自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的的帧。

1 停止 - 等待协议

为讨论问题方便，设发送方为 A，接收方为 B。

1.1 无差错情况

A 发送数据帧 DATA0，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA0，就向 A 发送确认帧 ACK0。
A 在超时计时器到期之前，收到数据帧 DATA0 的确认，就再发送数据帧 DATA1，然后再发送数据帧 DATA0，如此反复。

【注】对于停止 - 等待协议，由于每发送一个数据分组就停止等待，只要保证每发送一个新的数据分组，其序号与上次发送的数据分组的序号不同就可以了，因此用一个比特来编号就够了，序号有 0 和 1。对确认帧也是同样的道理。

1.2 有差错情况——数据帧出错或丢失

A 发送数据帧 DATA1，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA1，检测到出现了差错，就丢弃数据帧 DATA1；或数据帧 DATA1 在传输过程中丢失了。此时 B 不会发送任何信息。
A 的超时计时器到期后，仍未收到确认帧 ACK1，就认为刚才的数据帧丢失了。
A 进行超时重传，重新发送数据帧 DATA1，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。

1.3 有差错情况——ACK 丢失

A 发送数据帧 DATA1，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA1，发送确认帧 ACK1，但在传输途中丢失。
A 的超时计时器到期后，仍未收到确认帧 ACK1，就认为刚才的数据帧丢失了。
A 进行超时重传，重新发送数据帧 DATA1，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA1，重新发送确认帧 ACK1，并丢弃重复的数据帧 DATA1。

1.4 有差错情况——ACK 迟到

A 发送数据帧 DATA0，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA0，发送确认帧 ACK0，但在传输途中遭遇阻塞，未及时传输到 A。
A 的超时计时器到期后，仍未收到确认帧 ACK0，就认为刚才的数据帧丢失了。
A 进行超时重传，重新发送数据帧 DATA0，发完就暂停发送，启动超时计时器，等待 B 的确认。
B 收到数据帧 DATA0，重新发送确认帧 ACK0，并丢弃重复的数据帧 DATA0。
A 在超时计时器到期之前，收到这一轮的确认帧 ACK0，就再发送数据帧 DATA1。
这时 A 才收到先前的确认帧 ACK0，A 将该重复的确认帧 ACK0 丢弃。

1.5 性能分析

信道利用率：

U=TDT+RTT+TA(1)

因为确认分组长度远小于数据分组长度：TA<<TD，所以又可以化简为：

U=TDT+RTT(2)

【注】设时间 T内发送 L比特数据，数据传输率为 C，则：

信道利用率 =LCT

$信道利用率$

信道吞吐率 = 信道利用率 × 发送方的发送速率

$信道吞吐率信道利用率发送方的发送速率$

1.6 相关例题

【例 1】主机甲采用停 - 等协议向主机乙发送数据，数据传输速率是 3kbps，单向传播延时是 200ms，忽略确认帧的传输延时。当信道利用率等于 40% 时，数据帧的长度为（D）。

A. 240 比特

B. 400 比特

C. 480 比特

D. 800 比特

【解】设数据帧长度为 xb，代入数据得：

信道利用率 = 数据帧的发送时延数据帧的发送时延 + 单向传播时延 ×240%=xb3kb/sxb3kb/s+200ms×2

$信道利用率数据帧的发送时延数据帧的发送时延单向传播时延$

解得 x=800b

2 后退 N 帧协议（GBN）

发送窗口：发送方需要维护一个发送窗口 WT，在未收到接收方确认分组的情况下，发送方可将序号落入 WT内的所有数据分组连续发送出去。采用 n 个比特给分组编序号，则 WT的取值范围是 1<WT≤2n−1。

【注】若 WT>2n−1，则接收方无法分辨新旧数据分组。

接收窗口：接收方需要维护一个接收窗口 WR，只有正确到达接收方（无误码）且序号落入 WR内的数据分组才被接收方接收。WR的取值只能是 1。

为讨论问题方便，设发送方为 A，接收方为 B，假设采用 3 个比特给分组编序号，则 WT的取值范围是 2~7，这里取 WT=5。

2.1 无差错情况

初始时：

数据序号	0	1	2	3	4
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√	√
发送方 A 已发送
接收方 B 的 $W_R$	√
接收方 B 已确认

发送方 A 发送 WT内的序号 0：

数据序号	0	1	2	3	4
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√
接收方 B 的 $W_R$	√
接收方 B 已确认

接收方 B 收到序号 0，检查发现序号 0 是 WR内，于是接收，并返回 ACK0，WR向前移动一个序号。发送方 A 收到 ACK0 后，WT向前移动一个序号：

数据序号	0	1	2	3	4	5
发送方 A 的 $W_T$		√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√
接收方 B 的 $W_R$		√
接收方 B 已确认	√

接下来发送方 A 发送序号 1，跟之前一样的过程。当 A 发完前 5 个数据后的情况如下：

数据序号	0	1	2	3	4	5	6	7	0	1
发送方 A 的 $W_T$						√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$						√
接收方 B 已确认	√	√	√	√	√

当然，接收方不必对收到的每一个数据分组都发送一个确认分组，而是可以在收到几个序号连续的数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认分组，这叫累积确认。ACKn 表明序号为 n 及之前的所有数据分组都已正确接收（如 ACK4 表示序号 0~4 已正确接收）：

