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网络是不可靠的，资料在通信链路的传输过程中，可能因为信号干扰问题而导致信号错误。在这种情况下，通常使用循环冗余校验(CRC)来检测错误。虽然有些侦错程序足够强大，强大到可以更正错误的信号，但是这个过程会消耗大量的计算资源。接收端若是收到了错误的讯框则会丢弃这个讯框，为了达到可靠传输的目的，发送端必须重新发送这些被丢弃的讯框。

为了达到重送错误讯框的目的，我们使用了以下 2 种基础方法

1. 肯定回复（Acknowledgment，ACK）
2. 等待超时（timeout）

ACK 是一个控制讯框，接收端用它来通知传送端其已收到之前的讯框，发送端端则通过接收到 ACK 确认其讯框发送成功。
若是发送端在经过一段等待时间后还没有收到 ACK，发送端会重新发送原来的讯框，发送端等待 ACK 的一段合适的时间的动作叫做等待超时。

停止和等待协议

发送端在传送完一个讯框之后必须等收到 ACK之后，才能发送下一个讯框。当发送端等待一段时间后还未收到 ACK，发送端发送等待超时，重新发送原来的讯框。

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上图所示，发送端在等待超时前收到 ACK。

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上图所示，发送端的原始讯框丢失，发送端等待超时后重新发送讯框。

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上图所示，接收端的 ACK 丢失，发送端等待超时，重新发送讯框。

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上图所示，接收端的 ACK 延迟到达，接收端重新发送讯框。

接收端的 ACK 在到达发送端的过程中丢失或者延迟了，那么传送端会等待超时并且重送原本的讯框。这样的话重复发送同样的讯框，造成网络资源浪费。

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上面存在的问题，通过给讯框设置一个序号则可以解决。当发送端发送编号为 0 的讯框，接收端可以知道这个讯框 0 重复，因此可以忽略这个讯框，但是依旧会给发送端发送 ACK。

滑动窗口协议 （Sliding Window Protocol）

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到现在为止，发送端和接收端的通信模型在同一个时间只有一个讯框在发送，严重浪费网络资源。为了充分利用网络资源，发送端在停下来等待 ACK 之前，发送端必须发送更多的讯框。

为了实现滑动窗口协议，发送端给每个讯框一个序号，假设这个序号值可以无限大，发送端需要持续记录下面 3 个变量

1. 传送窗口的大小（Sending Window Size，SWS）
2. 最后收到的 ACK 序号（Last Acknowledgment Received，LAR）
3. 最后发送的讯框序号 （Last Frame Sent，LFS）

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对于上面的 3 个变量结合图示，我们有底下的等式

LFS - LAR <= SWS

当发送端接收到一个编号为 LAR+1 的 ACK，将 LAR 向右移动，使发送端可以发送另一个讯框。每个发送端对每个发送出去的讯框都会有一个计时器，若是计时器在 ACK 到达前超时，则重送该讯框。发送端也需要一个有 SWS 容量大小的缓冲区，用于存在发送出去的讯框，这样才能在需要重送讯框的时候找到讯框。

为了实现滑动窗口协议，接收端需要持续记录下面 3 个变量

1. 接收窗口的大小（Receiving Windows Size ，RWS）
2. 最大可接收的讯框序号（Largest Acceptable Frame ，LAF）
3. 最后收到的讯框序号 （Last Frame Received ，LFR）

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对于上面的 3 个变量结合图示，我们有底下的等式

LAF - LFR <= RWS

当接收端接收到序号为 SeqNum 的讯框时，若是 SeqNum <= LFR 或者 SeqNum > LAF ，此讯框在接收端滑动外面，那么接收端会将此讯框丢弃。若是 LFR < SeqNum <= LAF ，接收端接收此讯框。当接收端接收到一个编号为 LFR+1 的 讯框，将 LFR 向右移动。

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如上图所示，假设 LFR = 1, RWS = 7, LAF = 8。若讯框 4，6，3，5 先后到达，虽然它们没有按照序号顺序到达，但是它们都会被收起来，因为它们都在接收端窗口内。但是接收端不会发送 ACK，因为讯框 2 还没有到达，等到讯框 2 到达之后，接收端发送讯框 6 的 ACK，此时窗口滑动， LFR 改为 6， LAF 改为 13。

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如上图所示，滑动窗口协议中的 ACK 采用的是累积式的 ACK （Accumulative ACKs）, SeqNumToAck 表示所有编号小于 SeqNumToAck 的讯框都已经收到了，即使收到较高序号的讯框，接收端还是会送出序号为 SeqNumToAck 的 ACK，对于接收端来说 LFR = SeqNumToAck -1, LAF = LFR+ RWS

总结

1. 为了达到可靠传输的目的，协议设计者在通信链路上使用了 2 个基础技术，分别是 ACK 和 等待超时。
2. 停止和等待协议是一个可靠的协议，但是运行效率不够好，同时只有一个讯框在通信链路上传送，而且接收端可能受到重复的讯框。
3. 滑动窗口协议是一个可靠而且高效率的协议，它会给所有的讯框设置一个序号，多个讯框可以同时在通信链路上传送。对于发送端需要维持 3 个变量，分别是发送端视窗大小（SWS），最后收到的 ACK 编号（LAR）,最后发送的讯框编号（LFS）。对于接收端需要维持 3 个变量，分别是接收端窗口大小（RWS）,最大可接收的讯框编号（LAF）,最后收到的讯框编号（LFR）。

对于发送端来说，有以下等式

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对于接收端来说，有以下等式

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4. 滑动窗口协议提供了 3 个特性，分别是可靠的传输，维持讯框顺序，流量控制。利用每个讯框都有序号，顺序错误的讯框会被置于缓冲区的功能来实现维持讯框顺序特性。流量控制是利用接收端可以设定 RWS 的值来调节发送端的速度，防止发送端发送过多的讯框将接收端塞爆。

参考

作为网络方面的简单入门内容，文章主要是介绍网络的可靠传输机制的简单知识。这篇博客内容总结于黄能富教授的《CS01060 2017-秋季-計算機網路概論》课程，博客截图来源于课程 PPT。

1. http://www.sharecourse.net/sharecourse/course/view/courseInfo/1246
2. https://book.douban.com/subject/26417896/