系统说明流量控制与可靠传输机制，重点覆盖停止等待、后退 N 帧、选择重传和滑动窗口协议。

# 流量控制与可靠传输

数据链路层中的流量控制和可靠传输经常一起考。流量控制解决 “发送方太快，接收方处理不过来” 的问题；可靠传输解决 “帧出错、丢失、确认丢失后如何恢复” 的问题。

机制	目标
流量控制	控制发送速率，避免接收方缓冲区溢出
差错控制	检测或纠正比特错误
可靠传输	通过确认、超时和重传保证帧可靠到达

链路层可靠传输不是所有链路都需要。以太网通常只检错丢弃，不做重传；无线链路、卫星链路等误码率较高的场景更可能在链路层使用重传机制。

# ARQ 协议

ARQ（Automatic Repeat reQuest，自动重传请求）是一类可靠传输协议。它的基本思想是：

发送方发送数据帧。
接收方正确收到后返回 ACK。
发送方若超时未收到 ACK，就认为数据帧或确认帧丢失，需要重传。

ARQ 的三个典型协议：

停止 - 等待协议。
后退 N 帧协议（GBN）。
选择重传协议（SR）。

flowchart TB
    A[ARQ 可靠传输] --> B[停止-等待]
    A --> C[连续 ARQ]
    C --> D[GBN<br/>后退 N 帧]
    C --> E[SR<br/>选择重传]

# 停止 - 等待协议

停止 - 等待协议每次只发送一个帧，收到确认后才发送下一个帧。

sequenceDiagram
    participant S as 发送方
    participant R as 接收方
    S->>R: Frame 0
    R-->>S: ACK 0
    S->>R: Frame 1
    R--xS: ACK 1 丢失
    Note over S: 超时
    S->>R: 重传 Frame 1
    R-->>S: ACK 1

# 工作过程

发送方发送一个数据帧，并启动计时器。
接收方检错：
- 正确接收：返回 ACK。
- 检测出错：丢弃该帧，不返回 ACK。
发送方收到 ACK 后发送下一帧。
若计时器超时，则重传原帧。

# 序号问题

停止 - 等待协议至少需要 1 bit 序号，即 0 和 1 交替使用。

原因：确认帧可能丢失，导致发送方重传旧帧。接收方必须能区分 “新帧” 和 “重复帧”。

1	Frame 0 -> ACK 0 丢失 -> 重传 Frame 0

若没有序号，接收方可能把重传帧当作新数据交付。

# 特点

优点：

实现简单。
接收方不需要复杂缓存。
适合低速、短距离、简单链路。

缺点：

信道利用率低。
传播时延较大时，大量时间浪费在等待 ACK。

# 滑动窗口机制

滑动窗口允许发送方在未收到确认前连续发送多个帧，以提高信道利用率。

核心概念：

名称	含义
发送窗口	发送方允许连续发送但尚未确认的帧集合
接收窗口	接收方当前允许接收的帧集合
序号空间	n 位序号能表示的编号集合，大小为 $2^n$

窗口会随着 ACK 到达向前滑动。

1
2
3

发送窗口: [0 1 2 3] 4 5 6 7
收到 ACK0 后:
发送窗口: 0 [1 2 3 4] 5 6 7

# 后退 N 帧协议 GBN

GBN（Go-Back-N）允许发送方连续发送多个帧，但接收方只按序接收。

# GBN 规则

发送方：

发送窗口大小 $W_s > 1$ 。
可以连续发送窗口内的多个帧。
为最早未确认帧设置计时器。
若超时，从出错帧开始重传后续所有已发送但未确认帧。

接收方：

接收窗口大小 $W_r = 1$ 。
只接受当前期望序号的帧。
对乱序帧直接丢弃。
发送累积确认。

# 累积确认

ACK k 通常表示：接收方已经正确收到 k 之前的所有帧，下一次期望收到第 k 帧。

不同教材对 ACK 编号含义可能略有差异，做题时以题目说明为准。

# GBN 示例

sequenceDiagram
    participant S as 发送方
    participant R as 接收方
    S->>R: Frame 0
    S->>R: Frame 1
    S->>R: Frame 2 丢失
    S->>R: Frame 3
    R-->>S: ACK 1
    R-->>S: ACK 2
    Note over R: Frame 3 乱序，丢弃
    Note over S: Frame 2 超时
    S->>R: 重传 Frame 2
    S->>R: 重传 Frame 3

