计算机网络（11）和流量控制补充

这一篇对数据链路层中的和流量控制进行详细学习

流量控制（Flow Control）是计算机网络中确保数据流平稳传输的技术，旨在防止数据发送方发送过多数据，导致接收方的缓冲区溢出，进而造成数据丢失或传输失败。流量控制通常通过调整发送方的数据发送速率，确保接收方能有效地处理和存储接收到的数据。

流量控制的目的：

1. 防止缓冲区溢出：接收方的缓冲区有限，若发送方发送数据过快，接收方无法及时处理，可能会导致缓冲区溢出，造成数据丢失。
2. 提高传输效率：通过合适的流量控制机制，避免过快或过慢的数据流动，从而实现高效、可靠的数据传输。
3. 动态调整发送速度：根据网络状态和接收方的处理能力，动态地调整发送方的发送速率，确保数据传输的平稳性。

流量控制的类型

流量控制有多种方法，主要可以分为两类：端到端流量控制 （End-to-End Flow Control）和链路层流量控制（Link-Level Flow Control）。

1. 端到端流量控制

端到端流量控制是在源设备和目标设备之间实现的流量控制。常见的协议有：

• TCP流量控制（基于滑动窗口机制）

  TCP（传输控制协议）是端到端流量控制的典型例子。TCP流量控制的核心机制是滑动窗口，即接收方通过控制窗口大小（Window Size）来限制发送方可以发送的数据量。

  • 窗口大小：表示接收方的缓冲区能够接收的最大字节数。

  • 滑动窗口机制：发送方根据接收方的窗口大小控制发送数据的量。每次接收到确认（ACK）后，窗口会"滑动"并更新，允许发送更多的数据。

  • 发送方操作：当发送方发送数据时，它会根据接收到的窗口大小决定可以发送的数据量。发送的数据量不能超过接收方指定的窗口大小。

  • 接收方操作：接收方会告知发送方当前窗口的大小，并根据自身的缓冲区状态来动态调整该窗口大小。

  例子： 如果接收方的缓冲区有1000字节的可用空间，那么它会通过ACK报文告知发送方，发送方此时最多可以发送1000字节的数据。一旦接收方处理完这些数据，它会更新窗口大小，允许发送更多的数据。

2. 链路层流量控制

链路层流量控制是指在数据链路层（如以太网、PPP等）实现的流量控制。它主要用于控制相邻设备之间的数据传输速率。常见的链路层流量控制方法包括：

• 基于停止-等待协议（Stop-and-Wait）：这种方法要求发送方每发送一帧数据后，都等待接收方的确认信号（ACK）才可以发送下一帧。这种方法在低速网络中比较常见，适合简单的流量控制。

• XON/XOFF协议：这是一种基于字符的流量控制协议，通常用于串行通信中。发送方通过发送XOFF（停止发送）或XON（恢复发送）字符来控制数据的发送。接收方当接收到XOFF字符时会停止接收数据，直到接收到XON字符才恢复接收。

3. 拥塞控制与流量控制的区别

流量控制和拥塞控制是两个不同的概念，虽然它们在目的上有所重叠，但有不同的实现方式：

• 流量控制：是确保数据发送速率与接收方处理能力相匹配，避免接收方的缓冲区溢出。
• 拥塞控制：是防止网络中出现过多的数据流导致网络节点（如路由器）过载，并且确保网络的整体流量不会超出其承载能力。

流量控制的常见方法

1. 滑动窗口机制（Sliding Window）：主要用于TCP协议。接收方通过指示一个窗口大小，发送方根据窗口大小限制其发送的数据量。随着接收方确认数据，窗口会滑动，允许发送更多数据。

2. 停止-等待协议（Stop-and-Wait）：一种简单的流量控制方法。发送方每发送一个数据帧都必须等待接收方的确认（ACK）才能发送下一个数据帧。这种方法效率较低，但适用于低带宽和低延迟的环境。

3. XON/XOFF协议：一种字符级的流量控制协议，广泛用于串行通信和基于流的协议（如Telnet）。发送方通过发送XON字符（恢复发送）和XOFF字符（停止发送）来控制数据流。

4. 基于令牌的流量控制（Token-based Flow Control）：在这种方式下，发送方必须获得一个"令牌"才能发送数据。令牌的控制方式确保了数据的流量不会过大，通常用于分布式系统和多路复用技术中。

