单帧滑动窗口与停止-等待协议

【概述】

对于数据链路层中流量控制与可靠性传输机制，其可分为停止等待 ARQ、后退 N 帧 ARQ、选择性重传 ARQ三种

在停止等待 ARQ 中，源站发送单个帧后，必须停止并等待确认帧

从滑动窗口机制的角度来看，停止-等待协议相当于发送窗口和接收窗口大小均为 $1$ 的滑动窗口协议，即单帧滑动窗口

【无差错情况】

在无差错的情况下，发送方发送的数据帧交替的用 0、1 来标识，接收方发送的对应确认帧则用 ACK0 和 ACK1 来表示确认，由于每发送一帧就停止等待，因此仅需要用 1 bit 即可完成编号

【差错情况】

在停止-等待协议中，可能会出现以下差错：

1. 数据帧丢失或到达接收方的数据帧遭到破坏
2. 数据帧正确但确认帧遭到破坏
3. 数据帧正确但确认帧迟到

对于第一种差错，发送方设置了超时计时器，若在一个帧发送后，计时器满仍未收到确认帧，则会再次发送相同的数据帧，直到该数据帧无错误到达接收方并且发送方收到确认帧为止；对于接收方来说，若数据帧丢失，其没有收到数据帧，故不会进行任何操作，若利用差错控制技术检测出数据帧出错，则直接丢弃数据帧

对于超时计时器来说，每次发送一个数据帧就会启动一次，其设置的重传时间比帧传输的 平均 RTT 要更长一些

对于第二种差错，此时接收方已经收到正确数据帧，但发送方收不到确认帧，发送方会在计时器满后重传该数据帧，接收方收到同样的数据帧后会丢弃该重复帧，然后重传确认帧

对于第三种差错，此时接收方已经收到正确数据帧，但发送方在超时重传时间内收不到确认帧，因此发送方会重传该数据帧，接收方收到同样的数据帧后丢弃该重复帧，然后重传确认帧，在若干时间后，接收方收到了之前迟到的确认帧，其会比对确认帧的编号，发现 ACK 迟到后，收下就丢弃

【性能分析】

对于停止等待协议来说，设 $T_D$ 为数据帧发送时延，$T_A$ 为确认帧发送时延，$RTT$ 为往返时延

那么，一个数据帧的发送周期为：

$$T=T_D+RTT+T_A$$

设在这一个发送周期 $T$ 内，发送了 $L$ 比特的数据，发送方数据传输率为 $C$，那么整个信道的有效发送时间为：

$$T_D=\frac{L}{C}$$

信道利用率，即信道的效率，其是针对于发送方而言的，指发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比例，即：

$$U=\frac{T_D}{T}=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$$

进一步，可得信道吞吐率为：

$$R=U*C$$