《计算机网络》深入学：流量控制与可靠传输

5.1 引言

在计算机网络通信中，发送方和接收方往往存在处理能力的差异。如果发送方发送数据的速度过快，超出了接收方的处理能力，就会导致接收缓存溢出，进而造成数据丢失。此外，底层信道（如物理层和数据链路层）在本质上是不可靠的，可能会出现比特错误、丢包或乱序等问题。

为了解决上述问题，网络协议栈中引入了 流量控制（Flow Control）和可靠传输（Reliable Transmission） 机制。本章将深入探讨这两种机制的理论基础，特别是**自动重传请求（ARQ）**协议的演变：从最简单的停止-等待协议，到高效的滑动窗口机制（包括后退 N 帧协议和选择重传协议），并结合现代 TCP 协议分析其实际应用。

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5.2 基本概念界定

在深入协议细节之前，我们需要明确两个核心概念的区别与联系。

5.2.1 可靠传输

可靠传输是指发送方发送的数据，接收方能够准确无误地接收。具体要求包括：

1. 无差错：数据内容不损坏。
2. 无丢失：数据包不丢弃。
3. 无重复：接收方不处理重复包。
4. 按序到达：接收方按发送顺序将数据交付给上层。

实现可靠传输的核心技术是确认（ACK）和重传。

5.2.2 流量控制

流量控制是一种速度匹配机制。其目的是控制发送方的发送速率，使之不超过接收方的接收能力。这通常通过接收方向发送方反馈当前可用的缓存空间大小来实现。

注：虽然流量控制和拥塞控制（Congestion Control）都涉及到降低发送速率，但两者对象不同。流量控制是为了照顾"接收方"的承受能力，而拥塞控制是为了照顾"网络链路"的承受能力。

5.3 停止-等待协议（Stop-and-Wait Protocol）

这是最简单的流量控制与可靠传输协议，也是后续复杂协议的基础。

5.3.1 基本原理

停止-等待协议的核心思想是"一问一答"。

1. 发送方：发送一个数据帧后，就停止发送，启动定时器，等待接收方的确认。
2. 接收方：收到正确的数据帧后，向发送方发送确认帧（ACK）。
3. 处理丢包：如果发送方在定时器超时前未收到 ACK，则认为发送失败，重传该数据帧。

图 5-1 ：停止-等待协议的时序逻辑

5.3.2 性能分析

停止-等待协议的优点是简单，对缓存要求低。但其缺点非常明显：信道利用率极低。

假设数据帧发送时间为 TDT_{D}TD，往返时间为 RTTRTTRTT，确认帧发送时间忽略不计。则信道利用率 UUU 为：
U=TDTD+RTT U = \frac{T_{D}}{T_{D} + RTT} U=TD+RTTTD

在长距离光纤通信（高带宽、高延迟）中，RTTRTTRTT 远大于 TDT_{D}TD，导致 UUU 趋近于 0。这就像拥有一条宽阔的高速公路，但规定路上同一时间只能跑一辆车。

5.4 滑动窗口机制与流水线技术

为了提高信道利用率，必须允许发送方在收到确认之前，连续发送多个数据分组。这种技术称为流水线（Pipelining）传输。实现流水线的核心逻辑是滑动窗口（Sliding Window）机制。

5.4.1 滑动窗口的基本原理

滑动窗口在发送方和接收方各维护一个"窗口"结构，本质上是缓存中的一部分连续序列号。

• 发送窗口 (WTW_TWT)：允许已发送但未被确认，以及允许立即发送的序列号集合。
• 接收窗口 (WRW_RWR)：允许接收并暂存的序列号集合。

图 5-2：滑动窗口的工作状态

根据窗口大小的不同配置，衍生出了两种主流协议：后退 N 帧协议（GBN）和选择重传协议（SR）。

5.5 后退 N 帧协议（Go-Back-N, GBN）

GBN 是对停止-等待协议的直接改进。

5.5.1 工作原理

1. 发送方 ：维持一个大小为 NNN 的发送窗口。可以连续发送窗口内的所有分组，不需要等待 ACK。
2. 接收方 ：只维持一个大小为 1 的接收窗口 。
   • 它只能按序接收。如果收到序号 nnn，且正是期望的序号，则接收并发送 ACKnACK_nACKn。
   • 如果收到乱序分组（例如期望 3，来了 4），接收方直接丢弃 4，并重发 ACK2ACK_2ACK2（表示 2 及其之前都已收到）。
3. 累积确认 ：GBN 采用累积确认机制。如果收到 ACKnACK_nACKn，表明序号 nnn 及之前的所有分组都已正确接收。