5. 缓冲区管理：接收方会为每个连接分配一个缓冲区，并根据缓冲区的空闲情况通知发送方适当的发送速率。通常，接收方通过滑动窗口或发送窗口大小来进行流量控制。

流量控制的应用场景

• 高带宽、低延迟网络：如光纤网络、卫星通信，流量控制帮助调整发送方的速率以防止接收方的缓冲区溢出。
• 实时传输：例如，视频流和语音通话等应用需要非常精细的流量控制，确保数据流的平稳，避免丢包或时延过高。
• 有限资源的网络：如低功耗的物联网设备（IoT）中，流量控制帮助节省带宽和减少功耗。

二.流量控制协议：

流量控制协议可以根据通信信道的噪声情况分为两类：无噪声信道和有噪声信道。不同的信道噪声情况会影响流量控制的实现方式。

1. 无噪声信道（Noiseless Channel）

在无噪声信道中，假设传输过程中不会出现数据错误和丢包的情况。由于信道质量好，流量控制的重点在于协调发送方和接收方的速度，而不是数据的重传和纠错。无噪声信道的流量控制协议通常较为简单，高效性较强。

• 典型协议 ：
  • 停止-等待协议（Stop-and-Wait Protocol）：发送方每次发送一个数据帧，然后等待接收方的确认（ACK）。在无噪声信道中，接收方总是能收到正确的数据帧，因此只需在每次数据发送后等待确认即可。

2. 有噪声信道（Noisy Channel）

在有噪声信道中，数据可能因传输错误或干扰而发生丢失或损坏。流量控制协议在解决速率匹配问题的同时，还需要处理错误控制，确保接收方接收到的都是正确的数据帧。

• 典型协议 ：
  • 停止-等待ARQ（Stop-and-Wait Automatic Repeat Request）：这是带自动重传请求的停止-等待协议。在数据帧丢失或损坏时，接收方不会发送确认（ACK），从而触发发送方的重传。发送方会在超时后重发数据，以保证数据的可靠到达。

回退N帧ARQ和选择重传ARQ都是属于滑动窗口协议：

• • 回退N帧ARQ(Go Back-N ARQ)：发送方可以连续发送多个帧，但如果检测到某一帧出错，接收方会丢弃之后所有的帧发送发需从错误帧开始重新传输
  • 选择重传ARQ,发送方也可以连续发送多帧数据，但当某一帧出错时，接收方只请求重传出错的帧，而不是全部重传。

停等协议（Stop-and-Wait ARQ）详解

停等协议（Stop-and-Wait ARQ） 是一种最简单的自动重传请求（ARQ）协议，用于在数据链路层实现可靠的数据传输。该协议通过确认每一帧的接收情况来确保数据的正确传递。当发送方发送一帧数据后，它会等待接收方的确认（ACK）信号，直到收到确认才会发送下一帧。此过程每次仅传输一帧数据，因此称为"停等"。

工作原理

1. 发送方操作：

   • 发送方发送一帧数据（称为数据帧）给接收方。
   • 发送方停下，等待接收方发送一个确认帧（ACK）来确认数据帧的接收。
   • 一旦收到确认帧（ACK），发送方继续发送下一帧数据。
   • 如果在超时之前没有收到确认帧（ACK），则发送方会重新发送当前数据帧。

2. 接收方操作：

   • 接收方接收到数据帧后，如果数据正确无误，就返回一个确认帧（ACK）给发送方。
   • 如果接收方检测到数据帧有错误（如校验错误），它将丢弃该数据帧，并不会发送确认帧。发送方会在超时后重新发送该数据帧。

3. 超时与重传：

   • 在发送数据帧后，发送方会启动一个定时器。如果在定时器到期前未收到确认帧，发送方会重传该数据帧。
   • 定时器的长度必须设置合理，以避免过早的重传或延迟过长的重传。

