3.4.3 回退N帧协议

停止等待协议如图所示，发送方每发送完一个数据分组，就要停止发送，并等待接收方的确认分组。当收到接收方的确认分组后，才能发送下一个数据分组，如此反复进行。从图中可以看出，发送方每发送完一个数据分组，就至少要等待一个收发双方之间的往返时间。当往返时间较大时，例如卫星链路停止等待协议的信道利用率很低，若出现超时重传，则信道利用率更低。

如图所示，如果发送方在收到接收方的确认分组之前，可以连续发送多个数据分组，则可大大提高信道利用率。就本例而言，同等条件下，在相同的时间内使用停止等待协议的发送方只能发送一个数据分组，而采用流水线传输的发送方可以发送 5 个数据分组。

回退N帧协议原理

本节课我们介绍回退N帧协议，该协议在流水线传输的基础上，利用发送窗口来限制发送方可连续发送分组的个数。举例说明

分组编号：假设采用 3 个比特给分组编序号，因此序号的取值范围是 0- 7，如图所示，这是收发双方各自的分组序号。当序号增加到7时，下一个序号又从 0 开始

发送窗口：发送方要维持一个发送窗口，序号落在发送窗口内的数据分组可被连续发送，而不必等收到接收方的相应确认分组后再发送。发送窗口的尺寸即为WT，对于本例，其取值范围是大于1，小于等于 2^3 -1，其中的 3 是构成分组序号的比特数量。本例取 WT 的值为5。如果 WT 的值取为1，则是停止等待协议。如果 WT 的值超过取值范围的上限，则会造成严重的错误，我们之后会举例详细说明。如图所示，序号落在发送窗口内的这 5 个数据分组可以连续发送，而序号落在发送窗口外的数据分组不允许发送。

接收窗口：接收窗口的尺寸即为WR 。对于回推N帧协议，其取值只能为1，这一点与停止等待协议是相同的。如图所示，序号落在接收窗口内的这个数据分组允许接收，而序号落在接收窗口外的数据分组不允许接收。

情况1：无差错情况

我们首先来看最简单的情况，也就是无差错的情况。

发送方将序号落在发送窗口内的 0- 4 号数据分组依次连续发送出去，他们经过互联网的传输正确到达了接收方，也就是没有出现乱序和误码。

接收方按序接收他们，每接收一个接收窗口就向前滑动一个位置，并给发送方发送针对所接收分组的确认分组 。

0- 4 号确认分组经过互联网的传输，正确到达了发送方，发送方每接收一个发送窗口，就向前滑动一个位置，这样就有新的序号落入了发送窗口，发送方可以将收到确认的数据分组从缓存中删除了，而接收方可以择机将已接收的数据分组交付上层处理。

引入累积确认

接下来我们来看累积确认的概念。使用回退N帧协议的接收方可以采用累积确认的方式。

累积确认：接收方不一定要对收到的数据分组逐个发送确认，而是可以在收到几个数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。ACKn 表示序号为 n 及以前的所有数据分组都已正确接收。

我们来举例说明累计确认，发送方将序号落在发送窗口内的 0- 4 号数据分组依次连续发送出去，他们经过互联网的传输正确到达了接收方。接收方按序接收他们，当接收完 0 号和 1 号数据分组后，给发送方发送了一个累积确认 ACK1，当接收完 2- 4 号数据分组后，又给发送方发送了一个累计确认 ACK4。

假设 ACK 1 在传输过程中丢失了，而 ACK 4 正确到达了发送方。发送方接收 ACK 4 后就知道了序号为 4 及之前的数据分组已被接收方正确接收了，于是将发送窗口向前滑动 5 个位置，这样就有新的序号落入了发送窗口。发送方可以将收到确认的数据分组从缓存中删除了，而接收方可以择机将已接收的数据分组交付上层处理。

从本例可以看出，使用累积累确认的其中一个优点就是即使确认分组丢失，发送方也可能不必重传。例如本例中 ACK1 丢失了，但并没有造成 1 号数据分组的超时重传，使用累积确认还有其他好处，例如可以减小接收方的开销，减少对网络资源的占用等。当然了，使用累计确认也有缺点，那就是不能向发送方及时反映出接收方已经正确接收的数据分组的信息。

