【计算机网络】数据链路层 : 停止-等待协议 ( 无差错情况 | 有差错情况 | 帧丢失 | 帧出错 | ACK 确认帧丢失 | ACK 确认帧延迟 | 信道利用率公式 | 信道利用率计算 )★

一、 停止-等待 协议 简介

停止-等待 协议 解决的问题 :

• 可靠传输 : 解决 由于 物理线路 , 设备故障 , 路由错误 等各种问题导致的 丢包问题 ;
• 流量控制 : 实现 发送端 与 接收端 的 流量控制 ;

停止-等待 协议 讨论场景 : 只考虑 一方为发送方 , 一方为接收方 ; 相当于 单工通信场景 ;

停止-等待 协议内容 : 发送方 每 发送完一个 数据帧 ( 分组 / 数据报 ) , 就停止发送 , 等待接收端确认 , 接收到 接收端 确认信息后 , 再发送下一个分组数据 ;

停止-等待 协议 应用场景 :

• 无差错情况
• 有差错情况

二、 “停止-等待协议” 无差错情况

"停止-等待协议" 无差错情况 :

发送方 0 : 发送 0 0 0 帧 ;

接收方 0 : 接收 0 0 0 帧 , 并返回 0 0 0 帧 确认信息 ACK 0 0 0 ;

发送方 1 : 收到 ACK 0 0 0 确认帧后 , 发送 1 1 1 帧 ;

接收方 1 : 接收 1 1 1 帧 , 并返回 1 1 1 帧 确认信息 ACK 1 1 1 ;

发送方 0 : 收到 ACK 1 1 1 确认帧后 , 发送 0 0 0 帧 ; 注意此处的 0 0 0 帧 与 上面的 只是序号相同 , 数据不同 ;

接收方 0 : 接收 0 0 0 帧 , 并返回 0 0 0 帧 确认信息 ACK 0 0 0 ;

发送方 每发送一个数据帧 , 就停止等待 , 数据帧编号 使用 1 1 1 bit 编号就足够了 ;

上述过程是理想传输的情况 , 发送 与 接收 都没有差错产生 , 没有丢包 ;

三、 “停止-等待协议” 有差错情况 ( 帧丢失、帧出错 )

差错的情况 :

• 数据帧 丢失
• 检测到 帧 错误

"停止-等待协议" 有差错情况 :

发送方 0 : 发送 0 0 0 帧 ;

接收方 0 : 接收 0 0 0 帧 , 并返回 0 0 0 帧 确认信息 ACK 0 0 0 ;

发送方 1 : 收到 ACK 0 0 0 确认帧后 , 发送 1 1 1 帧 ;

帧丢失 : 发送过程中 , 链路出现故障 , 1 1 1 帧 丢失 , 接收方没有收到 1 1 1 帧 , 自然不会 向发送方 发送帧确认信息 ;

帧出错 : 接收方没有收到 1 1 1 帧 , 但是校验后 , 该帧是错误帧 , 也不会 向发送方 发送帧确认信息 ;

发送方 1 : 超时计时器 在每次发送时 , 都会启动自动计时 , 当超时后 , 发送方会重新发送 1 1 1 帧 ;

接收方 1 : 接收 1 1 1 帧 , 并返回 1 1 1 帧 确认信息 ACK 1 1 1 ;

超时重传机制:

① 超时计时器 : 发送方 每次 发送 数据帧 后 , 就会自动开始计时 ;

② 超时时间 : 超时重发的重传时间 , 比 帧传出的 平均 往返延迟 ( RTT ) 长 ;

③ 保留副本 : 发送方 发送完 数据帧后 , 必须 保留副本 , 以免丢包需要重传 ;

④ 帧编号 : 数据帧 与 确认帧 必须编号 ;

四、 “停止-等待协议” 有差错情况 ( ACK 确认帧丢失)

"停止-等待协议" 有差错情况 :

