【計算機網絡】第3章：傳輸層—可靠數據傳輸的原理

一、PPT

二、總結

（一）可靠數據傳輸原理

關鍵機制

1. 序號機制 (Sequence Numbers)

2. 確認機制 (Acknowledgements - ACKs)

3. 重傳機制 (Retransmission)

4. 校驗和 (Checksum)

5. 流量控制 (Flow Control)

協議實現的核心：滑動窗口協議 (Sliding Window Protocol)

兩種主要變體

（二）可靠數據傳輸協議（Rdt）演進詳解

核心目標

Rdt 1.0：理想信道模型

假設條件

工作機制

缺陷

Rdt 2.0：引入差錯檢測與確認機制

解決核心問題

關鍵技術

有限狀態機（FSM）

缺陷

Rdt 2.1：解決確認信號受損

核心改進

關鍵行為

優勢

Rdt 2.2：無NAK確認協議

核心改進

接收方行為

優勢

Rdt 3.0：解決丟包與超時重傳

解決核心問題

關鍵技術

有限狀態機（FSM）關鍵流程

性能問題

協議演進總結對比

后續演進方向

一、PPT

二、總結

（一）可靠數據傳輸原理

核心目標：確保數據在不可靠信道（可能發生比特差錯、分組丟失、亂序、重復）上完整、有序、無重復地交付給接收方。

關鍵機制

1. 序號機制 (Sequence Numbers)

作用：標識每個發送的數據段。
原理：
- 發送方為每個數據段分配一個唯一的序號（通常是字節流中的偏移量或分組編號）。
- 接收方利用序號：
  - 檢測丟失分組：發現序號間隙。
  - 檢測重復分組：收到相同序號的分組。
  - 按序重組：將亂序到達的分組按序號排序后交付上層。
序號空間：序號需足夠大（模運算處理回繞），常見32位（TCP）。

2. 確認機制 (Acknowledgements - ACKs)

作用：接收方通知發送方已成功接收數據。
原理：
- 累積確認 (Cumulative ACK)：
  - 接收方發送?ACK n，表示已正確接收序號?n?之前（包括?n）的所有數據。
  - 優點：簡單，ACK丟失容忍度較高（后續ACK能確認前面的數據）。
  - 缺點：不能精確告知哪些分組丟失（只能知道n+1丟失）。
- 選擇確認 (Selective ACK - SACK)：
  - 接收方顯式告知已正確接收的非連續數據塊范圍。
  - 優點：更高效地指明丟失分組，減少不必要的重傳。
  - 缺點：實現更復雜，需要額外選項字段（TCP SACK）。
- 否定確認 (Negative ACK - NAK)：
  - 接收方顯式通知發送方某個特定分組丟失或損壞（較少使用）。
  - 優點：快速通知丟失。
  - 缺點：需要額外機制處理NAK丟失。

3. 重傳機制 (Retransmission)

作用：在檢測到數據丟失或損壞時重新發送數據。
觸發條件：
- 超時重傳 (Timeout-based)：
  - 發送方為每個已發送但未確認的分組啟動一個重傳定時器 (Retransmission Timer)。
  - 如果在超時時間間隔 (Timeout Interval)?內未收到該分組的ACK，則重傳該分組。
- 快速重傳 (Fast Retransmit)：
  - 發送方收到3個重復ACK (Duplicate ACKs)?時，認為該重復ACK指示的分組已丟失（即使超時未到），立即重傳該分組。
  - 顯著減少因等待超時而導致的延遲。
超時時間計算：
- 基于對往返時間 (Round-Trip Time - RTT)?的估計。
- 常用算法：EstimatedRTT = (1-α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT?(α 常取 0.125)。
- DevRTT?估計RTT的偏差。
- TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT?(TCP推薦公式)。
- 關鍵點：動態適應網絡變化，避免過早或過晚重傳。

4. 校驗和 (Checksum)

作用：檢測傳輸過程中數據（頭部+載荷）是否發生比特差錯。
原理：
- 發送方：計算待發送數據的校驗和，放入分組頭部。
- 接收方：對接收到的數據（包括校驗和字段）重新計算校驗和。
- 如果接收方計算的校驗和與頭部攜帶的校驗和不匹配（通常為0），則認為數據出錯。
- 處理：丟棄出錯分組（隱式通知丟失），等待重傳。校驗和本身無法糾正錯誤。

5. 流量控制 (Flow Control)

作用：防止發送方發送速率過快導致接收方緩沖區溢出。
原理?(TCP滑動窗口)：
- 接收方在ACK中通告其接收窗口大小 (Receive Window Size - rwnd)，表示當前可用緩沖區空間。
- 發送方維護一個發送窗口 (Send Window)，其大小不超過?min(擁塞窗口cwnd, 接收窗口rwnd)。
- 發送方只能發送落在發送窗口內的數據。
- 接收方處理數據并釋放緩沖區后，通過后續ACK更新?rwnd，允許發送方發送更多數據。
關鍵點：匹配發送速率與接收方的處理能力。

協議實現的核心：滑動窗口協議 (Sliding Window Protocol)

