流量控制 、可靠傳輸與滑動窗口機(jī)制
流量控制涉及對鏈路上的幀的發(fā)送速率的控制 ，以使接收方有足夠的緩沖空間來接收每一個幀。例如，在面向幀的自動重傳請求系統(tǒng)中 ，當(dāng)待確認(rèn)幀的數(shù)量增加時 ，有可能超出緩沖存儲空間而造成過載 。流量控制的基本方法是由接收方控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率 ，常見的方式有兩種 ： 停止-等待協(xié)議和滑動窗口協(xié)議 。
????停止-等待流量控制基本原理
發(fā)送方每發(fā)送一幀 ，都要等待接收方的應(yīng)答信號 ，之后才能發(fā)送下一幀；接收方每接收一幀 ， 都要反饋一個應(yīng)答信號 ，表示可接收下一幀，如果接收方不反饋應(yīng)答信號，則發(fā)送方必須一直等待。每次只允許發(fā)送一幀 ，然后就陷入等待接收方確認(rèn)信息的過程中 ，因而傳輸效率很低 。
????滑動窗口流量控制基本原理
在任意時刻 ，發(fā)送方都維持一組連續(xù)的允許發(fā)送的幀的序號，稱為發(fā)送窗口；同時接收方也維持一組連續(xù)的允許接收幀的序號 ，稱為接收窗口。發(fā)送窗口用來對發(fā)送方進(jìn)行流量控制，而發(fā)送窗口的大小 WT代表在還沒有收到對方確認(rèn)信息的情況下發(fā)送方最多還可以發(fā)送多少個數(shù)據(jù)幀。同理，在接收端設(shè)置接收窗口是為了控制可以接收哪些數(shù)據(jù)幀而不可以接收哪些幀 。在接收方只有當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀的序號落入接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀收下 。若接收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外 ，則一律將其丟棄。
下圖給出了發(fā)送窗口和接收窗口的工作原理。
在發(fā)送端，每收到一個確認(rèn)幀，發(fā)送窗口就向前滑動一個幀的位置，當(dāng)發(fā)送窗口內(nèi)沒有可以發(fā)送的幀 （即窗口內(nèi)的幀全部是己發(fā)送但未收到確認(rèn)的幀） ，發(fā)送方就會停止發(fā)送 ，直到收到接收方發(fā)送的確認(rèn)幀使窗口移動 ，窗口內(nèi)有可以發(fā)送的幀，之后才開始繼續(xù)發(fā)送 。
在接收端 ，當(dāng)收到數(shù)據(jù)幀后 ，將窗口向前移一個位置，并發(fā)回確認(rèn)幀 ，若收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外則一律丟棄 。
滑動窗口有以下重要特性 ：
1)? 只有接收窗口向前滑動時（同時接收方發(fā)送了確認(rèn)幀），發(fā)送窗口才有可能（只有發(fā)送方收到確認(rèn)幀才是一定）向前滑動。
2）從滑動窗口的概念看 ，停止-等待協(xié)議、后退 N 幀協(xié)議和選擇重傳協(xié)議只在發(fā)送窗口大小和接收窗口大小上有所差別 ：
停止等待協(xié)議 ：發(fā)送窗口大小 =1，接收窗口大?。? ; 后退 N 幀協(xié)議：發(fā)送窗口大?。? ，接收窗口大小=1; 選擇重傳協(xié)議 ：發(fā)送窗口大?。?，接收窗口大?。?。
3） 當(dāng)接收窗口的大小為 1 時，可保證幀的有序接收 。
4） 數(shù)據(jù)鏈路層的滑動窗口協(xié)議中 ，窗口的大小在傳輸過程中是固定的（注意與傳輸層的滑動窗口協(xié)議的區(qū)別）。
????可靠傳輸機(jī)制
數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸通常使用確認(rèn)和超時重傳兩種機(jī)制來完成 。確認(rèn)是一種無數(shù)據(jù)的控制幀，這種控制幀使得接收方可以讓發(fā)送方知道哪些內(nèi)容被正確接收。有些情況下為了提高傳輸效率，將確認(rèn)捎帶在一個回復(fù)幀中，稱為捎帶確認(rèn) 。超時重傳是指發(fā)送方在發(fā)送某一個數(shù)據(jù)幀以后就開啟一個計時器 ，在一定時間內(nèi)如果沒有得到發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)幀? ，那么就重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，直到發(fā)送成功為止 。
