3.4_5 三种协议的信道利用率分析

在这个视频中，我们要探讨三种协议的信道利用率，包括停止等待协议、后退N协议和选择重传协议。后退N帧协议和选择重传协议的信道利用率分析思路是完全一致的，所以这两种协议我们会放在一起来探讨。在这个视频中，我们也会补充几个重要的术语。这些术语可能在看书做题的时候会碰到。

由于信道利用率这个部分是考研小题的命题重点，所以在这个视频中我们也会穿插一些例题来帮助大家了解这个部分的考察风格。首先我们来看停止等待协议的信道利用率，我们知道在停止等待协议当中，发送方和接收方，发送数据的过程是这样的：首先，发送方要给接收方发送一个数据帧。接收方收到这个数据帧，并且检查无误之后会给发送方返回这个数据帧的确认帧对应的ACK。由于停止等待协议的发送窗口和接收窗口的大小都等于一，所以每一次只能发一个数据帧，返回一个确认帧，再发送下一个数据帧，再返回下一个确认帧，就是这样的一个过程。
为了方便探讨信道利用率，我们不妨假设这样的一些前提条件：现在假设发送方和接收方之间的这个信道数据传输速率是 1 kbps，数据帧的长度是 4 kb，显然发送一个数据帧就需要四秒钟的时间，一个确认帧的长度是 1 kb，所以发送一个确认帧需要耗时一秒钟，另外我们再假设信道的单向传播时延等于七秒钟。基于上面这些条件，发送方和接收方之间使用停止等待协议去传输这个数据帧的过程就是这样的：

在这个图当中，上面这条线表示的是发送方，下面这条线表示的是接收方，横轴表示时间t，并且横向的一个小格子对应的是一秒钟的时间。来看一下，首先发送方给接收方发送第一个数据帧耗时，总共需要四秒钟。所以对应横向的四个小格子，由于信道的单向传播时间是七秒钟，所以这个数据帧的最后一个比特，从被发出到被接收，总共中间经历了七秒钟。收到这个数据帧之后，假设这个数据帧没有检测出任何的差错，此时接收方就可以给发送方返回一个确认帧ACK，刚才我们说了确认帧的发送时延是一秒钟的时间，那么这个确认帧在信道上传播也需要七秒钟。因此，从确认帧的第一个比特被发出，到第一个比特被发送方接收，总共中间经过了七个小格子。再经过一秒钟的时间发送方就可以完整的收到这个ACK帧。接下来从这个时间点开始，发送方就可以发送第二个数据帧，第二组数据帧和确认帧的这个传输过程是完全一致的。所以理想情况下，之后会一直重复前边的过程。可以看到，从发出一个数据帧到收到这个数据帧的ACK，整个过程至少需要花四秒，再加上2×7，再加上最后的一秒，这是总耗时。在这一整段时间内，发送信道上只有四秒钟是有数据通过的，所以发送信道的信道利用率就应该是4除以刚才的总时间就等于 21%，这就是发送信道的利用率。我们探讨的是发送信道的利用率，也就是说，发送方和接收方之间的数据传输，我们把它看作是两条单向的信道。发送方给接收方发送数据的这条信道，叫做发送信道，而接收方给发送方返回ACK的这条信道，我们把它视为接收信道。由于我们探讨的是发送信道的信道利用率，所以我们认为发送信道上只有四秒钟的时间是有数据通过的，传输ACK的这一秒钟是接收信道上有数据通过的时间。

理解清楚这一点，接下来我们对信道利用率的这个计算进行一个小总结。我们把一个数据帧的传输时延记作 TD，把两倍的单向传播时延记作RTT，然后把一个确认帧的传输实验记作TA，那么在停止等待协议当中，理想情况下信道利用率U就应该等于数据帧的传输时延除以数据帧的传输时延加上两倍的单向传播时延，再加上确认帧的传输时延。这个地方为什么要强调是理想情况下呢，因为我们知道信道的传输有时候是不稳定的。所谓理想的情