACK处理	仍依赖NAK
2.2	取消NAK	ACK携带期望序号（隐式确认）	未解决丢包问题
3.0	分组丢失 & ACK丢失	超时重传、定时器机制	信道利用率低（停等瓶颈）

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后续演进方向

• 流水线协议（Pipelining）：

  • 允许连续发送多个分组（滑动窗口：GBN、SR协议）。

• 动态调整窗口：

  • TCP拥塞控制（AIMD、慢启动、快速重传等）。

• 选择重传（SR）：

  • 仅重传丢失分组，提升效率。