传输层之可靠数据传输

传输层作用

        利用端口号，将网络层主机和主机之间的逻辑通信映射成主机中进程和进程之间的逻辑通信。

可靠数据传输

        传输数据比特不会受到损坏（由0变1，或者由1变0）或丢失，而且所有数据都是按照其发送顺序进行交付。下面使用有限状态机（Finite-State-Machine，FSM）来描述可靠数据传输的演变过程（引起变迁的事件显示在表示变迁的横线上方，事件发生时所采取的动作显示在横线下方）。

        1.0版本：使用完全可靠信道的可靠数据传输             

发送端FSM1.0

接收端FSM1.0

        使用的传输信道可靠，保证了数据的传输可靠，发送端只管发送，接收端只管接收。

        2.0版本：使用具有比特差错信道的可靠数据传输（前提条件：不丢包，ACK和NAK分组不会受损）

发送端FSM2.0

接收端FSM2.0

        为了解决数据分组受损问题，2.0版本引入了差错检测、接收方反馈和重传技术，但是没有考虑到ACK和NAK分组也可能受损问题。当发送端处于等待ACK或者NAK状态时，不能接受上层发送数据的请求，所以这样的协议被成为停等（stop-and-wait）协议。

        2.1版本：使用具有比特差错信道的可靠数据传输（前提条件：不丢包）

发送端FSM2.1

接收端FSM2.1

        为了解决ACK和NAK分组受损问题，2.1版本引入了序号，以便接收端能够区分收到的分组是新的分组还是由于ACK或者NAK受损而重传的分组。

        2.2版本：使用具有比特差错信道的可靠数据传输（前提条件：不丢包

发送端FSM2.2

接收端FSM2.2

        2.2版本与2.1版本的差异是，使用冗余ACK替代了NAK。

        3.0版本：使用具有比特差错信道的丢包信道的可靠数据传输

发送端FSM3.0

接收端FSM3.0

        3.0版本在发送端使用定时器解决了信道丢包的问题，在接收端没有什么变化。

流水线可靠数据传输

        3.0版本的可靠数据传输协议是一个功能正确的协议，但是性能不是很好，信道利用率很低，主要原因是它是一个停顿协议，大部分时间都花在等待上一个包的ACK上，所以引入流水线可靠数据传输协议。

停等操作

流水线操作

        使用流水线技术需要有两个前提条件：

        1、必须增加需要范围。

        2、发送方和接收方需要缓存多个分组。

Go Back N（GBN）协议

        GBN协议（也叫滑动窗口协议）允许发送方发送多个分组，而不需要等待确认，当它也受限于在流水线中未确认的分组数不能超过某个最大允许数N。在GBN中，发送方分组序号划分如下图所示：

在GBN中发送方分组序号划分

        基序号（base）：最早的未确认分组的序号。

        下一个序号（nextseqnum）：下一个待发分组的序号。

        窗口长度（N）：流水线中最多允许的未确认分组数目。

        根据以上定义，发送方的分组序号可以分为4个部分：

        [0，base - 1]：已经被确认的分组序号。

        [base，nextseqnum - 1]：已发送但还未被确认的分组序号。

        [nextseqnum，base + N - 1]：可以使用的分组序号（如果有分组需要发送的话）。

        大于等于base + N：不可使用的分组序号。

GBN协议中发送端FSM

GBN协议中接收端FSM

        在GBN协议中，发送端需要维护分组缓存、窗口上下边界以及nextseqnum在窗口中的位置，而接收端只需要维护下一个按序接收的分组序号即可，该值保存在expectedSeqnum中。

选择重传（SR）协议

        在GBN协议中，单个分组的差错会引起大量分组的重传，而许多分组根本就没有必要重传。而选择重传（SR）协议通过让发送方仅重传那些它怀疑在接收方出错（受损或者丢失）的分组，避免了不必要的重传，这要求发送端和接收端都有缓存未确认分组的能力。

SR协议中收发两端分组序号状态

SR协议中发送端FSM

SR协议中接收端FSM

        在SR协议中，发送端和接收端的窗口并不总算是一致，窗口长度必须小于或等于序号空间大小的一半，不然没有接收端没有办法区分接收的分组是新的分组还是发送端重传的旧分组。