停等协议的流程示意

1. 发送方 发送数据帧 Data1 给 接收方。
2. 接收方 正确接收 Data1 后，发送确认帧 ACK1 回到 发送方。
3. 发送方 收到 ACK1 后，继续发送下一帧 Data2。
4. 如果 接收方 在接收数据帧时发现错误（如 CRC 错误），则丢弃该帧，并不发送确认帧。发送方 将等待超时并重新发送该帧。

停等协议的优缺点

优点：

1. 实现简单：停等协议的实现相对简单，发送方只需要发送一帧数据并等待确认，接收方只需返回一个确认帧。
2. 保证可靠性：通过等待确认和重传机制，停等协议可以保证数据的可靠传输，即使在存在传输错误的情况下，也能确保数据最终被正确传递。
3. 适用于低误码率的环境：在误码率较低或网络延迟较小的情况下，停等协议可以有效地完成数据传输。

缺点：

1. 效率低 ：由于每次只能发送一帧数据，且发送方必须等待确认才能继续发送下一帧，因此其带宽利用率较低。每传输一帧数据都需要等待确认，因此长时间的等待会影响效率。

2. 延迟较高：每帧数据的确认都需要等待往返时间（RTT）。在高延迟的网络中，停等协议的效率会显著下降，尤其是在长距离传输中。

3. 带宽利用不充分：停等协议每次只发送一帧数据，导致网络带宽的使用不充分，尤其在传输速率较高时，带宽的浪费尤为明显。

适用场景

1. 低速率或低误码的环境：在网络延迟较低、传输速率较低或错误率较低的场景下，停等协议能够以简单高效的方式提供可靠的数据传输。

2. 资源受限的系统：在一些资源受限的系统（如简单的嵌入式系统）中，停等协议由于其实现简单，往往是最适合的选择。

3. 信道质量好的情况：如果信道的误码率很低，且丢包率也较低，停等协议能够提供较为可靠的服务。

停等协议的例子

假设发送方和接收方之间存在一个简单的通信链路，数据帧由8位的二进制数据构成。

1. 发送方 ：发送方传输的数据帧为 10101010，并等待接收方的确认。
2. 接收方 ：接收方正确接收到数据帧后，返回一个确认帧 ACK，告诉发送方已成功接收到数据。
3. 如果接收方在收到数据时发现错误，例如数据帧为 10101001，它将丢弃该数据帧，不返回确认帧。发送方超时后会重新发送数据帧。

回退N帧 ARQ（Go-Back-N ARQ）详解

回退N帧 ARQ（Go-Back-N ARQ） 是一种自动重传请求（ARQ）协议，它用于在数据链路层实现可靠的数据传输。与 停等协议（Stop-and-Wait ARQ） 不同，回退N帧 ARQ 允许发送方一次发送多帧数据（最多为 N 帧），但接收方只按顺序确认接收到的帧。

工作原理

1. 发送方操作：

   • 发送方可以在等待确认之前连续发送多帧数据。它会为每一帧数据分配一个序列号（通常是一个循环的序列号，范围从 0 到 N-1），并将数据帧发送到接收方。
   • 发送方维护一个发送窗口，窗口大小为 N。窗口内的帧可以同时发送。
   • 每发送一帧数据，发送方启动一个定时器，并等待该帧的确认（ACK）。如果超时未收到确认，发送方将重新发送当前帧以及所有后续帧（即回退 N 帧）。

2. 接收方操作：

   • 接收方按顺序接收数据帧。当接收方正确接收到数据帧时，它会向发送方发送一个 累积确认帧（Cumulative ACK），该确认帧表示接收到的数据帧的最大序列号。
   • 如果接收方收到的帧的序列号不连续（即前面的帧丢失或错误），接收方会丢弃当前帧并不会向发送方发送确认，直到接收到缺失的帧。

3. 超时与重传：

   • 如果发送方在等待确认期间超时，它会重新发送从当前未确认帧开始的所有后续帧。这是所谓的"回退"操作，因为发送方会回到最后一个确认帧之后的所有帧并重发。
   • 重传时，所有未被确认的帧都需要重新发送，而不仅仅是丢失或错误的帧。