情况2：有差错情况回退N帧

接下来我们来看出现差错的情况。发送方将序号落在发送窗口内的这 5 个数据分组依次连续发送出去，他们经过互联网的传输到达了接收方。假设他们在传输过程中受到了干扰，其中 5 号数据分组出现了误码，接收方通过数据分组中的检错码发现了错误，于是丢弃该数据分组。

后续到达的这 4 个数据分组的序号与接收窗口中的序号不匹配：丢弃5号数据分组，则接收窗口序号5对应了6号数据分组

接收方同样也不能接受他们，将他们丢弃，并对之前按序接收的最后一个数据分组进行确认，也就是发送 ACK 4。每丢弃一个数据分组就发送一个 ACK 4。这四个 ACK 4 经过互联网的传输到达了接收方。

发送方之前就接收过ACK 4，当收到这些重复的ACK4 时(累积确认的机制是：每收到一个ACKn，发送窗口把序号为n及以前的数据分组移出去。当重复接收到ACK4时，发送窗口自然不移动，则实现了下一个发送窗口自动回退N帧)，就知道了之前所发送的数据分组出现了差错，于是可以不等超时计时器超时就立刻开始重传。至于收到几个重复确认就立刻重传，由具体实现来决定。在本例中，假设收到这 4 个重复的确认并不会触发发送方立刻重传。

一段时间后，超时计时器出现超时，发送方将发送窗口内已发送过的这些数据分组全部重传。在本例中，尽管序号为 6、7、0、1 的数据分组之前已经正确的到达接收方，但由于 5 号数据分组误码不被接受，他们也受到牵连而不被接受，发送方还要重传这些数据分组，这就是所谓的 go-back-n，也就是回退N帧（本例中即回退==5==帧）。可见，当通信线路质量不好时，回退N帧协议的信道利用率并不比停止等待协议高。

情况3：发送窗口的尺寸 WT 超过其取值范围的上限情况

接下来我们来看看如果发送窗口的尺寸 WT 超过其取值范围的上限，会出现什么情况。对于本例，采用三个比特给分组编序号， WT 的最大值为 2 的三次减1，也就是7。我们故意超过该上限，将 WT 取之为8。发送方将序号落在发送窗口内的 0- 7 号，这 8 个数据分组依次连续发送出去，他们经过互联网的传输正确到达了接收方

接收方按序正确接收他们后，给发送方发回累计确认ACK7。假设ACK 7 在传输过程中丢失了，这将导致发送方的超时重传，重传的 0- 7 号数据分组到达接收方。

现在问题来了，接收方根据当前接收窗口内的序号，会对这 8 个数据分组按序接收，但是接收方之前已经接收过这 8 个数据分组了，现在是在重复接收。也就是说，接收方无法分辨新旧分组，进而会产生分组重复这种传输差错。因此发送窗口的尺寸不能超过其上限。

回退N帧协议原理小结

例题

我们再来画个示意图，以便更容易理解该题。假设这是帧可用的序号，这是发送窗口，发送方将序号落在发送窗口内的 0- 7 号数据帧依次发送出去。当收到帧对 0 号数据帧的确认帧 ACK 0 时，发送窗口向前移动一个位置。若收到帧对 1 号数据帧的确认帧ACK1 时，发送窗口也会向前移动一个位置，只不过ACK1 在传输过程中丢失了，当收到帧对 2 号数据帧的确认帧 ACK2 时，发送窗口向前移动两个位置，将序号 1 和 2 全部移出发送窗口。当收到帧对 3 号数据帧的确认帧 ACK3 时，发送窗口向前移动一个位置，之后发送方出现了超时，将发送窗口内已发送但未收到确认的 4567 号数据帧依次重传。

本节小结

• 回退 N 帧协议在流水线传输的基础上，利用发送窗口来限制发送方连续发送数据分组的数量，是一种连续 ARQ 协议。
• 在协议的工作过程中，发送窗口和接收窗口不断向前滑动，因此这类协议又称为滑动窗口协议。
• 由于回退N帧协议的特性，当通信线路质量不好时，其信道利用率并不比停止等待协议高。