目录
[1. 序号机制 (Sequence Numbers)](#1. 序号机制 (Sequence Numbers))
[2. 确认机制 (Acknowledgements - ACKs)](#2. 确认机制 (Acknowledgements - ACKs))
[3. 重传机制 (Retransmission)](#3. 重传机制 (Retransmission))
[4. 校验和 (Checksum)](#4. 校验和 (Checksum))
[5. 流量控制 (Flow Control)](#5. 流量控制 (Flow Control))
协议实现的核心：滑动窗口协议 (Sliding Window Protocol)
[Rdt 1.0：理想信道模型](#Rdt 1.0：理想信道模型)
[Rdt 2.0：引入差错检测与确认机制](#Rdt 2.0：引入差错检测与确认机制)
[Rdt 2.1：解决确认信号受损](#Rdt 2.1：解决确认信号受损)
[Rdt 2.2：无NAK确认协议](#Rdt 2.2：无NAK确认协议)
[Rdt 3.0：解决丢包与超时重传](#Rdt 3.0：解决丢包与超时重传)
一、PPT
二、总结
（一）可靠数据传输原理
核心目标 ：确保数据在不可靠信道（可能发生比特差错、分组丢失、乱序、重复）上完整、有序、无重复地交付给接收方。
关键机制
1. 序号机制 (Sequence Numbers)
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作用：标识每个发送的数据段。
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原理：
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发送方为每个数据段分配一个唯一的序号（通常是字节流中的偏移量或分组编号）。
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接收方利用序号：
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检测丢失分组：发现序号间隙。
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检测重复分组：收到相同序号的分组。
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按序重组：将乱序到达的分组按序号排序后交付上层。
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序号空间：序号需足够大（模运算处理回绕），常见32位（TCP）。
2. 确认机制 (Acknowledgements - ACKs)
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作用：接收方通知发送方已成功接收数据。
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原理：
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累积确认 (Cumulative ACK)：
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接收方发送
ACK n，表示已正确接收序号n之前（包括n）的所有数据。 -
优点：简单，ACK丢失容忍度较高（后续ACK能确认前面的数据）。
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缺点：不能精确告知哪些分组丢失（只能知道n+1丢失）。
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选择确认 (Selective ACK - SACK)：
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接收方显式告知已正确接收的非连续数据块范围。
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优点：更高效地指明丢失分组，减少不必要的重传。
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缺点：实现更复杂，需要额外选项字段（TCP SACK）。
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否定确认 (Negative ACK - NAK)：
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接收方显式通知发送方某个特定分组丢失或损坏（较少使用）。
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优点：快速通知丢失。
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缺点：需要额外机制处理NAK丢失。
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3. 重传机制 (Retransmission)
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作用：在检测到数据丢失或损坏时重新发送数据。
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触发条件：
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超时重传 (Timeout-based)：
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发送方为每个已发送但未确认的分组启动一个重传定时器 (Retransmission Timer)。
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如果在超时时间间隔 (Timeout Interval) 内未收到该分组的ACK，则重传该分组。
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快速重传 (Fast Retransmit)：
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发送方收到3个重复ACK (Duplicate ACKs) 时，认为该重复ACK指示的分组已丢失（即使超时未到），立即重传该分组。
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显著减少因等待超时而导致的延迟。
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超时时间计算：
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基于对往返时间 (Round-Trip Time - RTT) 的估计。
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常用算法：
EstimatedRTT = (1-α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT(α 常取 0.125)。 -
DevRTT估计RTT的偏差。 -
TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT(TCP推荐公式)。 -
关键点：动态适应网络变化，避免过早或过晚重传。
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4. 校验和 (Checksum)
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作用：检测传输过程中数据（头部+载荷）是否发生比特差错。
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原理：
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发送方：计算待发送数据的校验和，放入分组头部。
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接收方：对接收到的数据（包括校验和字段）重新计算校验和。
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如果接收方计算的校验和与头部携带的校验和不匹配（通常为0），则认为数据出错。
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处理 ：丢弃出错分组（隐式通知丢失），等待重传。校验和本身无法纠正错误。
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5. 流量控制 (Flow Control)
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作用 ：防止发送方发送速率过快 导致接收方缓冲区溢出。
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原理 (TCP滑动窗口)：
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接收方在ACK中通告其接收窗口大小 (Receive Window Size - rwnd)，表示当前可用缓冲区空间。
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发送方维护一个发送窗口 (Send Window) ，其大小不超过
min(拥塞窗口cwnd, 接收窗口rwnd)。 -
发送方只能发送落在发送窗口内的数据。
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接收方处理数据并释放缓冲区后，通过后续ACK更新