回退N帧 ARQ 的工作示意图

假设窗口大小为 N = 4，发送方和接收方按以下步骤工作：

1. 发送方 发送帧 0, 1, 2, 3，并为每个帧设置定时器。
2. 接收方 正确接收到帧 0, 1，然后返回一个确认帧 ACK 1，表示帧 0 和 1 已经被成功接收。
3. 发送方 接收到 ACK 1 后，滑动窗口，并发送新的帧 4，5，6，7。
4. 如果 接收方 错误地接收到帧 4，它会丢弃该帧并不发送任何确认帧。直到它收到帧 3 后，才会返回一个确认帧 ACK 3。
5. 发送方 在超时后会重新发送帧 4，5，6，7，直到接收到正确的确认。

回退N帧 ARQ 例子

假设发送方的窗口大小为 N = 4 ，接收方正确接收到的数据帧序列为 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7，并且窗口序列号范围从 0 到 3。

场景 1：正常数据传输

1. 发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3（窗口大小为4）。
2. 接收方 接收到帧 0, 1，并发送 ACK 1（表示帧 0 和 1 已经成功接收）。
3. 发送方 收到 ACK 1 后，发送新的帧 4, 5, 6, 7，同时滑动窗口。
4. 接收方 确认收到所有数据帧，直到 7。
5. 发送方 接收到 ACK 7，数据传输完成。

场景 2：丢帧重传

假设窗口大小仍为 N = 4 ，但 接收方 丢失了帧 4。

1. 发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3 和 4, 5, 6, 7。
2. 接收方 确认接收到 0, 1, 2, 3，并发送 ACK 3，但帧 4 被丢失。
3. 发送方 收到 ACK 3 后，继续发送新的帧 4, 5, 6, 7，直到超时。
4. 在超时后，发送方 会重发 所有未确认的帧 ，即帧 4, 5, 6, 7。
5. 接收方 在接收到帧 4, 5, 6, 7 后，返回 ACK 7，完成数据传输。

回退N帧 ARQ 的优缺点

优点：

1. 提高效率：相比于停等协议（Stop-and-Wait ARQ），回退N帧 ARQ 允许在等待确认的同时发送多帧数据，从而提高了传输效率。
2. 适应较长延迟的网络：回退N帧 ARQ 允许发送方在等待确认期间发送更多的帧，因此减少了等待时间，提高了数据传输速率。

缺点：

1. 重传的开销较大：当某一帧丢失或出错时，发送方不仅需要重传丢失的帧，还需要重传所有后续帧。这导致了带宽的浪费，尤其是在丢失的数据帧较少的情况下。
2. 窗口大小的限制：回退N帧 ARQ 的效率与窗口大小密切相关，窗口太小会导致效率低，窗口太大会增加发送方和接收方的负担，因此需要根据具体网络环境来调整窗口大小。

选择重传 ARQ（Selective Repeat ARQ）详解

选择重传 ARQ（Selective Repeat ARQ） 是一种自动重传请求（ARQ）协议，旨在提供高效的可靠数据传输，尤其是在不稳定的网络环境中。与 回退N帧 ARQ（Go-Back-N ARQ） 相比，选择重传 ARQ 更加高效，它允许发送方和接收方仅重传那些丢失或损坏的帧，而不是回退所有后续帧。

工作原理

1. 发送方操作 ：
   • 窗口大小 ：发送方一次可以发送多个数据帧，但它们的数量受发送窗口大小（N）的限制。每个帧都有一个唯一的序列号。
   • 连续发送数据帧：发送方可以连续发送多个数据帧，直到达到窗口大小为止，但不会等待确认。
   • 定时器：每个帧在发送时都会启动一个定时器，超时未收到确认时才会重传。
2. 接收方操作 ：
   • 接收确认（ACK）：接收方会对接收到的帧进行确认，单个帧的确认不会影响其他帧的确认。接收方会对每个正确接收到的帧发送一个独立的确认。
   • 乱序接收：接收方可以接收到乱序的数据帧（即某些帧丢失或错误）。如果接收方接收到的数据帧有缺失，它会缓存这些乱序帧，并等待缺失的帧到达。
   • 确认机制 ：接收方向发送方发送 选择性确认（Selective ACK）。只有那些成功接收到并顺序的帧才会被确认。
3. 超时与重传 ：
   • 超时重传：如果发送方未收到帧的确认，它会重传该帧，而不是回退所有后续帧。
   • 仅重传丢失或损坏的帧：在选择重传 ARQ 中，发送方和接收方仅会重传那些丢失或损坏的帧，而不是所有的帧。因此，减少了带宽浪费。