5.5.2 异常处理（后退 N 帧的由来）

如果发送方发送了 1, 2, 3, 4, 5。假设 2 号包在链路中丢失。

• 接收方收到 1，回 ACK1ACK_1ACK1。
• 接收方收到 3，发现不是期望的 2，丢弃 3 ，重发 ACK1ACK_1ACK1。
• 接收方收到 4、5，同理，全部丢弃，重发 ACK1ACK_1ACK1。
• 发送方超时后，发现 2 未被确认，只好将 2 及其之后已发送的 3, 4, 5 全部重传。

结论：GBN 在信道质量好时效率很高，但一旦出错，会导致大量不必要的重传，浪费带宽。

5.6 选择重传协议（Selective Repeat, SR）

为了解决 GBN 在高误码率环境下效率低下的问题，选择重传协议（SR）应运而生。

5.6.1 工作原理

1. 接收窗口扩大 ：接收方不再只接收 1 个，而是维护一个大于 1 的接收窗口 WRW_RWR。
2. 逐个确认 ：接收方对每个正确接收的分组进行单独确认，不再使用累积确认。
3. 缓存乱序包 ：如果期望收 3，但来了 4。SR 接收方会收下 4 并放入缓存，发送 ACK4ACK_4ACK4，但暂不交付给上层，直到收到 3 为止。
4. 选择性重传：发送方只重传那些超时未收到 ACK 的分组，而不是重传后续所有分组。

图 5-3：SR 协议的乱序接收

5.6.2 窗口大小的限制

在 SR 协议中，窗口大小不能随意设置。若采用 nnn 比特对分组编号（序列号范围 0∼2n−10 \sim 2^n - 10∼2n−1），则发送窗口 WTW_TWT 和接收窗口 WRW_RWR 需满足：
WT+WR≤2n W_T + W_R \le 2^n WT+WR≤2n

通常取 WT=WR=2n−1W_T = W_R = 2^{n-1}WT=WR=2n−1。如果窗口过大，会导致新旧窗口的序列号重叠，接收方无法区分这是"新的第 0 号帧"还是"重传的旧的第 0 号帧"。

5.7 理论与实践的结合：现代 TCP 协议

在实际的计算机网络（如 Internet）中，传输控制协议（TCP）是上述理论的集大成者。TCP 并没有照搬标准的 GBN 或 SR，而是采用了一种混合机制。

5.7.1 TCP 的可靠传输与流量控制

1. 基于字节流的滑动窗口：TCP 的窗口不是以"包"为单位，而是以"字节"为单位。
2. 混合确认机制 ：
   • TCP 标准实现类似于 GBN，使用累积确认（ACK 告知期待的下一个字节序号）。
   • 但是，现代 TCP（RFC 2018）引入了 SACK（Selective Acknowledgment，选择确认） 选项。允许接收方在 TCP 首部中告知发送方："我收到了 1000-2000 和 3000-4000，但缺了 2000-3000"。这实际上实现了 SR 的功能，避免了不必要的重传。
3. 动态流量控制 ：
   • TCP 报文段首部有一个 Window 字段。接收方通过该字段告诉发送方："我现在接收缓存还剩多少空间（rwnd）"。
   • 发送方动态调整自己的发送窗口，确保 SendWindow≤rwndSendWindow \le rwndSendWindow≤rwnd。这就是典型的流量控制应用。

5.7.2 发展现状

随着网络速度从 Mbps 迈向 Gbps 甚至 Tbps 级别，传统的 TCP 流量控制也面临挑战：

• 长肥管道（Long Fat Network, LFN） ：在高带宽、高延迟的网络中，需要的窗口尺寸非常大（带宽时延积 Bandwidth×RTTBandwidth \times RTTBandwidth×RTT）。传统的 16 位窗口字段（最大 65535 字节）已不够用，现代系统必须启用 TCP 窗口缩放选项（Window Scaling）。
• QUIC 协议的崛起：为了解决 TCP 在传输层可能出现的队头阻塞（Head-of-Line Blocking）问题，Google 提出了 QUIC 协议（HTTP/3 的基础）。QUIC 在 UDP 之上重新实现了类似的可靠传输和流量控制机制，代表了该领域最新的发展方向。

5.8 本章小结

特性	停止-等待 (SW)	后退 N 帧 (GBN)	选择重传 (SR)
发送窗口	1	>1>1>1	>1>1>1
接收窗口	1	1	>1>1>1
确认方式	单个确认	累积确认	单个确认
接收策略	按序接收	只按序接收，丢弃乱序	缓存乱序
重传策略	重传当前帧	重传出错帧及后续所有帧	只重传出错帧
信道利用率	低	较高	最高
复杂度	低	中	高（需接收缓存）

流量控制与可靠传输是构建稳定互联网的基石。从简单的"停-等"逻辑到复杂的"滑动窗口"算法，体现了计算机网络设计中对效率 与可靠性平衡的不懈追求。理解这些底层原理，对于掌握现代 TCP/IP 协议栈及新一代网络传输协议至关重要。