计算机网络5 - 指南

接上节——计算机网络4

停止等待协议

数据传输时的四种情况：

• 正常：DATA0 → ACK0 → DATA1 → ACK1
  作用：说明“发一帧、等确认、再发下一帧”的基本节拍（流量控制）。

• 数据帧出错（收到但校验错）
  处理：B 回NAK0（或沉默不回 ACK）→ A 重传 DATA0。
  体现：差错控制；错误由 NAK/无ACK + 超时触发重传。

• 数据帧丢失（B完全没收到）
  处理：A 等不到 ACK超时→ 重传 DATA0。
  体现：超时重传机制保证最终送达。

• 确认帧（ACK）丢失（B已收妥数据）
  处理：A 等不到 ACK 超时 → 重传 DATA0；
  B 用序号(0/1) 识别为重复帧，丢弃素材但再发 ACK0。
  体现：序号判重确保“不重复上交、仍可继续前进”。

event_type

• frame_arrival—— 帧到达（有效帧/ACK 到来）。

• cksum_err—— 校验错误（收到的帧损坏）。

• timeout—— 超时（未在规定时间内收到期望的 ACK）

1) Protocol 1 — Utopia（理想单工）

假设：信道无差错；接收端处理能力无限。
目的：演示最根本的“从网络层取包→封成帧→发出”的单向数据流。
机制：无 ACK、无计时器、无序号、无流量控制。
核心循环：

• Sender：from_network_layer → s.info=buffer → to_physical_layer（一直泵数据）

• Receiver：wait_for_event(frame_arrival) → from_physical_layer → to_network_layer
  意义：仅用于引入接口与数据路径；不具备工程可用性。

2) Protocol 2 — Stop-and-Wait（流量控制，信道仍“理想”）

假设：信道无差错；但接收端缓存/处理速度有限。
目的：防止发送端“淹没”接收端——流量控制。
机制：发一帧就停等接收端的“许可”（dummy/确认帧）再发下一帧；仍无差错控制。
核心循环：

• Sender：发一帧 → wait_for_event（等对端许可）

• Receiver：from_physical_layer → to_network_layer → to_physical_layer(s)（回一个允许/占位确认，唤醒发送端）
  关键词：停—等= 每次只允许1个在途帧（窗口=1），克服流量控制而非可靠性。

3) Protocol 3 — Stop-and-Wait ARQ（有噪声单工，可靠传输）

假设：信道可能丢帧/出错/ACK丢失。
目的：在不可靠信道上构建可靠、按序、恰好一次交付。
新增机制：

• 序列号（1 bit：0/1）——判重与判新；

• ACK（肯定确认）——对已收妥的帧确认；

• 计时器（timeout）——ACK没来就重传；

• 事件集：frame_arrival / cksum_err / timeout。
  核心循环：

• Sender：装帧(带 seq) → 发送 → start_timer → wait_for_event → 收到匹配 ACK 则 stop_timer & 换下一个；否则超时重发。

• Receiver：到达就校验；若 r.seq==frame_expected 则上交并切换期望号；否重复就是无论都回 ACK（ack=1-frame_expected）。
  关键词：ACK + Timer + Seq(0/1)三件套 = 可靠的停—等。

4) Protocol 4 — One-Bit Sliding Window（双工，捎带确认）

假设：有噪声；双向同时通信（两端同构）。
目的：在全双工下维持可靠传输与更高信道利用率。
新增机制：

• 仍是窗口=1（本质还是停—等），但双向；

• 捎带确认（piggybacked ACK）：把对对方上一帧的 ACK 塞进自己要发的帧头；

• 两端都维护：next_frame_to_send（发端窗口左边界）与 frame_expected（收端窗口左边界）。
  核心循环（两端对称）：

• 处理入站：若 r.seq==frame_expected → 上交并 inc(frame_expected)；若 r.ack==next_frame_to_send → 停表并 inc(next_frame_to_send)；

• 构造出站帧：s.seq=next_frame_to_send; s.ack=1-frame_expected; to_physical_layer; start_timer。
  关键词：双工 + 捎带ACK + 1bit序号；效率高于单向停—等。