选择重传 ARQ 的工作示意图

假设发送方的窗口大小为 N = 4，接收方可以接收到乱序的数据帧，具体过程如下：

1. 发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3，并为每个帧设置定时器。
2. 接收方 正确接收到帧 0, 2，并返回确认 ACK 0 和 ACK 2（表示接收到的最大序列号）。
3. 发送方 收到 ACK 0 和 ACK 2 后，继续发送新的帧 4, 5, 6。
4. 如果 接收方 错误地接收到帧 1，它会请求重新发送帧 1。发送方仅重传帧 1，而不必重新发送帧 2, 3。

选择重传 ARQ 的特点

1. 发送窗口与接收窗口：

   • 发送窗口：与回退N帧 ARQ 相同，发送窗口是由发送方控制的，窗口大小为 N，发送方可以一次发送 N 个数据帧。
   • 接收窗口：与回退N帧 ARQ 不同，接收方也有一个接收窗口，允许接收方缓存顺序错乱的数据帧。

2. 独立确认：

   • 每个数据帧都会单独确认，接收方即使接收到乱序帧，也会缓存它们并发送针对这些帧的确认。
   • 发送方只需要重传丢失或错误的帧，而不是重传所有后续帧。

3. 缓存机制：

   • 接收方可以缓存那些按顺序接收的数据帧，同时缓存未按顺序接收的数据帧，等待丢失的帧到达后按顺序交付给上层。

4. 减少带宽浪费：

   • 选择重传 ARQ 通过只重传丢失或损坏的帧而不是整个窗口的帧，减少了重传的带宽开销，尤其是在丢失帧较少时。

选择重传 ARQ 的优缺点

优点：

1. 高效的带宽利用：相比回退N帧 ARQ，选择重传 ARQ 仅重传丢失或损坏的帧，减少了不必要的重传，从而提高了带宽利用率。
2. 支持乱序接收：接收方可以接收乱序帧，并在收到丢失的帧后将这些乱序帧按顺序交付给上层，提高了数据传输的灵活性。
3. 适用于高延迟和高丢包率的网络：在丢包较高或者网络延迟较大的环境中，选择重传 ARQ 可以减少因丢包导致的频繁重传，优化了传输性能。

缺点：

1. 复杂度较高：由于需要缓存乱序数据帧并进行选择性确认，选择重传 ARQ 的实现比回退N帧 ARQ 要复杂。
2. 接收方缓存开销：接收方需要有足够的缓存来存储乱序到达的数据帧。如果缓存不够，接收方可能无法正确接收数据。
3. 传输延迟增加：由于发送方与接收方需要等待更多的确认，选择重传 ARQ 可能会增加传输延迟，尤其是在高延迟网络环境中。

选择重传 ARQ 的例子

假设发送方的窗口大小为 N = 4，接收方可以乱序接收帧，且每个帧都通过独立确认：

1. 发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3。
2. 接收方 正确接收到帧 0, 2，并返回确认 ACK 0 和 ACK 2。
3. 发送方 继续发送新的帧 4, 5, 6。
4. 接收方 收到帧 1 后，确认 ACK 1。
5. 如果接收方有丢失的帧，发送方仅重传丢失的帧，避免重传所有帧。

滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）详解

滑动窗口协议是一种用于可靠数据传输的协议，广泛应用于数据链路层和传输层。它通过使用一个"窗口"来控制数据的流动，实现流量控制和保证数据的可靠性。滑动窗口协议既可以用于全双工通信，也可以用于半双工通信。其核心思想是允许发送方在未接收到确认的情况下，连续发送多个数据帧，而接收方则按顺序接收这些数据帧并发送确认。

