# 3.4 流量控制与可靠传输机制

## 一、流量控制

### 1.1 什么是流量控制

**流量控制**：控制发送方的发送速率，使接收方来得及接收，防止数据丢失。

### 1.2 为什么需要流量控制

**原因**：
- 接收方处理速度有限
- 接收缓冲区容量有限
- 发送方发送速度可能超过接收方处理能力

**后果**：
- 数据丢失
- 需要重传
- 降低效率

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## 二、可靠传输

### 2.1 什么是可靠传输

**可靠传输**：保证数据无差错、无丢失、无重复、按序到达。

### 2.2 可靠传输的机制

**确认机制**：
- 接收方收到数据后发送确认（ACK）
- 发送方收到确认后继续发送

**超时重传**：
- 发送方启动定时器
- 超时未收到确认，重传数据

**序号机制**：
- 给每个数据分组编号
- 检测重复和失序

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## 三、停止-等待协议

### 3.1 基本原理

**思想**：
- 发送方发送一个分组后，停止发送
- 等待接收方的确认
- 收到确认后再发送下一个分组

### 3.2 工作流程

```
发送方                    接收方
   |                         |
   |-------- 分组0 --------->|
   |                         |
   |<------- ACK0 ----------|
   |                         |
   |-------- 分组1 --------->|
   |                         |
   |<------- ACK1 ----------|
   |                         |
```

### 3.3 差错处理

**数据分组出错或丢失**：
- 发送方超时未收到ACK
- 重传该分组

**ACK丢失**：
- 发送方超时未收到ACK
- 重传该分组
- 接收方收到重复分组，丢弃，重发ACK

**ACK迟到**：
- 发送方超时重传
- 收到迟到的ACK，丢弃

### 3.4 性能分析

**信道利用率**：
$$U = \frac{T_d}{T_d + RTT + T_a}$$

其中：
- Td：发送数据的时间
- RTT：往返时间
- Ta：发送确认的时间

**特点**：
- 简单
- 信道利用率低
- 适合短距离、低速率通信

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## 四、滑动窗口协议

### 4.1 基本原理

**思想**：
- 发送方可以连续发送多个分组
- 不需要等待每个分组的确认
- 使用窗口控制发送和接收

### 4.2 发送窗口

**发送窗口**：
- 允许发送方连续发送的分组序号范围
- 窗口大小：Wt

**窗口状态**：
- **已发送并确认**：窗口左侧
- **已发送未确认**：窗口内，等待确认
- **允许发送但未发送**：窗口内，可以发送
- **不允许发送**：窗口右侧

### 4.3 接收窗口

**接收窗口**：
- 允许接收方接收的分组序号范围
- 窗口大小：Wr

**窗口状态**：
- **已正确接收**：窗口左侧
- **期望接收**：窗口内
- **不允许接收**：窗口右侧

### 4.4 工作流程

```
发送方：
1. 发送窗口内的分组
2. 收到确认，窗口滑动
3. 超时未收到确认，重传

接收方：
1. 接收窗口内的分组
2. 发送确认
3. 窗口滑动
```

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## 五、后退N帧协议（GBN）

### 5.1 基本原理

**思想**：
- 发送窗口 > 1，接收窗口 = 1
- 接收方只接收按序到达的分组
- 发送方超时，重传该分组及其之后的所有分组

### 5.2 发送窗口

**大小**：
- 1 ≤ Wt ≤ 2ⁿ - 1
- n为分组序号的位数

**特点**：
- 可以连续发送多个分组
- 只需要一个定时器（最老的未确认分组）

### 5.3 接收窗口

**大小**：Wr = 1

**特点**：
- 只接收期望序号的分组
- 失序分组丢弃
- 对按序到达的最后一个分组发送确认（累积确认）

### 5.4 工作流程

```
发送方发送：0, 1, 2, 3, 4, 5

情况1：分组2丢失
- 接收方收到0, 1，发送ACK1
- 分组2丢失
- 接收方收到3, 4, 5（失序），丢弃
- 发送方超时，重传2, 3, 4, 5

情况2：ACK2丢失
- 收到ACK1，未收到ACK2
- 超时后重传2, 3, 4, 5
```

### 5.5 特点

**优点**：
- 简单
- 只需要一个定时器
- 累积确认效率高

**缺点**：
- 一个分组出错，重传多个分组
- 信道质量差时效率低

---

## 六、选择重传协议（SR）

### 6.1 基本原理

**思想**：
- 发送窗口 > 1，接收窗口 > 1
- 接收方接收所有落在窗口内的分组
- 发送方只重传出错的分组

### 6.2 发送窗口

**大小**：
- 1 ≤ Wt ≤ 2ⁿ⁻¹
- n为分组序号的位数

**特点**：
- 可以连续发送多个分组
- 每个分组一个定时器
- 只重传出错的分组

### 6.3 接收窗口

**大小**：
- Wr = Wt（通常）
- Wr ≤ 2ⁿ⁻¹

**特点**：
- 接收所有落在窗口内的分组
- 缓存失序分组
- 对每个正确接收的分组发送确认（非累积确认）

### 6.4 工作流程

```
发送方发送：0, 1, 2, 3, 4, 5

情况1：分组2丢失
- 接收方收到0, 1，发送ACK0, ACK1
- 分组2丢失
- 接收方收到3, 4, 5（在窗口内），缓存
- 发送ACK3, ACK4, ACK5
- 发送方收到ACK，窗口滑动
- 分组2超时，只重传2
- 接收方收到2，按序交付0-5

情况2：ACK2丢失
- 分组2的定时器超时，重传2
- 接收方收到重复2，丢弃，重发ACK2
```

### 6.5 窗口大小限制

**为什么Wt ≤ 2ⁿ⁻¹**：
- 避免接收方无法区分新分组和重传分组
- 如果Wt = 2ⁿ，发送窗口和接收窗口可能完全重叠
- 重传的分组可能被误认为新分组

### 6.6 特点

**优点**：
- 只重传出错的分组
- 效率高
- 适合信道质量差的情况

**缺点**：
- 复杂
- 需要多个定时器
- 需要缓存失序分组

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## 七、三种协议比较

| 特性 | 停止-等待 | GBN | SR |
|-----|----------|-----|-----|
| 发送窗口 | 1 | >1 | >1 |
| 接收窗口 | 1 | 1 | >1 |
| 缓存 | 不需要 | 不需要 | 需要 |
| 定时器 | 1个 | 1个 | 多个 |
| 确认方式 | 单个ACK | 累积ACK | 单个ACK |
| 重传方式 | 重传1个 | 重传N个 | 重传1个 |
| 效率 | 低 | 中 | 高 |
| 复杂度 | 低 | 中 | 高 |

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## 八、考研重点

1. **流量控制**：概念、目的
2. **可靠传输**：概念、机制（确认、超时重传、序号）
3. **停止-等待协议**：
   - 工作原理
   - 差错处理
   - 信道利用率计算
4. **滑动窗口协议**：
   - 发送窗口、接收窗口
   - 窗口滑动机制
5. **后退N帧协议（GBN）**：
   - 工作原理
   - 窗口大小
   - 累积确认
   - 重传机制
6. **选择重传协议（SR）**：
   - 工作原理
   - 窗口大小限制（Wt ≤ 2ⁿ⁻¹）
   - 非累积确认
   - 缓存机制
7. **三种协议比较**

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*下一节：3.5 介质访问控制*