滑动窗口协议

三种

one-Bit

后退N帧

在 Go-Back-N 协议 中：

• 发送方窗口大小 = N（可以连续发送 N 帧，不必等每个确认）

• 接收方只按顺序接收：

  • 如果收到了期望的帧（按顺序的），就发送 ACK；

  • 如果收到乱序帧（比如期望1却收到了2），就丢弃并重复发送上一个确认号（ACK0）。

• 当发送方超时或收到累计确认时：

  • 若帧 i 超时，则从i 开始的所有未确认帧都要重发。

✅ 累积确认机制：
若收到 ACK k，表示 0～k 的所有帧都已正确收到。

数据链路层采用后退 N 帧（GBN）协议，发送方已发送了编号为 0～7 的帧。
当计时器超时时，若发送方只收到了 0、2、3 号帧的确认，则发送方需要重发的帧是 4567

名称	类型/取值	含义/作用	出现场景
MAX_PKT	常量（如 1024）	网络层包packet.data 的最大字节数	protocol.h
MAX_SEQ	常量（=1 于 Prot.3/4）	序列号最大值（一位序号 → 取值 {0,1}）	Prot.3/4
boolean	enum {false,true}	自定义布尔类型	protocol.h
seq_nr	unsigned int	序列号/确认号的数值类型	全部协议
frame_kind	enum {data, ack, nak}	帧类别：素材/确认/否认	protocol.h
event_type	enum {frame_arrival, cksum_err, timeout}（Prot.2 为 {frame_arrival}）	wait_for_event() 可能返回的事件类型	Prot.2/3/4
packet	struct { unsigned char data[MAX_PKT]; }	网络层交付的素材单元	全部协议
frame	struct { frame_kind kind; seq_nr seq; seq_nr ack; packet info; }	链路层帧：头部(kind/seq/ack) + 负载(info)	全部协议

名称	类型/取值	含义/作用	出现场景
next_frame_to_send	seq_nr（0/1）	发送窗口左边界/ “将要发送或刚发送的帧号”。收到匹配 ACK 后自增（0↔1）	Prot.3/4
s	frame	发送缓冲帧：待发或等待确认的那一帧（用于可能的重传）	Prot.1/2/3/4
buffer	packet	当前待发的网络层包（由 from_network_layer() 取来）	全部协议（发送端）
event	event_type	wait_for_event() 返回的当前事件	全部协议
s.info	packet	装入待发数据（帧负载）	全部协议
s.seq	seq_nr	待发帧的序列号	Prot.3/4
s.ack	seq_nr	捎带确认号（Prot.4）或专用 ACK 帧的确认号（Prot.3）	Prot.3/4

名称	类型/取值	含义/作用	出现场景
frame_expected	seq_nr（0/1）	接收窗口左边界/ “期望收到的下一帧编号”；收到期望帧后自增（0↔1）	Prot.3/4
r	frame	接收缓冲帧：刚从物理层取到的帧	Prot.1/2/3/4
r.info	packet	接收帧中的数据，交给网络层	全部协议（接收端）
r.seq	seq_nr	收到帧的序列号，与 frame_expected 比较判新/重复	Prot.3/4
r.ack	seq_nr	收到帧中携带的确认号（用于发送端停止计时、推进窗口）	Prot.3/4
s.ack（接收端构造）	seq_nr = 1 - frame_expected	要回给对端的确认号（确认上一帧）	Prot.3/4（回 ACK）

名称	含义/作用	触发/配合的变量
wait_for_event(&event)	阻塞等待事件（frame_arrival / cksum_err / timeout）	event
start_timer(s.seq) / stop_timer(s.ack)	为已发送但未确认的帧启动/停止超时计时	s.seq、s.ack、next_frame_to_send
to_physical_layer(&s) / from_physical_layer(&r)	发/收 帧 的抽象接口	s、r
from_network_layer(&buffer) / to_network_layer(&r.info)	取/交 网络层包 的接口	buffer、r.info
inc(k)	序号循环自增宏：k = (k < MAX_SEQ) ? k+1 : 0	next_frame_to_send、frame_expected