流水线技术

流水线技术是解决这种特殊性能问题的一个非常简单的方法：不使用停等方式运行，允许发送端发送多个分组而无需等待确认。

虽然流水线可以直线提升 rdt 3.0 协议的性能，但是也会带来如下的影响：

• 必须增加序号的范围。因为每个传输中的分组（不计算重传的）必须有一个唯一的序号，而且也许有多个在输送中尚未确认的分组
• 协议的发送端和接收端也必须缓存多个分组。发送方最低限度应当能缓冲那些已发送但没有确认的分组，接收方或许也需要缓存那些已正确接收的分组
• 所需序号范围和对缓冲的要求取决于数据传输协议如何处理丢失、损坏和延时过大的分组。

解决流水线的差错恢复有两种基本方法，分别为 回退 N 步（Go-Back-N, GBN） 和 选择重传（Selective Repeat, SR）。

GBN 协议（回退 N 步协议）

在 GBN 协议中，允许发送方发送多个分组（当有多个分组可用时）而不需等待确认，但它也受限于在流水线中未确认的分组数不能超过某个最大允许数 N。

上图显示了发送方看到的 GBN 协议的序号范围。将基序号（base）定义为最早的未确认分组的序号，将下一个序号（nextseqnum）定义为最小的未使用序号（即下一个待发分组的序号），则可将序号范围分割成 4 段。在 [0, base-1] 段内的序号对应于已经发送并确认的分组。[base, nextseqnum-1] 段对应已经发送但未被确认的分组。[nextseqnum, base+N-1] 段内的序号能用于那些要立即发送的分组，如果有数据来自于上层的话。最后，大于或等于 base+N 的序号是不能使用的，直到当前流水线中未确认的分组（特别是序号为 base 的分组）已得到确认为止。

在上图中，把 [base, base+N-1] 看做一个长度为 N 的窗口。随着协议的运行，该窗口在序号空间向前滑动。因此，N 常被称为窗口长度（window size），GBN 协议也常被称为滑动窗口协议（sliding-window protocol）。至于为什么需要限制 N 的范围，是因为这是流量控制的方法之一。

在实践中，一个分组的序号承载在分组首部的一个固定长度的字段中。如果分组序号字段的比特数是 k，则该序号范围是 [0, 2^k - 1]。在一个有限的序号范围内，所有涉及序号的运算必须使用模 2^k 运算。

下图是GBN 协议发送方扩展 FSM 描述：

发送方必须响应三种类型的事件：

• 上层的调用。当上层调用 rdt_send() 时，发送方首先检查发送窗口是否已满，即是否有 N 个已发送但未被确认的分组。如果窗口未满，则产生一个分组并将其发送，并相应地更新变量。如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，隐式地指示上层该窗口已满。然后上层可能会过一会儿再试。在实际实现中，发送方更可能缓存这些数据，或者使用同步机制（如一个信号量或标志）允许上层在仅当窗口不满时才调用 rdt_send()。
• 收到一个ACK。在 GBN 协议中，对序号为 n 的分组的确认采取累积确认（cumulative acknowledgment）的方式，表明接收方已正确接收到序号为 n 的以前且包括 n 在内的所有分组。
• 超时事件。协议的名字“回退 N 步”来源于出现丢失和时延过长分组时发送方的行为。就像在停等协议中那样，定时器将再次用于恢复数据或确认分组的丢失。如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认过的分组。上图中发送方仅使用一个定时器，如果收到了一个 ACK，但仍有已发送但未被确认的分组，则定时器被重新启动。如果没有已发送但未被确认的分组，该定时器被终止。

下图是 GBN 协议接收方扩展 FSM 描述：

如果一个序号为 n 的分组被正确接收到，并且按序（即上次交付给上层的数据是序号为 n - 1 的分组），则接收方为分组 n 发送一个 ACK，并将该分组中的数据部分交付到上层。

在所有其他情况下，接收方将丢弃该分组，并为最近按序接收的分组重新发送 ACK。

注意到因为一次交付给上层一个分组，如果分组 k 为已接受并交付，则所有序号比 k 小的分组也已经交付。因此，使用累积确认是 GBN 的一个自然的选择。

虽然 GBN 协议看起来很浪费，因为它会丢弃一个正确接收（但失序）的分组。但这样做是有道理的。因为接收方必须将数据按序交付给上层，假设现在期望接收分组 n，而分组 n + 1 却到了，因为数据必须按序交付，所以接收方可能缓存分组 n + 1，然后，在它收到并交付分组 n 后，再将该分组交付到上层。但是，如果分组 n 丢失，则该分组及分组 n + 1 最终将在发送方根据 GBN 重传规则而被重传，所以，接收方只需要直接丢弃分组 n + 1 即可。

这种方法的优点是接收方不需要缓存任何失序分组，唯一需要维护的信息就是下一个按序接收的分组的序号。缺点就是随后对该分组的重传也许会丢失或出错，进而引发更多的重传。

可以看到，GBN 协议本身相对于 rdt 3.0 协议有了长足进步，但是仍然有它自己的性能问题，尤其是当窗口长度和带宽时延都很大的时，流水线中有很多分组更是如此。任何单个分组的差错就能引起 GBN 协议重传大量分组，事实上是很多分组根本没必要重传，所以，有了一个更加优化的协议，就是下面要说的 选择重传（SR） 协议。

SR 协议（选择重传协议）

SR 协议在 GBN 协议的基础上进行了改进，它通过让发送方仅重传那些它怀疑在接收方出错（即丢失或受损）的分组而避免了不必要的重传。选择重传协议只重传真正丢失的分组.

选择重传的接收窗口与发送窗口一样大.选择重传协议允许与接收窗口一样多的分组失序到达,并保存这些失序到达的分组,直到连续的一组分组被交付给应用层.因为发送窗口与接收窗口是相同的,所以发送出来的所有分组都可以失序到达,而且会被保留直到交付为止.但是必须强调一点,在一个可靠的协议中,接收方永远不会把分组失序地交给应用层.在他们被交付给应用层之前,先要等待那些更早发出来的分组到达.