可靠数据传输原理-白红宇

可靠数据传输原理

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发布时间：2019-05-26

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可靠数据传输中为上层实体提供的服务抽象是：数据可以通过一条可靠的信道进行传输。借助于可靠信道，传输数据比特就不会受到损坏（由0变成1，或者相反）或丢失，而其额所有数据都是按照其发送顺序进行交付。这恰恰就是TCP向调用它的因特网应用所提供的服务模型。

构造可靠数据传输协议
- 我们现在一步步研究一系列协议，他们一个比一个更为复杂，最后得到一个无错、可靠的数据传输协议。
- 经具有特比差错信道的可靠数据传输
  - 底层信道使分组中的比特可能受损。在分组的传输、传播或缓存的过程中，这种比特差错通常会穿线在网络的物理部件中。我们先假设所有发送的分组将按其发送顺序被接收。
  - 在研发可靠通信协议之前，首先考虑一下人们会如何处理这类情况。在通常情况下，接收者在听到、理解并记下每句话后可能会说"ok"。如果报文接受者听到一句含糊不清的话时，他可能要求你重复刚才那句话。这种口述报文协议使用了肯定确认与否认确认。这些控制报文使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收，哪些内容接收有误并因此需要重复。在计算机网络环境中，基于这样重传机制的可靠数据传输协议称为自动重传请求协议。
  - 处理存在比特差错的情况
    - 差错检测。需要一种机制以使接收方检测到何时出现了比特差错。
    - 接收方反馈。在口述报文情况下回答的“肯定确认“（ACK）和”否定去人“（NAK）就是这种反馈的例子。我们的协议将从接收方向发送方回送ACK与NAK分组。理论上，这些分组只需要一个比特长；如用0表示NAK，用1表示ACK。
    - 重传。接收方收到了有差错的分组时，发送方将重传该分组。
- 发送端有两个状态。在最左边的状态中，发送端协议正等待来自上层传下来的数据。当产生rdt_send(data)事件时，发送方将产生一个包含待发送数据的分组，带有校验和，然后经由udt_send(sndpkt)操作发送该分组。在最右边的状态中，发送方协议等待来自接收方的ACK或NAK分组。如果收到一个ACK分组，则发送方知道最近发送的分组已被正确接收，因此协议返回到等待来自上层的数据的状态。如果收到一个NAK分组，该协议重传最后一个分组并等待接收方为响应重传分组而回送的ACK和NAK。注意到下列事实很重要：当发送方处于等待ACK或NAK的状态时，它不能从上层获得更多的数据；这就是说，rdt_send()事件不可能出现；仅当接收到ACK并离开该状态时才能发生这样的事件。因此，发送方将不会发送一块新数据，除非发送方确信接收方已正确接收当前分组。由于这种行为，这样的协议称为停等协议。
- 以上方式存在一个致命的缺陷，没有考虑ACK或NAK分组受损的可能性。解决这个新问题的一个简单方法（几乎所有现有的数据传输协议中，包括TCP，都采用了这种方法）是在数据分组中添加一新字段，让发送方对其数据分组编号，即将发送数据分组的序号放在该字段。于是，接收方只需要检查序号即可确认接收到的分组是否一次重传。对于停等协议这种简单情况，1比特序号就足够了，因为它可让接收方知道发送方是否正在重传前一个发送分组（接收到的分组需要与最近收到的分组序号相同），或是一个新分组（序号变化了）。因为目前我们假设信道不丢失分组，ACK和NAK分组本身不需要指明他们要确认的分组序号，发送方知道锁接收的ACK和NAK分组（无论是否是含糊不清的）是为响应其最近发送的数据分组而生成的。
- 现在假定除了特比受损外，底层信道还会丢包，这在今天的计算机网络中并不罕见。协议现在必须处理另外两个关注的问题：怎样检测丢包以及发生丢包后该做些什么。
  - 发送方需要等待多久才能确定已丢失了某些东西呢？等待一个最坏情况的时延可能意味着要等待一段很长的时间，知道启动差错恢复为止。因此实践中采取的方法是发送方明智地选择一个时间值，以判断可能发生了丢包（尽管不能确保）。如果在这个时间内没有收到ACK，则重传该分组。注意到如果一个分组经历了一个特别大的时延，发送方可能会重传该分组，即使该数据分组及其ACK都没有丢失。这就在发送方到接收方的信道中引入了冗余数据分组的可能性。前面已经通过序号来处理冗余分组情况。
  - 从发送方的观点来看，重传是一种万能灵药。发送方不知道是一个数据分组丢失，还是一个ACK丢失，或者只是改分组或ACK过度延时。在所有这些情况下，动作是同样的：重传。为了实现基于时间的重传机制，需要一个倒计时定时器，在一个给定的时间量过期后，可中断发送方。因此，发送方需要能做到：1每次发送一个分组（包括第一次分组和重传分组）时，便启动一个定时器。2响应定时器中断（采取适当的动作）3终止定时器。
- 现在我们归纳一下数据传输协议的要点。在检验和、序号、定时器、肯定和否定确定分组这些技术中，每种机制都在协议的运行中起到了必不可少的作用。