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真题练习

选择题和解答题都经常考查 ARQ 协议，三个重点不能忽略：1. 三种 ARQ 协议的 实现原理。 2. 窗口大小的限制。3. 信道利用率 的计算方法。

这一节都是理解性内容，需要理清背后的原理。

ARQ 协议

ARQ 协议是一类 可靠数据传输协议，用于在 不可靠的信道（比如可能出错或丢包的网络链路）上实现 可靠通信。

ARQ 协议的 核心思想 是：

发送方在发送数据后，必须等待接收方的确认（ACK）。
如果在规定时间内没有收到确认，就认为数据丢失或出错，需要重传。

ARQ 协议主要包括三种形式：停等（Stop‑and‑Wait）、回退 N 帧（Go‑Back‑N）以及 选择性重传（Selective Repeat）。其中，回退 N 帧和选择性重传统称为 连续 ARQ 协议。

注意

ARQ 在哪一层使用

考研模型里默认：

链路层：可能用 ARQ（作为差错控制手段之一），适用于误码率较高的链路
- 以太网不使用
- 无线链路、卫星通信会用
传输层：一定用 ARQ（TCP）

但要记住一句本质话：

ARQ 不是某一层专属，而是一种“机制”，可以出现在不同层。

如果 TCP 是保证可靠传输，那么链路层为什么还需要使用 ARQ？

如果链路层不大可靠的话，链路层 ARQ 可以在底层迅速修补了大多数偶发的比特错误，让上面的 TCP 以为链路几乎从不丢包，从而避免了频繁进入“拥塞控制”状态，大幅提升了吞吐量。

停等协议

停等（Stop‑and‑Wait）是一种最基本的 自动重传请求（ARQ）协议。其核心思想是：发送方在发送完每一个数据帧后立即停止发送，并等待接收方的确认（ACK）。只有在收到确认后，发送方才会继续发送下一个帧。由于任意时刻网络中只会有一个帧在传输，所以该协议也被称为“停等”。

sequenceDiagram
    participant S as 发送方(Sender)
    participant R as 接收方(Receiver)

    S->>R: 发送数据帧 Frame[0]
    Note over S: 启动计时器

    R--xS: ACK[0] 丢失
    Note over S: 计时器超时，未收到 ACK

    S->>R: 重传数据帧 Frame[0]
    Note over S: 重新启动计时器

    R-->>S: 发送确认帧 ACK[0]
    Note over S: 收到 ACK[0]，停止计时器

    S->>R: 发送数据帧 Frame[1]
    Note over S: 启动计时器

    R-->>S: 发送确认帧 ACK[1]
    Note over S: 收到 ACK[1]，停止计时器

停等协议的 工作过程 如下：

发送数据
- 发送方将一个数据帧发送给接收方。
- 同时启动 计时器，用于监控该帧的确认是否在规定时间内到达。
等待确认
- 在计时器超时之前，发送方保持在“等待”状态。
- 此期间若收到 确认帧（ACK），则说明该帧已成功到达并被正确接收。
确认的接收
- 接收方收到数据帧后，首先检验其完整性（如校验和、序号等）。
- 若数据帧无误，接收方立即发送 确认帧（ACK）回给发送方；若检测到错误，则不发送 ACK，导致发送方超时后重传。
计时器到期
- 若计时器在收到确认之前到期，发送方认为该帧或其确认已丢失。
- 发送方随后 重新发送 同一数据帧，并重新启动计时器，重复上述过程直至收到有效的确认。

通过上述四个步骤，停等协议实现了可靠的点对点数据传输，尽管其效率受限于 “每次只能发送一个帧” 的特性。

回退 N 帧

在 回退 N 帧（GBN，Go‑Back‑N）协议中，发送窗口 指的是发送方在未收到确认的情况下，最多可以连续发送的数据帧数量。它像一个滑动窗口，控制着数据的发送节奏。

发送方可以在等待确认的过程中，连续发送多个帧，但总数不能超出发送窗口的大小。当窗口被填满时，发送方必须停下来等待确认，收到确认后窗口才能向后滑动，从而腾出空间发送新的帧。

补充

回退 N 帧的语义如何理解？

当发送方检测到某个数据帧超时（或收到重复的 ACK / NAK）时，它不会只重传那一帧，而是“回退”到该丢失帧的序号，并重新发送从该序号开始的所有后续帧 —— 即使这些帧之前已经发送过。

sequenceDiagram
    participant S as 发送方 (Sender)
    participant R as 接收方 (Receiver)

    Note over S,R: 窗口大小 W = 4，序号空间 0-3

    S->>R: Frame[0]
    R->>S: ACK0 (确认帧0)
    
    S->>R: Frame[1] (丢失)
    S->>R: Frame[2]
    R->>S: ACK0 (仍期望帧1，丢弃帧2)
    
    S->>R: Frame[3]
    R->>S: ACK0 (丢弃帧3，仍期望帧1)

    Note over S: 定时器超时，回退到Frame[1]

    S->>R: Frame[1] (重传)
    R->>S: ACK1 (确认帧1)
    
    S->>R: Frame[2] (重传)
    R->>S: ACK2 (确认帧2)
    
