可靠传输-停止等待协议

一、停止 - 等待协议（SW）核心机制

停止 - 等待协议是最基础的可靠传输协议，核心逻辑为 “发送方发送一个数据分组后，停止发送并等待接收方确认，收到确认后再发送下一个分组”，具体机制包含以下 4 个关键模块：

1. 确认与否认（ACK/NAK）

• 正常场景：发送方发送DATA分组，接收方正确接收后，返回ACK（确认）分组，发送方收到ACK后继续发送下一个DATA。
• 误码场景：接收方检测到DATA分组存在误码时，有两种处理方式：
  • 直接丢弃误码分组，等待发送方超时重传（适用于误码率较低的链路）；
  • 向发送方发送NAK（否认）分组，触发发送方尽早重传（适用于误码率较高的点对点链路）。

2. 超时重传

• 核心问题：若DATA分组丢失或ACK分组丢失，发送方会一直等待确认，陷入死锁。
• 解决方案：发送方发送DATA分组后，立即启动超时计时器；若计时器超时仍未收到ACK/NAK，则重传原DATA分组。
• 重传时间设定：需 “略大于发送方到接收方的平均往返时间（RTT）”，避免过早重传导致资源浪费，或过晚重传导致时延增加。
  • 数据链路层：点对点往返时间稳定，重传时间易设定；
  • 运输层：端到端往返时间不确定，重传时间设定难度较高。

3. 分组编号（避免重复）

• 数据分组编号：由于协议 “停等” 特性，只需 1 个比特编号（0 和 1）即可区分新分组与重复分组（确保每次新分组编号与上一次不同）。
• ACK 分组编号：理论上需与数据分组编号比特数一致（帮助发送方判断ACK是否重复），但数据链路层极少出现ACK迟到场景，因此可省略ACK编号。

4. 异常场景处理

文档明确了 4 种典型异常场景的协议行为，具体如下表：

异常场景	发送方行为	接收方行为	最终结果
DATA分组丢失	启动超时计时器，超时后重传DATA	未收到DATA，不发送ACK/NAK	重传DATA被正确接收，返回ACK
ACK分组丢失	未收到ACK，超时后重传DATA	已正确接收原DATA，收到重传DATA后丢弃（因编号重复），重新发送ACK	发送方收到重发的ACK，继续发送下一个DATA
DATA分组误码	若收到NAK则立即重传；若未收到NAK，则超时后重传	丢弃误码DATA，可选发送NAK	重传DATA被正确接收，返回ACK
ACK分组迟到	未及时收到ACK，超时后重传DATA	已收到原DATA，收到重传DATA后丢弃，重新发送ACK	发送方收到迟到 / 重发的ACK，停止重传

二、停止 - 等待协议的信道利用率

1. 利用率公式

信道利用率（$U$）表示有效传输时间占总周期时间的比例，公式如下：

$$U \approx \frac{T_D}{RTT + T_D + T_A}$$

其中：

• $T_D$：数据分组发送时延（发送分组所需时间）
• $RTT$：往返时间（分组从发送到接收ACK的总时间）
• $T_A$：ACK分组发送时延（通常远小于$T_D$，可忽略）

简化公式为：

$$U \approx \frac{T_D}{RTT + T_D}$$

2. 核心缺陷

当$RTT$远大于$T_D$（如卫星链路）时，信道利用率极低；若出现重传，利用率会进一步下降 —— 这也是 GBN 和 SR 协议产生的核心原因（弥补 SW 利用率低的缺陷）。

三、相关协议对比（GBN 与 SR）

文档虽未详细展开 GBN 和 SR 协议，但明确其设计目标是 “解决 SW 信道利用率低的问题”，三者核心差异如下：

协议	发送方式	重传策略	信道利用率	复杂度
停止 - 等待（SW）	一次发 1 个，停等确认	仅重传超时 / 否认的分组	最低（RTT 越大越低）	最低
回退 N 帧（GBN）	连续发 N 个，无需等待确认	超时后重传该分组及后续所有分组	中等	中等
选择重传（SR）	连续发 N 个，无需等待确认	仅重传超时 / 否认的分组	最高	最高（需缓存已发未确认分组）

四、总结

停止 - 等待协议是可靠传输的 “基础模型”，通过 “停等确认 + 超时重传 + 分组编号” 实现数据可靠交付，优点是逻辑简单、易于实现，缺点是信道利用率极低（尤其长时延链路）。GBN 和 SR 协议在此基础上优化，通过 “连续发送 + 选择性重传” 提升利用率，但复杂度相应增加。三者共同构成了计算机网络各层可靠传输的核心技术框架，需结合场景选择适用协议