自動重傳請求 （Auto Repeat Request, ARQ ） ，通過接收方請求發(fā)送方重傳出錯的數(shù)據(jù)幀來恢復(fù)出錯的幀 ，是通信中用于處理信道所帶來差錯的方法之一? 。傳統(tǒng)自動重傳請求分為三種，即停-等式 （ Stop-and-Wait) ARQ、后退 N 幀 （ Go-Back-N)? ARQ 以及選擇性重傳（Selective Repate) ARQ? 。后兩種協(xié)議是滑動窗口技術(shù)與請求重發(fā)技術(shù)的結(jié)合 ，由于窗口尺寸開到足夠大時，幀在線路上可以連續(xù)地流動 ，因此又稱其為連續(xù) ARQ協(xié)議。注意，在數(shù)據(jù)鏈路層中流量控制機(jī)制和可靠傳輸機(jī)制是交織在一起的 。
單幀滑動窗口與停止-等待協(xié)議
在停止-等待協(xié)議中 ，源站發(fā)送單個幀后必須等待確認(rèn) ，在目的站的回答到達(dá)源站之前 ，源站不能發(fā)送其他的數(shù)據(jù)幀 。從滑動窗口機(jī)制的角度看 ，停止-等待協(xié)議相當(dāng)于發(fā)送窗口和接收窗口大小均為 1 的滑動窗口協(xié)議。
在停止-等待協(xié)議中 ，除了數(shù)據(jù)幀丟失 ，還可能出現(xiàn)以下兩種差錯 ： 到達(dá)目的站的幀可能己遭破壞 ，接收站利用差錯檢測技術(shù)檢出后，簡單地將該幀丟棄。為了對付這種可能發(fā)生的情況，源站裝備了計時器 。在一個幀發(fā)送之后 ，源站等待確認(rèn)，如果在計時器計滿時仍未收到確認(rèn) ，則再次發(fā)送相同的幀 。如此重復(fù) ，直到該數(shù)據(jù)幀無錯誤地到達(dá)為止 。
另一種可能的差錯是數(shù)據(jù)幀正確而確認(rèn)幀被破壞? ，此時接收方已經(jīng)收到了正確的數(shù)據(jù)幀，但發(fā)送方收不到確認(rèn)幀 ，因此發(fā)送方會重傳已經(jīng)被接收的數(shù)據(jù)幀? ，接收方收到同樣的數(shù)據(jù)幀時會丟棄該幀，并重傳一個該幀對應(yīng)的確認(rèn)幀 。發(fā)送的幀交替地用0和1來標(biāo)識 ，肯定確認(rèn)則分別用 ACK0和 ACK1 來表示 ，當(dāng)收到的確認(rèn)有誤時 ，則重傳己發(fā)送的幀。
對于停止-等待協(xié)議，由于每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀就停止并等待 ，因此用 1bit 來編號就夠 。在停止-等待協(xié)議中 ，若連續(xù)出現(xiàn)相同發(fā)送序號的數(shù)據(jù)幀 ，表明發(fā)送端進(jìn)行了超時重傳。連續(xù)出現(xiàn)相同序號的確認(rèn)幀 ，表明接收端收到了重復(fù)幀 。
此外，為了超時重發(fā)和判定重復(fù)幀的需要，發(fā)送方和接收方都須設(shè)置一個幀緩沖區(qū)。發(fā)送端在發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時 ，必須在其發(fā)送緩存中保留此數(shù)據(jù)幀的副本 ，這樣才能在出差錯時進(jìn)行重傳 。 只有在收到對方發(fā)來的確認(rèn)幀 ACK 時，方可清除此副本 。
由下圖可知，停止-等待協(xié)議通信信道的利用率很低 。為了克服這一缺點(diǎn) ，就產(chǎn)生了另外兩種協(xié)議 ，即后退 N幀協(xié)議和選擇重傳協(xié)議 。
多幀滑動窗口與后退 N 幀協(xié)議 （ GBN )
在后退 N 幀式 ARQ 中，發(fā)送方不需要在收到上一個幀的 ACK 后才能開始發(fā)送下一幀 ，而是可以連續(xù)發(fā)送幀? 。當(dāng)接收方檢測出失序的信息幀后，要求發(fā)送方重發(fā)最后一個正確接收的信息幀之后的所有未被確認(rèn)的幀；或者當(dāng)發(fā)送方發(fā)送了 N個幀后 ，若發(fā)現(xiàn)該 N個幀的前一個幀在計時器超時后仍未返回其確認(rèn)信息 ，則該幀被判為出錯或丟失 ，此時發(fā)送方就不得不又重傳該出錯幀及隨后的 N個幀 。換句話說 ，接收方只允許按順序接收幀 。