数据序号	0	1	2	3	4	5	6	7	0	1
发送方 A 的 $W_T$						√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$						√
接收方 B 已确认					√

2.2 超时重传、回退 N 帧

初始时：

数据序号	0	1	2	3	4
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√	√
发送方 A 已发送
接收方 B 的 $W_R$	√
接收方 B 已确认

发送方 A 发完 WT的 5 个数据，序号 0 和序号 1 没有问题，接收方 B 依次返回了 ACK0 和 ACK1，WT和 WR向前移动到相应位置。但序号 2 出现了误码，被接收方 B 丢弃，同时重复发送 ACK1（接收方必须按序接收数据分组）；之后 B 收到正确的序号 3 和 4，但因为没有落入 WR，所以都被丢弃，且 B 重复发送了两次 ACK1：

数据序号	0	1	2	3	4	5	6
发送方 A 的 $W_T$			√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$			√
接收方 B 已确认	√	√

发送方 A 针对序号 2 的重传计时器已经超时，但仍未等来 B 发来的 ACK2，因此 A 重发 WT的 5 个数据（注意与初始时所发数据不同了）。这次接收方 B 收到了正确的数据，并依次返回 ACK：

数据序号	0	1	2	3	4	5	6	7
发送方 A 的 $W_T$			√	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$								√
接收方 B 已确认	√	√	√	√	√	√	√

2.3 相关例题

【例 1】数据链路层使用后退 N 帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号 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数是（C）。

A. 2

B. 3

C. 4

D. 5

【例 2】主机甲与主机乙之间使用后退 N 帧（GBN）协议传输数据，甲的发送窗口尺寸为 1000，数据帧长为 1000 字节，信道带宽为 100Mbps，乙每收到一个数据帧就立即利用一个短帧（忽略其传输延迟）进行确认，若甲乙之间的单向传播延迟是 50ms，则甲可以达到的最大平均数据传输速率约为（C）。

【解】

最大平均数据传输速率 = 可发送的数据量数据帧的发送时延 + 单向传播时延 ×2=1000×8×10001000100×106+50×10−6×2=80Mbps

$最大平均数据传输速率可发送的数据量数据帧的发送时延单向传播时延$

3 选择重传协议（SR）

为了使发送方仅重传出现差错的数据分组，接收方不再采用累积确认，而需要对每一个正确接收的数据分组进行逐一确认。用 n(n>1)个比特给分组编号：

{1<WR≤WTWT+WR≤2n

$Missing \end{aligned}\left\{ \begin{aligned} %\nonumber 1<W_R≤W_T\\ W_T+W_R≤2^{n}\\ \end{aligned} \right.$

因此有：1<WR≤2n−1

当 WR取最大值 2n−1时，WR也取最大值 2n−1

【注】为何如此取值？

1<WR≤WT：WR超过 WT没有意义。
WT+WR≤2n：确保接收窗口向前滑动后，落入接收窗口内的新序号与之前的旧序号没有重叠，避免无法分辨新旧数据分组。

现假设采用 3 个比特给分组编序号，则序号范围是 [0,23−1]，发送窗口取最大值 WT=23−1=22，接收窗口取最大值 WR=23−1=22。

3.1 有差错情况

初始时：

数据序号	0	1	2	3
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√
发送方 A 已发送
接收方 B 的 $W_R$	√	√	√	√
接收方 B 已确认

发送方 A 发送 WT内的序号 0~3：

数据序号	0	1	2	3
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$	√	√	√	√
接收方 B 已确认

接收方 B 只收到序号 0 和序号 2，序号 1 丢失，序号 3 误码被 B 丢弃。于是 B 发送 ACK0 和 ACK2：

数据序号	0	1	2	3
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$	√	√	√	√
接收方 B 已确认	√		√

发送方 A 针对序号 1 和序号 3 的重传计时器已经超时，所以重新发送序号 1 和序号 3。接收方 B 正确接收后发送 ACK1 和 ACK3：

数据序号	0	1	2	3
发送方 A 的 $W_T$	√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$	√	√	√	√
接收方 B 已确认	√	√	√	√

发送方 A 收到 ACK 后，双方的滑动窗口向前移动，继续下一轮传输：

数据序号	0	1	2	3	4	5	6	7
发送方 A 的 $W_T$					√	√	√	√
发送方 A 已发送	√	√	√	√
接收方 B 的 $W_R$					√	√	√	√
接收方 B 已确认	√	√	√	√

3.2 相关例题

【例 1】数据链路层采用选择重传协议（SR）传输数据，发送方已发送了 0~3 号数据帧，现已收到 1 号帧的确认，而 0、2 号帧依次超时，则此时需要重传的帧数是（B）。

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

4 总结

协议	发送窗口 $W_T$	接收窗口 $W_R$
停止 - 等待协议	$1$	$1$
后退 N 帧协议	$1<W_T≤2^n-1$	$1$
选择重传协议	$1<W_R≤W_T, W_T+W_R≤2^{n}$	$1<W_R≤2^{n-1}$

YiNotes

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计网-数据链路层-流量控制与可靠传输机制