42、可靠传输——连续ARQ

news2024/10/7 10:25:24

上回内容我们学习到，一种保证可靠传输的机制——ARQ协议，ARQ协议通过设置超时定时器，当在规定时间内没有收到来自对方发来的“确认”报文，就自动报文重传。这其中，ARQ协议和停止等待机制的结合，我们把它称作“停等ARQ”，发送完一个报文之后必须等待对方的确认才能继续发送下一个报文。

由此可见，停等ARQ虽然可以一定程度上保证可靠传输，而且实现起来比较简单，但是由于其“停止等待”的特点，导致使用这种机制的通信，信道利用率太低。

因为一个报文发送出去之后，距离下一个报文的发送，至少要经过一个端到端的往返时间（也就是一个RTT，因为发送报文到达接收端以后，还要再等对方“确认”报文再回来），此外再加上一些接收端处理报文的时间，发送端处理“确认报文”的时间、出现问题再重传的时间等等这些，导致在整个通信过程中，“真正报文”发送的时间只占一小部分，整个信道的利用率就变得非常低。

因此为了解决这个利用率的问题，后来就借鉴了“流水线思想”，让发送方可以连续发送多个报文，而不必每发送完一个报文就停下来等待对方确认，这样可以做到信道上一直有数据在传输，提高其利用率。（如要具体了解流水线，可查阅计算机组成原理课程中“CPU流水线技术”）

将“流水线”思想结合到ARQ协议，同时还要结合滑动窗口技术来实现，就是本节内容要学习的连续ARQ方式。

滑动窗口

滑动窗口，是一种流量控制技术，同时也是TCP协议的精髓所在，后面还会学习到TCP的流量控制，也是用滑动窗口来实现的。

依照惯例，我们在学习一个新概念的时候，首先知道它是什么，然后需要知道它为什么。也就是知道了滑动窗口是一种流量控制技术之后，下一步我们要做的就是它为什么会叫这个名字。关于这个问题，这就要说到它的本质了，滑动窗口的本质其实就是数组的双指针，数组就是窗口，指针可以用来滑动（若详细了解数组和指针，可学习数据结构的知识），在这里我们可以简单的把存放报文的缓冲区当作窗口，把发送方主机的缓冲区叫做“发送窗口”，把接收方主机的缓冲区叫做“接收窗口”。

刚才我们说过，连续ARQ方式是要结合滑动窗口技术来实现的，就是要做到可以连续发送多个报文，而不必发送完一个就要停下来等待。这也就意味着，在发送窗口中能够容纳多个报文，然后可以连续的把报文发送出去，同时收到对一个报文的“确认”后，窗口还要向前滑动。

谢希仁老师教材上给出的例图，可以很好地解释这个过程：

该图中展示了一个可以容纳五个报文的发送窗口（图中的数字序号就是报文的编号），所以这个发送窗口的大小就是 5 。这五个报文可以连续的发送出去。在收到接收方对报文 1 的确认后，发送窗口自动向前滑动，把报文 6 “扩进来”。后面的报文以此类推。

在这里还需要注意一点的是，仍然要为每一个报文设置一个超时定时器，在时间到之前没有收到对方发来的确认，就要重传该报文。不过，连续ARQ和停等ARQ，关于接收端对报文的确认方式，是有不同的：

停等ARQ中，发送方必须要等着接收端对一个报文的确认才能继续发送后面的；

而在连续ARQ中由于发送方可以连续发送，所以也不要求接收方对收到的每一个报文都进行确认，接收方一般可以“累积确认”，也就是在收到几个报文后，对按序到达的最后一个报文发送确认即可，这就表示告诉发送方：到这个报文为止的所有报文都正确收到了。就比如，发送方正在发送第四个报文的时候，收到了来自接收方对报文 3 的确认，那么发送方也就知道前面的1、2、3号报文都已被正确接收。

可见，接收方使用这种“累积确认”，也可以一定程度上提升通信效率。但同时也应注意的是，使用累积确认方式，最关键的一点是：报文是必须按序到达的。如果不是按序到达，那么接收方将会在“断点处”发送确认，而不是对最后一个报文发送确认。举个例子就是：如果发送方把五个报文都已经发送出去了，但其中的 3 号报文在传输中丢失了，接收方只收到了1、2、4、5号报文，这时候由于没有收到 3 号，那么接收方将会发出对 2 号报文的确认，告诉接收方 1 号和 2 号报文正确收到了。这时候，发送方对 3 号报文重传，可以有两种重传的方式，这两种方式有些区别，下面我们依次学习：