# GBN 特点

优点：

发送方可以连续发送，效率高于停止 - 等待。
接收方简单，不需要缓存乱序帧。

缺点：

一个帧出错，后续已发送帧也要重传。
信道误码率高时浪费较大。

# 选择重传协议 SR

SR（Selective Repeat）允许接收方接收并缓存乱序帧，只重传出错或丢失的帧。

# SR 规则

发送方：

连续发送窗口内帧。
每个未确认帧通常有独立计时器。
哪个帧超时，只重传哪个帧。

接收方：

接收窗口大小 $W_r > 1$ 。
可以接收乱序帧并缓存。
对每个正确收到的帧分别确认。
当窗口前沿之前的帧都到齐后，按序交付给网络层。

# SR 示例

sequenceDiagram
    participant S as 发送方
    participant R as 接收方
    S->>R: Frame 0
    S->>R: Frame 1
    S->>R: Frame 2 丢失
    S->>R: Frame 3
    R-->>S: ACK 0
    R-->>S: ACK 1
    R-->>S: ACK 3
    Note over R: 缓存 Frame 3，等待 Frame 2
    Note over S: Frame 2 超时
    S->>R: 重传 Frame 2
    R-->>S: ACK 2
    Note over R: 按序交付 2 和 3

# SR 特点

优点：

只重传出错帧，信道利用率高。
适合长时延、高带宽或误码较高的链路。

缺点：

接收方需要缓存乱序帧。
发送方计时器和状态管理复杂。
对窗口大小有更严格限制。

# 三种协议对比

项目	停止 - 等待	GBN	SR
发送窗口	1	大于 1	大于 1
接收窗口	1	1	大于 1
是否连续发送	否	是	是
乱序帧处理	不涉及	丢弃	缓存
确认方式	单帧确认	累积确认	单独确认
重传策略	重传当前帧	从出错帧开始重传后续帧	只重传出错帧
实现复杂度	低	中	高
信道利用率	低	中	高

# 窗口大小限制

设序号字段有 $n$ 位，则序号空间大小为：

$2^n$

为了避免序号回绕造成新旧帧混淆，发送窗口 $W_s$ 与接收窗口 $W_r$ 需要满足：

$W_s + W_r \le 2^n$

# 停止 - 等待

$W_s = 1,\quad W_r = 1$

至少需要 1 bit 序号。

# GBN

GBN 中：

$W_r = 1$

因此：

$W_s + 1 \le 2^n$

所以：

$W_s \le 2^n - 1$

# SR

SR 中一般令：

$W_s = W_r$

由：

$W_s + W_r \le 2^n$

得到：

$W_s \le 2^{n-1},\quad W_r \le 2^{n-1}$

常考结论：n 位序号时，GBN 发送窗口最大为 $2^n-1$ ；SR 发送窗口和接收窗口最大通常为 $2^{n-1}$ 。

# 信道利用率

信道利用率表示信道用于传输有效数据的比例。

设：

数据帧发送时间为 $T_d$ 。
ACK 发送时间为 $T_a$ 。
单程传播时延为 $T_p$ 。
往返传播时延 $RTT = 2T_p$ 。
发送窗口大小为 $N$ 。

停止 - 等待协议的近似信道利用率：

$U = \frac{T_d}{T_d + RTT + T_a}$

连续 ARQ 协议在不考虑出错重传时：

$U = \min\left(1,\frac{N \cdot T_d}{T_d + RTT + T_a}\right)$

如果 ACK 发送时间可忽略：

$U \approx \min\left(1,\frac{N}{1+2a}\right)$

其中：

$a = \frac{T_p}{T_d}$

做题时先判断是否给出 ACK 发送时间。如果题目说 ACK 很短或忽略确认帧发送时间，就可以去掉 $T_a$ 。

# 本节考点

ARQ 的核心是 ACK、超时、重传。
停止 - 等待一次只发一帧，至少需要 1 bit 序号。
GBN 发送窗口大于 1，接收窗口为 1，乱序帧丢弃，出错后回退重传。
SR 发送窗口和接收窗口都大于 1，接收方缓存乱序帧，只重传出错帧。
n 位序号：GBN 最大发送窗口 $2^n-1$ ，SR 最大窗口 $2^{n-1}$ 。
信道利用率题目要区分发送时延、传播时延、ACK 发送时间和窗口大小。

ARQ 协议主要包括三种形式：停止 - 等待（Stop‑and‑Wait）、回退 N 帧（Go‑Back‑N, GBN）以及 选择性重传（Selective Repeat, SR）。
其中，回退 N 帧和选择性重传统称为 连续 ARQ 协议。