发送方 0 : 发送 0 0 0 帧 ;

接收方 0 : 接收 0 0 0 帧 , 并返回 0 0 0 帧 确认信息 ACK 0 0 0 ;

发送方 1 : 收到 ACK 0 0 0 确认帧后 , 发送 1 1 1 帧 ;

接收方 1 : 接收 1 1 1 帧 , 并返回 1 1 1 帧 确认信息 ACK 1 1 1 ;

ACK 确认帧丢失 : 上述发出的 ACK 1 1 1 确认帧 丢失 , 发送方没有接收 确认帧 ;

ACK 确认帧延迟 : 上述发出的 ACK 1 1 1 确认帧 出现很大的延迟 , 发送方没有接收 确认帧 ;

发送方 1 : 超时计时器 在每次发送时 , 都会启动自动计时 , 当超时后 , 发送方会重新发送 1 1 1 帧 ;

接收方 1 : 接收 1 1 1 帧 , 丢弃掉重复的 1 1 1 帧 , 并返回 1 1 1 帧 确认信息 ACK 1 1 1 ;

如果发送方 在 某个时刻 接收到 迟到的 ACK 确认帧 , 发现该数据帧是之前已经处理过的数据帧 , 直接丢弃该 ACK 确认帧即可 ;

五、 “停止-等待协议” 性能分析

"停止-等待协议" 性能分析 :

优点 : 简单

缺点 : 信道利用率 低 ;

信道利用率 :

U = T D T D + R T T + T A U = \cfrac{T_D}{T_D + RTT + T_A} U=TD​+RTT+TA​TD​​

U U U 是信道利用率 ;

T D T_D TD​ 是发送方发送延迟 , 即发送方用了多长时间将数据帧发送完毕 ;

R T T RTT RTT 是往返时延 ;

T A T_A TA​ 是接收方 发送 A C K ACK ACK 确认帧 的时延 ;

"停止-等待协议" 信道利用率很低 , 大部分事件都在 传输的延迟上 , 用于发送接收的时间很少 ;

六、 信道利用率 公式

信道利用率 是 发送方 , 在一个发送周期内 , 有效发送数据所占用的时间 , 占整个发送周期的比例 ;

信 道 利 用 率 = L C T 信道利用率 = \cfrac{\dfrac{L}{C}}{T} 信道利用率=TCL​​

L L L 是发送的数据比特数 ;

C C C 是发送方的速率 ;

其中 L C \cfrac{L}{C} CL​ 是发送时延 ;

T T T 是发送的周期 , 即从开始发送 , 到收到第一个确认帧为止的时间 ;

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 \times 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

七、 信道利用率 计算

信道传输速率 4000b/s , 单向传播时延 30ms , 使 “停止-等待” 协议 信道利用率达到 80% , 数据帧长度至少是多少 ? ? ?

信道利用率公式为 :

U = T D T D + R T T + T A U = \cfrac{T_D}{T_D + RTT + T_A} U=TD​+RTT+TA​TD​​

先把数据单位收拾下 , 传输速率 4000 比特 / 秒 , 单向传播时延 0.03 秒 , RTT 是 0.06 秒 ; 设 数据帧长度是 L L L 比特 ; 这里没有给出 ACK 发送延迟 , 当做 0 0 0 ;

L 4000 L 4000 + 0.06 + 0 = 0.8 \cfrac{\dfrac{L}{4000}}{\dfrac{L}{4000} + 0.06 + 0} = 0.8 4000L​+0.06+04000L​​=0.8

分子分母都乘以 4000 4000 4000 ;

L L + 240 = 0.8 \cfrac{L}{L+ 240} = 0.8 L+240L​=0.8

L = 0.8 L + 192 L= 0.8 L + 192 L=0.8L+192

0.2 L = 192 0.2L= 192 0.2L=192

L = 960 L= 960 L=960 单位是 比特 ;

数据帧的长度至少是 960 960 960 比特 ;