TCP連續ARQ協議和滑動窗口協議

TCP協議通過使用連續ARQ協議和滑動窗口協議，來保證數據傳輸的正確性，從而提供可靠的傳輸。

一、ARQ協議

ARQ協議，即自動重傳請求（Automatic Repeat-reQuest），是OSI模型中數據鏈路層和傳輸層的錯誤糾正協議之一。它通過使用確認和超時這兩個機制，在不可靠服務的基礎上實現可靠的信息傳輸。如果發送方在發送後一段時間之內沒有收到確認幀，它通常會重新發送。ARQ包括停止等待ARQ協議和連續ARQ協議，擁有錯誤檢測（Error Detection）、正面確認（Positive Acknowledgment）、超時重傳（Retransmission after Timeout）和負面確認及重傳（Negative Acknowledgment and Retransmission）等機制。

（1）停止等待ARQ協議

要想弄明白爲什麼TCP要使用連續ARQ協議，首先需要弄清楚停止等待ARQ協議的原理。

TCP 連接是全雙工的連接，也就是說在通信的時候，雙方既是發送方，也是接收方。下面爲了簡化問題，只考慮一方發送，一方接受的情況。其中，A作爲發送方，B作爲接收方。

1.無差錯情況

A發送分組M1，發送完就暫停發送，等待B的確認。B收到M1就向A發送確認。A在收到了對M1的確認後，就再發送下一個分組M2。依次下去發送剩餘的數據...如下圖所示：

2.出現差錯

如果A發送的過程中出現差錯，B在接收M1時檢測出了差錯，就丟棄M1，其他什麼都不做（也不會通知A收到有差錯的分組）。又或者A傳送的過程中分組丟失了，以上這兩種情況下，B不會發送任何信息。

既然說它是可靠傳輸協議，那自然有它可靠的方法：如果發生以上的情況，A只要超過了一段時間仍然沒有收到確認，就認爲剛纔發送的分組丟失了，所以它會重傳剛剛的發送過的分組，也就是所謂的超時重傳。

超時重傳的原理也很簡單：發送方發送完一個分組後，就會設置一個超時計時器，如果超時計時器到期之前沒有收到接收方發來的確認信息，則會重發剛發送過的分組；如果收到確認信息，則撤銷該超時計時器。如下圖所示：

這裏應該注意的是：

①既然發送方發送的分組可能丟失或者有差錯，可能需要重傳，那麼它必須暫時保留已發送的分組副本，只有收到確認後，才清除這個副本。

②分組和確認分組信息都應該有各自的編號，用來標示每一個分組和確認信息。（這樣才知道需要發送哪個分組，收到了哪個分組的確認信息）

③超時計時器設置的時間應該略長於分組傳送往返時間。

3.確認丟失和確認延遲

沒有正常進行通信，除了發送方出現問題外，接收方同時也可能存在問題。

例如，如果A發送了M1分組，到達B，B發送了M1確認信息，但由於網絡原因，該確認信息丟失。那麼這個時候，A在超時重傳時間內，沒有收到B的確認信息，而且它並不知道是自己的分組有差錯、丟失，還是B發生的確認丟失了。因此，A會在超時重傳過後，重傳M1分組。

接收方B會採取這兩個行動：

①B會丟棄M1分組，不向上層交付。（B之前已經收到過M1分組了）

②向A發送確認（因爲A重發了，肯定重傳時間內沒有收到確認信息）

還有可能是另一種情況，就是B發送了確認，沒有丟失，但是延遲了。也就是說，B發送的確認在A超時計時器過期後纔到達。這種情況下，A收到確認信息後會丟棄，然後重傳剛纔的分組，B收到後，丟棄重複的分組，並重傳確認信息。

根據上述的確認和重傳機制，我們就可以在不可靠的網絡上實現可靠的傳輸。

4.信道利用率

停止等待ARQ協議的優點是簡答，但也有很嚴重的確定，就是信道利用率太低。如下圖所示：

信道利用率U = TD / (TD + RTT + TA)

（2）連續ARQ協議

由於停止等待ARQ協議信道利用率太低，所以需要使用連續ARQ協議來進行改善。這個協議會連續發送一組數據包，然後再等待這些數據包的ACK。

發送方採用流水線傳輸。流水線傳輸就是發送方可以連續發送多個分組，不必每發完一個分組就停下來等待對方確認。如下圖所示：

連續ARQ協議通常是結合滑動窗口協議來使用的，發送方需要維持一個發送窗口，如下圖所示：

圖（a）是發送方維持的發送窗口，它的意義是：位於發送窗口內的5個分組都可以連續發送出去，而不需要等待對方的確認，這樣就提高了信道利用率。

連續ARQ協議規定，發送方每收到一個確認，就把發送窗口向前滑動一個分組的位置。例如上面的圖（b），當發送方收到第一個分組的確認，就把發送窗口向前移動一個分組的位置。如果原來已經發送了前5個分組，則現在可以發送窗口內的第6個分組。

接收方一般都是採用累積確認的方式。也就是說接收方不必對收到的分組逐個發送確認。而是在收到幾個分組後，對按序到達的最後一個分組發送確認。如果收到了這個分組確認信息，則表示到這個分組爲止的所有分組都已經正確接收到了。

累積確認的優點是容易實現，即使確認丟失也不必重傳。但缺點是，不能正確的向發送方反映出接收方已經正確收到的所以分組的信息。比如發送方發送了前5個分組，而中間的第3個分組丟失了，這時候接收方只能對前2個發出確認。而不知道後面3個分組的下落，因此只能把後面的3個分組都重傳一次，這種機制叫Go-back-N（回退N），表示需要再退回來重傳已發送過的N個分組。

二、滑動窗口協議

滑動窗口協議在在發送方和接收方之間各自維持一個滑動窗口，發送發是發送窗口，接收方是接收窗口，而且這個窗口是隨着時間變化可以向前滑動的。它允許發送方發送多個分組而不需等待確認。TCP的滑動窗口是以字節爲單位的。

如下圖所示，發送窗口中有四個概念：：已發送並收到確認的數據（不在發送窗口和發送緩衝區之內）、已發送但未收到確認的數據（位於發送窗口之內）、允許發送但尚未發送的數據（位於發送窗口之內）、發送窗口之外的緩衝區內暫時不允許發送的數據。

接收窗口中也有四個概念：已發送確認並交付主機的數據（不在接收窗口和接收緩衝區之內）、未按序收到的數據（位於接收窗口之內）、允許的數據（位於接收窗口之內）、不允許接收的數據（位於發送窗口之內）。

規則：

（1）凡是已經發送過的數據，在未收到確認之前，都必須暫時保留，以便在超時重傳時使用。

（2）只有當發送方A收到了接收方的確認報文段時，發送方窗口纔可以向前滑動幾個序號。

（3）當發送方A發送的數據經過一段時間沒有收到確認（由超時計時器控制），就要使用回退N步協議，回到最後接收到確認號的地方，重新發送這部分數據。

此外，TCP利用滑動窗口協議來進行流量控制，如下圖所示：