如圖所示，源站向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)幀 。當(dāng)源站發(fā)完 0 號幀后，可以繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的 1 號幀、2 號幀等。源站每發(fā)送完一幀就要為該幀設(shè)置超時計時器 。由于連續(xù)發(fā)送了許多幀，所以確認(rèn)幀必須要指明是對哪一幀進(jìn)行確認(rèn) 。為了減少開銷 ，GBN協(xié)議還規(guī)定接收端不一定每收到一個正確的數(shù)據(jù)幀就必須立即發(fā)回一個確認(rèn)幀 ，而是可以在連續(xù)收到好幾個正確的數(shù)據(jù)幀后，才對最后一個數(shù)據(jù)幀發(fā)確認(rèn)信息 ，或者可以在當(dāng)自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才將對以前正確收到的幀加以捎帶確認(rèn) 。這就是說 ，對某一數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)就表明該數(shù)據(jù)幀和這以前所有的數(shù)據(jù)幀均己正確無誤地收到了。在圖中，ACKn 表示對第 n 號幀的確認(rèn) ，表示接收方己正確收到了第 n 號幀及以前的所有幀，下一次期望收到第 n+1 號幀 （也可能是第 0 號幀）。接收端只按序接收數(shù)據(jù)幀 。 雖然在有差錯的 2 號幀之后接著又收到了正確的 6 個數(shù)據(jù)幀，但接收端都必須將這些幀丟棄。接收端雖然丟棄了這些不按序的無差錯幀 ，但應(yīng)重復(fù)發(fā)送己經(jīng)發(fā)送過的最后一個確認(rèn)幀 ACK1? （ 這是防止己經(jīng)發(fā)送過的確認(rèn)幀 ACK1 丟失）。
后退 N幀協(xié)議的接收窗口為1，可以保證按序接收數(shù)據(jù)幀。若采用n個比特對幀編號 ，則其發(fā)送窗口的尺寸 WT 應(yīng)滿足：1 <= WT? <= 2^n - 1。若發(fā)送窗口的尺寸大于2^n - 1，則會造成接收方無法分辨新幀和舊幀。
從圖中不難看出 ，后退 N 幀協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了信道的利用率 ，但另一方面，在重傳時又必須把原來己傳送正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳 （僅因這些數(shù)據(jù)幀的前面有一個數(shù)據(jù)幀出了錯） ，這種做法又使傳送效率降低。由此可見，若信道的傳輸質(zhì)量很差導(dǎo)致誤碼率較大時，后退 N幀協(xié)議不一定優(yōu)于停止-等待協(xié)議。
多幀滑動窗口與選擇重傳協(xié)議（SR)
為進(jìn)一步提高信道的利用率 ，可設(shè)法只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)幀或者是計時器超時的數(shù)據(jù)幀。
但此時必須加大接收窗口，以便先收下發(fā)送序號不連續(xù)但仍處在接收窗口中的那些數(shù)據(jù)幀 。等到所缺序號的數(shù)據(jù)幀收到后再一并送交主機(jī) 。這就是選擇重傳 ARQ 協(xié)議。
在選擇重傳協(xié)議中 ，每一個發(fā)送緩沖區(qū)對應(yīng)一個計時器 ，當(dāng)計時器超時時，緩沖區(qū)的幀就會重傳 。另外，該協(xié)議使用了比上述其他協(xié)議更有效的差錯處理策略 ，即一旦接收方懷疑幀出錯，就會發(fā)一個否定幀 NAK 給發(fā)送方 ，要求發(fā)送方對 NAK 中指定的幀進(jìn)行重傳 。如圖所示。
選擇重傳協(xié)議的接收窗口尺寸 WR 和發(fā)送窗口尺寸 WT 都大于 1，一次可以發(fā)送或接收多個幀。若采用n比特對幀編號，為了保證接收方向前移動窗口后 ，新窗口序號與舊窗口序號沒有重疊部分，需要滿足條件：接收窗口 WR+發(fā)送窗口 WT? <= 2^n。假定仍然采用累計確認(rèn)的方法 ，并且接收窗口 WR 顯然不應(yīng)超過發(fā)送窗口 WT （ 否則無意義），那么接收窗口尺寸不應(yīng)超過序號范圍的一半：WR <= 2^(n - 1)。當(dāng)接收窗口為最大值時 ，WTmax=WRmax=2^(n - 1)。需要提醒讀者的是 ，一般情況下，在 SR 協(xié)議里面 ，接收窗口的大小和發(fā)送窗口的大小是相同的。
選擇重傳協(xié)議可以避免重復(fù)傳送那些本己正確到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)幀 ，但在接收端要設(shè)置具有相當(dāng)容量的緩沖區(qū)來暫存那些未按序正確收到的幀 。接收端不能接收窗口下界以下或窗口上界以上的序號的幀 ，因此所需緩沖區(qū)的數(shù)目等于窗口的大小 ，而不是序號數(shù)目 。
補(bǔ)充問題
在停止-等待協(xié)議中 ，確認(rèn)幀為什么不需要序號（如用 ACK0 和 ACK1 ) ?
為什么當(dāng)用n個比特進(jìn)行編號時 ，若接收窗口的大小為 1，則只有在發(fā)送窗口的大小 WT <=?2^n-1 時，連續(xù)ARQ 協(xié)議才能正確運(yùn)行 ?