結合了序號、確認、重傳和流量控制機制，允許多個分組在信道上“在途飛行”。

發送窗口 (Send Window)：
- 包含已發送但未確認的分組 (Sent but not ACKed) 和可以立即發送的分組 (Can Send Now)。
- 隨著收到ACK向前“滑動”。
接收窗口 (Receive Window)：
- 包含期望接收的下一個序號 (Next Expected Seq#) 及之后可以按序接收的序號范圍。
- 隨著按序交付數據向前“滑動”。

兩種主要變體

回退N步 (Go-Back-N - GBN)：
- 接收方只接受按序到達的分組，丟棄所有亂序分組。
- 發送方收到ACK?n?表示?n?及之前所有分組都已被確認。
- 超時或收到NAK時，重傳所有已發送但未確認的分組（從序號?n+1?開始）。
- 優點：接收方實現簡單（只需維護?expectedseqnum）。
- 缺點：效率低，一個分組丟失可能導致大量正確分組被重傳。
選擇重傳 (Selective Repeat - SR)：
- 接收方緩存所有正確接收但亂序的分組。
- 發送方為每個分組維護獨立的定時器。
- 超時或收到NAK/SACK時，只重傳特定丟失的分組。
- 優點：效率高，只重傳丟失分組。
- 缺點：發送方和接收方實現更復雜（需要更大的緩沖區管理亂序分組和獨立的定時器管理）。

特性	Go-Back-N (GBN)	Selective Repeat (SR)
接收處理	只收按序，丟棄亂序	緩存所有正確接收的分組 (亂序也存)
確認機制	累積確認	選擇確認 (SACK/NAK)
重傳觸發	超時或重復ACK觸發重傳?所有?未確認分組	超時或SACK/NAK觸發重傳?單個?丟失分組
發送窗口	需要管理	需要管理 (更復雜)
接收窗口	大小為1	大于1
效率	較低 (一個丟包引發大量重傳)	較高 (只重傳丟失包)
復雜度	較低	較高

（二）可靠數據傳輸協議（Rdt）演進詳解

核心目標

在不可靠信道上實現無差錯、無丟失、無重復、按序交付的數據傳輸。

Rdt 1.0：理想信道模型

假設條件

底層信道完全可靠（無比特差錯、無丟包）

工作機制

發送方
- 將應用層數據打包成分組（Packet）直接發送。
接收方
- 直接解包數據交付給應用層。

缺陷

不切實際：真實網絡存在比特差錯和丟包。

Rdt 2.0：引入差錯檢測與確認機制

解決核心問題

比特級差錯（如傳輸中比特翻轉）

關鍵技術

校驗和（Checksum）
- 檢測分組內比特錯誤。
確認與重傳
- ACK：接收方顯式確認正確接收。
- NAK：接收方顯式報告錯誤，觸發發送方重傳。
停等協議（Stop-and-Wait）
- 發送方每發送一個分組后等待ACK/NAK。

有限狀態機（FSM）

缺陷

ACK/NAK受損問題：確認信號本身可能出錯，導致發送方無法判斷接收方狀態。

Rdt 2.1：解決確認信號受損

核心改進

添加序列號（Sequence Number）
- 使用?1-bit 序號（0 或 1）標識分組。
冗余ACK處理
- 接收方檢測到重復分組時，重發上一次的ACK（非NAK）。

關鍵行為

發送方：
- 收到受損ACK/NAK → 重傳當前分組。
- 收到重復ACK → 忽略（已確認接收方正確接收）。
接收方：
- 收到重復分組 → 丟棄并重發ACK（避免重復交付）。

優勢

明確區分新分組?vs?重傳分組。

Rdt 2.2：無NAK確認協議

核心改進

完全取消NAK，僅使用ACK + 序號確認。

接收方行為

收到正確分組時：
- 發送?ACK + 期望的下一序號（隱式確認當前分組）。
- 例：發送?ACK0?表示成功接收?seq=1（期望下一分組?seq=0）。
收到錯誤/非期望分組時：
- 發送?ACK + 最后一次正確接收的序號（觸發發送方重傳）。

優勢

簡化協議設計，統一反饋機制。

Rdt 3.0：解決丟包與超時重傳

解決核心問題

分組丟失（發送方/接收方均可能丟失分組）
ACK丟失

關鍵技術

倒計時定時器（Countdown Timer）
- 發送方每發一個分組即啟動定時器。
超時重傳（Timeout Retransmission）
- 定時器到期未收到ACK → 重傳分組。
序號機制擴展
- 仍使用1-bit序號，但需處理延遲ACK和重復分組。

有限狀態機（FSM）關鍵流程

性能問題

信道利用率低：
- 鏈路傳播延遲（RTT）期間信道空閑（停等機制限制）。
- 公式：Utilization = (L/R) / (RTT + L/R)
  （L=分組大小,?R=帶寬,?RTT=往返時延）

協議演進總結對比

版本	解決的核心問題	關鍵技術	主要缺陷
1.0	無（理想信道）	直接發送	不適用于真實網絡
2.0	比特差錯	校驗和、ACK/NAK、停等協議	ACK/NAK受損問題
2.1	ACK/NAK受損	1-bit序號、冗余ACK處理	仍依賴NAK
2.2	取消NAK	ACK攜帶期望序號（隱式確認）	未解決丟包問題
3.0	分組丟失 & ACK丟失	超時重傳、定時器機制	信道利用率低（停等瓶頸）