    S->>R: Frame[3] (重传)
    R->>S: ACK3 (确认帧3)

    Note over S,R: 全部确认完毕，窗口前移

回退 N 帧的 核心要点 如下：

窗口大小
- 若帧序号使用 $n$ 位二进制，则序号空间大小为 $2^{n}$ 。
- 为保证不产生歧义，GBN 的发送窗口大小 $W$ 必须满足 $W \leq 2^{n} - 1$ ，因此 最大窗口大小 为 $2^{n} - 1$ 。
- 接收窗口的大小固定为 1，即接收方只能一次接受并确认期望的序号。
发送过程
- 只要发送窗口未满，发送方就可以把窗口内的帧依次发送出去。
- 对于 最早发送且尚未被确认的帧（即窗口中的第一个未确认帧），发送方启动 单一的超时计时器。
- 其余已发送但尚未确认的帧不再单独维护计时器，而是共享这一个计时器。
接收过程
- 接收方维护一个 期望序号（expected sequence number）。
- 当收到的帧序号等于期望序号时，接收方接受该帧并发送 累计确认 ACK（确认该帧及其之前的所有帧）。随后期望序号加 1。
- 若收到的帧序号不是期望序号（说明前面的某帧丢失），接收方直接 丢弃该帧，并 重新发送最近一次正确接收的帧的 ACK。由于接收窗口为 1，后续已到达但序号不连续的帧都会被丢弃。
超时与重传
- 当 超时计时器 触发时，发送方认为窗口中最早的未确认帧已丢失。按照 GBN 的工作原理，发送方会 从该帧开始，把窗口内的所有帧全部 重新发送。
- 这样做的原因是：即使后面的帧已经到达接收方，由于接收窗口仅能接受连续的序号，这些帧会在接收方被丢弃，只有最早丢失的帧被重新发送后，后续帧才能被顺利接收。

通过 GBN、SR 交互演示可以直观地了解 Go‑Back‑N 与 Selective Repeat 的工作流程，加深对上述概念的理解。

选择性重传

选择性重传（SR，Selective Repeat）是一种 自动重传请求（ARQ）协议，专门用于克服回退 N 帧（Go‑Back‑N）在高误码率环境下的效率低下。与 Go‑Back‑N 不同，SR 只重传那些真正丢失或出错的帧，而不必重新发送随后所有的帧，从而在误码率较高的链路上表现得更为高效。

sequenceDiagram
    participant S as 发送方 (Sender)
    participant R as 接收方 (Receiver)

    Note over S,R: 窗口大小 W = 4，序号空间 0-7

    S->>R: Frame[0]
    R->>S: ACK0 (确认帧0，交付上层)

    S->>R: Frame[1] (丢失)
    S->>R: Frame[2]
    R->>S: ACK2 (缓存帧2，等待帧1)

    S->>R: Frame[3]
    R->>S: ACK3 (缓存帧3，等待帧1)

    Note over R: 已缓存 {2,3}，但因缺少1不能交付

    Note over S: 定时器1超时，仅重传帧1

    S->>R: Frame[1] (重传)
    R->>S: ACK1 (确认帧1，立即交付 {1,2,3})

    Note over R: 交付顺序为 1,2,3，接收窗口滑动

    Note over S,R: 窗口继续前移，可发送后续帧4,5...

选择性重传的 核心要点 如下：

窗口大小
- 在 SR 中，发送窗口和接收窗口的大小保持一致。
- 若帧序号采用 $n$ 位二进制表示，则窗口的最大取值为 $2^{n - 1}$ （即序号空间的半数），以避免发送方和接收方窗口的重叠产生歧义。
发送过程
- 发送方在其发送窗口范围内连续发帧。
- 每发送一帧，就为该帧启动一个 计时器；计时器独立于其他帧，超时后仅针对该帧进行重传。
接收过程
- 接收方接受所有落在接收窗口中的帧，即使这些帧顺序错乱。
- 对于每一正确收到的帧，接收方立即发送确认（ACK）。
- 乱序到达的帧会被缓存，待窗口前面的缺失帧补齐后，按正确顺序交付给上层。
超时与重传
- 当某帧的计时器到期，发送方只重传该帧，而不是窗口内的全部帧。这一点是 SR 与 GBN 的根本区别，也是 SR 在高误码率下保持高吞吐量的关键。
滑动窗口机制
- 发送方：收到帧的确认后，窗口左边界向前移动，释放已确认的帧槽位，随后可以发送新的帧。
- 接收方：当缓存的帧已能够连续组成一个完整序列并交付给上层后，接收窗口也向前滑动，腾出空间接收后续帧。
冲突确认的处理
- 由于网络延迟，发送方可能在重传帧后才收到该帧的早期确认。
- 为避免误判，SR 协议必须具备 识别并丢弃重复确认（duplicate ACK）的机制，只对最新、有效的确认作出响应。

协议对比

几种 ARQ 协议的主要区别是通过发送和接收窗口体现的：

发送窗口

定义：发送方在未收到对方确认（ACK）的情况下，允许连续发送的最大帧数量（或数据单元数量）。
作用：控制发送方的数据发送速率，避免因发送过快导致网络拥塞或接收方处理不过来。

