可靠数据传输原理

本文详细介绍了可靠数据传输的概念及其在不同网络条件下的实现方法。从可靠性的定义出发,逐步探讨了rdt1.0到rdt3.0的演进过程,包括差错检测、确认机制、序列号使用及定时器的引入等关键机制。

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1 可靠数据传输概述

什么是可靠?

不错、不丢、不乱

可靠数据传输协议

  • 可靠数据传输对应用层、传输层、链路层都很重要
  • 网络Top-10问题
  • 信道的不可靠特性决定了可靠数据传输协议(rdt)的复杂性

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可靠数据传输协议基本结构:接口

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可靠数据传输协议的设计

  • 渐进地设计可靠数据传输协议的发送方和接收方
  • 只考虑单向数据传输
    • 但控制信息双向流动
  • 利用状态机(Finite State Machine, FSM)刻画传输协议

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2 Rdt 1.0: 可靠信道上的可靠数据传输

  • 底层信道完全可靠
    • 不会发生错误(bit error)
    • 不会丢弃分组
  • 发送方和接收方的FSM独立

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3 Rdt 2.0: 产生位错误的信道

  • 底层信道可能翻转分组中的位(bit)
    • 利用校验和检测位错误
  • 如何从错误中恢复?
    • 确认机制(Acknowledgements, ACK): 接收方显式地告知发送方分组已正确接收
    • NAK:接收方显式地告知发送方分组有错误
    • 发送方收到NAK后,重传分组
  • 基于这种重传机制的rdt协议称为ARQ(Automatic Repeat reQuest)协议
  • Rdt 2.0中引入的新机制
    • 差错检测
    • 接收方反馈控制消息: ACK/NAK
    • 重传

Rdt 2.0: FSM规约

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4 Rdt 2.1

Rdt 2.0有什么缺陷?

  • 如果ACK/NAK消息发生错误/被破坏(corrupted)会怎么样?
    • 为ACK/NAK增加校验和,检错并纠错
    • 发送方收到被破坏ACK/NAK时不知道接收方发生了什么,添加额外的控制消息
    • 如果ACK/NAK坏掉,发送方重传
    • 不能简单的重传:产生重复分组
  • 如何解决重复分组问题?
    • 序列号(Sequence number): 发送方给每个分组增加序列号
    • 接收方丢弃重复分组

stop and wait:Sender sends one packet,then waits for receiver response。

Rdt 2.1: 发送方, 应对ACK/NAK破坏

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Rdt 2.1: 接收方, 应对ACK/NAK破坏

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5 Rdt2.2

发送方

  • 为每个分组增加了序列号
  • 两个序列号(0, 1)就够用,为什么?
  • 需校验ACK/NAK消息是否发生错误
  • 状态数量翻倍
    • 状态必须“记住”“当前”的分组序列号

接收方

  • 需判断分组是否是重复
    • 当前所处状态提供了期望收到分组的序列号
  • 注意:接收方无法知道ACK/NAK是否被发送方正确收到

Rdt 2.2: 无NAK消息协议

我们真的需要两种确认消息(ACK + NAK)吗?

  • 与rdt 2.1功能相同,但是只使用ACK
  • 如何实现?
    • 接收方通过ACK告知最后一个被正确接收的分组
    • 在ACK消息中显式地加入被确认分组的序列号
  • 发送方收到重复ACK之后,采取与收到NAK消息相同的动作
    • 重传当前分组

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6 Rdt 3.0

如果信道既可能发生错误,也可能丢失分组,怎么办?

  • ”校验和 + 序列号 + ACK + 重传”够用吗?

方法:发送方等待“合理”时间

  • 如果没收到ACK,重传
  • 如果分组或ACK只是延迟而不是丢了
    • 重传会产生重复,序列号机制能够处理
    • 接收方需在ACK中显式告知所确认的分组
    • 需要定时器

Rdt 3.0发送方FSM

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Rtd3.0示例

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Rdt 3.0性能分析

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Rdt 3.0: 停等操作

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