🌐流量控制 × 可靠传输 × 滑动窗口：计算机网络三大核心协议全解析（附408真题+信道利用率）
"可靠传输不是理所当然的，而是精心设计的结果。"
在计算机网络中，如何确保数据在不可靠的物理链路上可靠、高效地传输？
这个问题的答案，就藏在三个经典协议之中：停等协议（Stop-and-Wait） 、回退N帧（Go-Back-N, GBN） 和 选择重传（Selective Repeat, SR）。
它们不仅是《计算机网络》课程的核心内容，更是408统考高频考点 。今天，我们就用一篇推文，带你彻底搞懂这三大协议的原理、区别、性能对比，并附上信道利用率深度分析 + 近年408真题精讲！
一、为什么需要这些协议？
想象一下：你通过网络发送一封邮件，但中间某个路由器突然丢包了------如果没有机制来检测和恢复错误，你的邮件可能永远无法送达。
因此，网络协议必须解决两个关键问题：
-
可靠传输（Reliable Delivery）：确保数据无差错、不丢失、不重复、按序到达。
-
流量控制（Flow Control）：防止发送方"发得太快"，导致接收方缓冲区溢出。
而滑动窗口机制，正是实现这两者的通用框架。
二、三大协议逐个击破
✅ 1. 停止等待协议（Stop-and-Wait）
▶ 工作原理
-
发送方发送一个帧 → 等待 ACK → 收到 ACK 后再发下一帧。
-
若超时未收到 ACK，则重传该帧。
-
使用1位序号（0/1交替），避免"重复帧"被误认为新帧。
▶ 优点 & 缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 实现极其简单 | 信道利用率极低 |
| 无需缓存 | 高延迟链路性能灾难 |
💡 举个例子：
假设帧传输时间 1ms，RTT = 100ms。
那么每 101ms 才能成功传 1ms 的数据 → 利用率 ≈ **1%**！
✅ 2. 后退N帧协议（Go-Back-N, GBN）
▶ 工作原理
-
发送方可连续发送多个帧（最多 N 个），形成"发送窗口"。
-
接收方只按序接收 ：若第 k 帧出错，后续所有帧即使正确也全部丢弃。
-
接收方只发送累积确认（Cumulative ACK），表示"k-1 及之前都收到了"。
-
发送方一旦超时，从出错帧开始全部重传。
▶ 窗口大小限制
- 序号空间为 n 位（如3位序号 → 最多7个不同序号）
▶ 适用场景
-
误码率较低的链路（如局域网）
-
对实现复杂度敏感的系统
⚠️ 缺陷：若第1帧出错，后面99帧即使正确也要重传------带宽浪费严重！
✅ 3. 选择重传协议（Selective Repeat, SR）
▶ 工作原理
-
发送方连续发送多个帧。
-
接收方可缓存乱序到达的正确帧，并对每个帧单独发送 ACK。
-
发送方只重传未被确认的帧（即出错或超时的帧）。
▶ 窗口大小限制（关键！）
- 总窗口大小不能超过序号空间的一半，否则会因序号重用导致混淆。
🌰 举例：3位序号（0~7），则最大窗口为 4。
若 Ws=5，则可能出现"新帧序号 = 旧帧序号"的歧义！
▶ 优势
-
极大提升带宽利用率
-
在高误码率环境下表现远优于 GBN
-
是现代协议（如 TCP SACK）的思想来源
三、信道利用率深度分析
信道利用率（Channel Utilization）衡量的是有效数据传输时间占总通信时间的比例。它是评估协议效率的核心指标。
📌 基本参数定义
🔢 利用率公式推导
在一个往返时间内，最多可发送 ( W ) 个帧（W 为发送窗口大小）。
因此，最大利用率为：
注意：分母是"发送一个帧 + 等待 ACK 返回"的总时间（即管道容量周期）。
📊 三大协议利用率对比
✅ 关键结论 ：
要达到高利用率，需满足：
这个值称为带宽-时延积（Bandwidth-Delay Product），决定了"管道中能塞多少数据"。
四、408真题精讲（近年高频题）
🔹【2020年408·第35题】
某链路速率为 1 Gbps，单向传播时延 10 ms，采用 GBN，帧长 1000 字节。为使信道利用率 ≥ 80%，帧序号至少需多少位？
解题步骤：
✅ 答案：11 位
🔹【2018年408·第34题】
选择重传协议使用 3 位序号，发送窗口最大为？ A. 3 B. 4 C. 7 D. 8
解析：
✅ 答案：B. 4
❗ 易错点：很多人误选 C（7），那是 GBN 的最大窗口！
🔹【2022年408·第36题】（改编）
若某协议使用 4 位序号，接收窗口为 5，则该协议最可能是？ A. 停等 B. GBN C. SR D. 无法确定
解析：
✅ 答案：C. SR
五、总结 & 学习建议
| 协议 | 可靠性 | 效率 | 实现复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 停等 | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | 教学/极简系统 |
| GBN | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | 低误码率链路 |
| SR | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | 高性能/高误码环境 |