接收窗口

定义：接收方允许接收并缓存（或直接交付）的帧的最大数量，通常决定了接收方可以接受乱序或非连续帧的能力。
作用：明确接收方能够处理的数据范围（包括按序和乱序数据），超出窗口的数据会被丢弃。

补充

发送窗口：决定发送方能“同时发多少”。
接收窗口：决定接收方能“同时收多少”以及“是否支持乱序接受”。

三个 ARQ 协议的具体区别如下：

特性	停等协议	GBN（Go‑Back‑N）协议	SR（Selective‑Repeat）协议
发送方窗口大小（序号位数为 n）	1（一次只能发送一帧）	最多 $2^{n} - 1$ （可并发发送多帧）	最多 $2^{n - 1}$ （可并发发送多帧）
接收方窗口大小（序号位数为 n）	1（只接受一帧）	1（只能接受按序的下一帧）	与发送方窗口大小相同（可接受乱序帧）
超时重传单位	单个数据帧即整个发送窗口	整个发送窗口	单个数据帧
发送方效率	低——每发送一帧必须等待确认	高——在确认到达前可连续发送多帧	高——仅对出错帧进行重传，其他帧不受影响
接收方效率	高——无需缓存，按序直接交付	低——必须按照顺序接收	高——可以缓存并按序交付已收到的乱序帧
错误处理方式	只重传丢失的那一帧	从第一个出错帧起，全部帧都要重传	只重传出错或乱序的那一帧（或若干孤立的帧）
带宽利用率	低——大量空闲时间	高——大多数时间都在利用链路带宽	高——仅在必要时占用带宽进行重传

窗口大小限制

在说明窗口大小限制之前，必须先区分三种不同的“编号”概念：

绝对编号：指帧在整个逻辑发送流中的真实顺序编号。该编号会随着发送不断递增：
$0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, \dots$
绝对编号本身通常认为是无限增长的，仅用于逻辑分析。
序列号（循环编号）：协议首部中的编号字段长度有限。若序列号字段使用 $n$ 位，则序列号范围为：
$0 \sim 2^{n} - 1$
超过后重新从 0 开始循环。
例如当 (n=3) 时：
$0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, \dots$

窗口内编号：是序列号范围的一个子集

补充

协议真正传输的是 序列号（循环编号）。

发送窗口与接收窗口本质上是在“循环序列号空间”上滑动。这可以与 TCP 中的绝对下标和序列号进行类比。

假设协议中的序列号字段使用 $n$ 位，则序列号空间大小为：

2^{n}

发送窗口大小（ $W_{s}$ ）与接收窗口大小（ $W_{r}$ ）必须满足：

W_{s} + W_{r} \leq 2^{n}

为什么有这个限制？

根本原因是防止 序列号回绕（wrap around）带来的歧义。

当发送窗口和接收窗口的大小之和超过 $2^{n}$ 时，可能出现以下情况：

一个新帧使用了与之前某个仍在网络中滞留的旧帧相同的序列号；
接收方无法区分该帧是“新的合法帧”还是“旧的延迟到达帧”。

通过保证：

W_{s} + W_{r} \leq 2^{n}

可以确保在任何时刻，发送窗口与接收窗口不会在序列号空间中发生重叠，从而避免不同绝对编号的帧使用同一序列号时产生歧义。

信道利用率

在 ARQ 协议中，信道利用率（也叫做链路利用率）是指信道用于传输有效数据的效率，通常定义为 成功传输数据的时间占总传输时间的比例。它反映了协议在给定信道条件下的性能，是评估 ARQ 协议效率的重要指标。

信道利用率 $U$ 可以表示为

U = \frac{T _{d a t a}}{T _{t o t a l}}

其中：

$T_{d a t a}$ ：成功传输有效数据的时间。
$T_{t o t a l}$ ：总时间，包含数据传输、确认、重传以及等待。

计算方法

对于 ARQ 协议，假设信号传播时间为 $T_{p}$ ，一个数据帧的传输时间为 $T_{d}$ ，一个确认帧的传输时间为 $T_{a}$ ，发送窗口的最大值为 $N$ ，信号往返时间 $RTT = 2 \cdot T_{p}$ 。

在此情况下，信道利用率 $U$ = 发送数据的时间 / 从发送第一个帧的时间到收到第一个确认帧的时间：

U = \frac{N \cdot T _{d}}{RTT + T _{d} + T _{a}}

停等协议

对于停等协议，信道利用率为

U = \frac{T _{d}}{RTT + T _{d} + T _{a}}

连续 ARQ 协议

对于使用了滑动窗口的协议（比如回退 N 帧和选择性重传），一次性可以传输 $N$ 个数据帧，信道利用率为

U = \frac{N \cdot T _{d}}{RTT + T _{d} + T _{a}}

注意有些时候确认帧比较小，在这种情况下确认帧传输时间 $T_{a}$ 可以忽略。

此外， $U \leq 1$ ，所以当 $N \cdot T_{d} > RTT + T_{d} + T_{a}$ 时，信道利用率 $U = 1$ 。