基本概念

在滑动窗口协议中，发送方和接收方都维护一个窗口。这个窗口在数据传输过程中"滑动"，允许在发送方与接收方之间并行传输多个数据包。窗口的大小（称为窗口大小）决定了发送方可以发送多少个未确认的数据包。

滑动窗口协议的组成部分

1. 发送方窗口（Sender Window）：发送方窗口控制发送方可以同时发送多少个未确认的数据包。窗口的大小通常是由协议中的流量控制机制决定的。

2. 接收方窗口（Receiver Window）：接收方窗口控制接收方可以接收多少个数据包。它确保接收方能按照顺序接收并处理数据。

3. 序列号：每个数据包都被赋予一个唯一的序列号，用于区分不同的数据包。

4. 确认（ACK）：接收方确认已成功接收数据包，通常使用累计确认（Cumulative ACK）方式，即确认某一序列号及之前所有数据包。

5. 滑动窗口机制：随着数据包的确认，发送方和接收方的窗口向前滑动，从而使新的数据包进入窗口进行发送或接收。

滑动窗口协议的工作原理

1. 初始化阶段：

   • 发送方和接收方初始化各自的窗口。假设窗口大小为 N，那么发送方可以在没有等待确认的情况下连续发送 N 个数据包。

2. 数据传输阶段：

   • 发送方通过滑动窗口机制发送多个数据包。发送方发送的每个数据包都会带有一个序列号，发送方在发送数据时不会等待每个数据包的确认，而是可以连续发送多个数据包。
   • 接收方接收到数据包后，会根据序列号对数据包进行排序，并按顺序进行处理。
   • 接收方对每个成功接收到的数据包发送确认（ACK）。一般情况下，接收方会发送累计确认（即确认最后一个按顺序接收到的数据包），表示所有之前的数据包都已正确接收。

3. 窗口滑动：

   • 一旦发送方接收到接收方的确认，它就可以"滑动"窗口，将窗口向前移动，继续发送新的数据包。
   • 接收方接收到确认时，也会滑动其接收窗口，准备接收新的数据包。

滑动窗口的两种类型

1. Go-Back-N ARQ（回退N帧 ARQ）：

   • 在回退N帧 ARQ 协议中，发送方可以连续发送多个数据帧，但接收方必须按顺序接收。如果接收方发现丢失或损坏的数据帧，它会丢弃该帧，并要求发送方重新发送所有之后的帧。
   • 发送方窗口的大小为 N，接收方只允许按顺序接收数据帧。

2. Selective Repeat ARQ（选择重传 ARQ）：

   • 在选择重传 ARQ 协议中，发送方可以连续发送多个数据帧，接收方按顺序接收，并对每个接收到的数据帧进行单独确认。
   • 发送方仅重传丢失或损坏的数据帧，而不是所有帧。这比回退N帧 ARQ 更加高效。

滑动窗口协议的优缺点

优点：

1. 高效的数据传输：通过允许发送多个数据包而不等待确认，滑动窗口协议减少了传输延迟。
2. 流量控制：发送方和接收方可以通过调整窗口大小来控制数据流量，防止接收方因缓存溢出而丢失数据。
3. 容错能力强：尤其在选择重传 ARQ 协议中，丢失的帧仅需要重传，减少了带宽的浪费。

缺点：

1. 复杂度较高：相比于简单的停止等待协议，滑动窗口协议的实现较为复杂，尤其是在接收方需要缓存和排序帧的情况下。
2. 延迟较大：在高延迟的网络中，滑动窗口协议的效果可能受到影响，因为窗口的滑动需要依赖于数据包的确认。
3. 窗口管理：对于发送方和接收方来说，维护一个大的窗口可能会导致内存开销较大，尤其是在大量数据传输的情况下。

应用场景

1. 高带宽延迟产品（BDP）环境：滑动窗口协议尤其适合用于高带宽和高延迟的网络环境，例如卫星网络、长途光纤连接等。
2. TCP协议 ：滑动窗口协议是 TCP协议 的核心部分。TCP通过滑动窗口实现流量控制，并保证数据可靠传输。
3. 实时应用：比如视频流、音频流等实时应用，也可以采用滑动窗口机制，以保证流畅的传输。