rwnd，允许发送方发送更多数据。
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关键点：匹配发送速率与接收方的处理能力。
协议实现的核心：滑动窗口协议 (Sliding Window Protocol)
结合了序号、确认、重传和流量控制机制，允许多个分组在信道上"在途飞行"。
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发送窗口 (Send Window)：
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包含已发送但未确认的分组 (
Sent but not ACKed) 和可以立即发送的分组 (Can Send Now)。 -
随着收到ACK向前"滑动"。
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接收窗口 (Receive Window)：
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包含期望接收的下一个序号 (
Next Expected Seq#) 及之后可以按序接收的序号范围。 -
随着按序交付数据向前"滑动"。
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两种主要变体
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回退N步 (Go-Back-N - GBN)：
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接收方只接受按序到达的分组，丢弃所有乱序分组。
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发送方收到ACK
n表示n及之前所有分组都已被确认。 -
超时或收到NAK时，重传所有 已发送但未确认的分组（从序号
n+1开始）。 -
优点 ：接收方实现简单（只需维护
expectedseqnum）。 -
缺点：效率低，一个分组丢失可能导致大量正确分组被重传。
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选择重传 (Selective Repeat - SR)：
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接收方缓存所有正确接收但乱序的分组。
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发送方为每个分组维护独立的定时器。
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超时或收到NAK/SACK时，只重传特定丢失的分组。
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优点：效率高，只重传丢失分组。
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缺点：发送方和接收方实现更复杂（需要更大的缓冲区管理乱序分组和独立的定时器管理）。
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| 特性 | Go-Back-N (GBN) | Selective Repeat (SR) |
|---|---|---|
| 接收处理 | 只收按序，丢弃乱序 | 缓存所有正确接收的分组 (乱序也存) |
| 确认机制 | 累积确认 | 选择确认 (SACK/NAK) |
| 重传触发 | 超时或重复ACK触发重传 所有 未确认分组 | 超时或SACK/NAK触发重传 单个 丢失分组 |
| 发送窗口 | 需要管理 | 需要管理 (更复杂) |
| 接收窗口 | 大小为1 | 大于1 |
| 效率 | 较低 (一个丢包引发大量重传) | 较高 (只重传丢失包) |
| 复杂度 | 较低 | 较高 |
（二）可靠数据传输协议（Rdt）演进详解
核心目标
在不可靠信道 上实现无差错、无丢失、无重复、按序交付的数据传输。
Rdt 1.0：理想信道模型
假设条件
- 底层信道完全可靠（无比特差错、无丢包）
工作机制
- 发送方
- 将应用层数据打包成分组（Packet）直接发送。
- 接收方
- 直接解包数据交付给应用层。
缺陷
- 不切实际：真实网络存在比特差错和丢包。
Rdt 2.0：引入差错检测与确认机制
解决核心问题
- 比特级差错（如传输中比特翻转）
关键技术
- 校验和（Checksum）
- 检测分组内比特错误。
- 确认与重传
- ACK：接收方显式确认正确接收。
- NAK：接收方显式报告错误，触发发送方重传。
- 停等协议（Stop-and-Wait）
- 发送方每发送一个分组后等待ACK/NAK。
有限状态机（FSM）
缺陷
- ACK/NAK受损问题：确认信号本身可能出错，导致发送方无法判断接收方状态。
Rdt 2.1：解决确认信号受损
核心改进
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添加序列号（Sequence Number）
- 使用 1-bit 序号（0 或 1）标识分组。
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冗余ACK处理
- 接收方检测到重复分组时，重发上一次的ACK（非NAK）。
关键行为
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发送方：
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收到受损ACK/NAK → 重传当前分组。
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收到重复ACK → 忽略（已确认接收方正确接收）。
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-
接收方：
- 收到重复分组 → 丢弃并重发ACK（避免重复交付）。
优势
- 明确区分新分组 vs 重传分组。
Rdt 2.2：无NAK确认协议
核心改进
- 完全取消NAK，仅使用ACK + 序号确认。
接收方行为
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收到正确分组时：
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发送 ACK + 期望的下一序号（隐式确认当前分组）。
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例：发送
ACK0表示成功接收seq=1（期望下一分组seq=0）。
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收到错误/非期望分组时：
- 发送 ACK + 最后一次正确接收的序号（触发发送方重传）。
优势
- 简化协议设计，统一反馈机制。
Rdt 3.0：解决丢包与超时重传
解决核心问题
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分组丢失（发送方/接收方均可能丢失分组）
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ACK丢失
关键技术
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倒计时定时器（Countdown Timer）
- 发送方每发一个分组即启动定时器。
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超时重传（Timeout Retransmission）
- 定时器到期未收到ACK → 重传分组。
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序号机制扩展
- 仍使用1-bit序号，但需处理延迟ACK和重复分组。
有限状态机（FSM）关键流程
性能问题
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信道利用率低：
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链路传播延迟（RTT）期间信道空闲（停等机制限制）。
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公式：
Utilization = (L/R) / (RTT + L/R)（
L=分组大小,R=带宽,RTT=往返时延）
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协议演进总结对比
| 版本 | 解决的核心问题 | 关键技术 | 主要缺陷 |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 无（理想信道） | 直接发送 | 不适用于真实网络 |
| 2.0 | 比特差错 | 校验和、ACK/NAK、停等协议 | ACK/NAK受损问题 |
| 2.1 | ACK/NAK受损 | 1-bit序号、冗余ACK处理 | 仍依赖NAK |
| 2.2 | 取消NAK | ACK携带期望序号（隐式确认） | 未解决丢包问题 |
| 3.0 | 分组丢失 & ACK丢失 | 超时重传、定时器机制 | 信道利用率低（停等瓶颈） |
后续演进方向
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流水线协议（Pipelining）：
- 允许连续发送多个分组（滑动窗口：GBN、SR协议）。
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动态调整窗口：
- TCP拥塞控制（AIMD、慢启动、快速重传等）。
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选择重传（SR）：
- 仅重传丢失分组，提升效率。