网站域名骗子,wordpress需注册访问,品牌营销活动策划方案,网站分享平台这一篇对数据链路层中的和流量控制进行详细学习
流量控制#xff08;Flow Control#xff09;是计算机网络中确保数据流平稳传输的技术#xff0c;旨在防止数据发送方发送过多数据#xff0c;导致接收方的缓冲区溢出#xff0c;进而造成数据丢失或传输失败。流量控制通常…这一篇对数据链路层中的和流量控制进行详细学习
流量控制Flow Control是计算机网络中确保数据流平稳传输的技术旨在防止数据发送方发送过多数据导致接收方的缓冲区溢出进而造成数据丢失或传输失败。流量控制通常通过调整发送方的数据发送速率确保接收方能有效地处理和存储接收到的数据。
流量控制的目的
防止缓冲区溢出接收方的缓冲区有限若发送方发送数据过快接收方无法及时处理可能会导致缓冲区溢出造成数据丢失。提高传输效率通过合适的流量控制机制避免过快或过慢的数据流动从而实现高效、可靠的数据传输。动态调整发送速度根据网络状态和接收方的处理能力动态地调整发送方的发送速率确保数据传输的平稳性。 流量控制的类型
流量控制有多种方法主要可以分为两类端到端流量控制End-to-End Flow Control和链路层流量控制Link-Level Flow Control。
1. 端到端流量控制
端到端流量控制是在源设备和目标设备之间实现的流量控制。常见的协议有 TCP流量控制基于滑动窗口机制 TCP传输控制协议是端到端流量控制的典型例子。TCP流量控制的核心机制是滑动窗口即接收方通过控制窗口大小Window Size来限制发送方可以发送的数据量。 窗口大小表示接收方的缓冲区能够接收的最大字节数。 滑动窗口机制发送方根据接收方的窗口大小控制发送数据的量。每次接收到确认ACK后窗口会“滑动”并更新允许发送更多的数据。 发送方操作当发送方发送数据时它会根据接收到的窗口大小决定可以发送的数据量。发送的数据量不能超过接收方指定的窗口大小。 接收方操作接收方会告知发送方当前窗口的大小并根据自身的缓冲区状态来动态调整该窗口大小。 例子 如果接收方的缓冲区有1000字节的可用空间那么它会通过ACK报文告知发送方发送方此时最多可以发送1000字节的数据。一旦接收方处理完这些数据它会更新窗口大小允许发送更多的数据。
2. 链路层流量控制
链路层流量控制是指在数据链路层如以太网、PPP等实现的流量控制。它主要用于控制相邻设备之间的数据传输速率。常见的链路层流量控制方法包括 基于停止-等待协议Stop-and-Wait这种方法要求发送方每发送一帧数据后都等待接收方的确认信号ACK才可以发送下一帧。这种方法在低速网络中比较常见适合简单的流量控制。 XON/XOFF协议这是一种基于字符的流量控制协议通常用于串行通信中。发送方通过发送XOFF停止发送或XON恢复发送字符来控制数据的发送。接收方当接收到XOFF字符时会停止接收数据直到接收到XON字符才恢复接收。
3. 拥塞控制与流量控制的区别
流量控制和拥塞控制是两个不同的概念虽然它们在目的上有所重叠但有不同的实现方式
流量控制是确保数据发送速率与接收方处理能力相匹配避免接收方的缓冲区溢出。拥塞控制是防止网络中出现过多的数据流导致网络节点如路由器过载并且确保网络的整体流量不会超出其承载能力。
流量控制的常见方法 滑动窗口机制Sliding Window主要用于TCP协议。接收方通过指示一个窗口大小发送方根据窗口大小限制其发送的数据量。随着接收方确认数据窗口会滑动允许发送更多数据。 停止-等待协议Stop-and-Wait一种简单的流量控制方法。发送方每发送一个数据帧都必须等待接收方的确认ACK才能发送下一个数据帧。这种方法效率较低但适用于低带宽和低延迟的环境。 XON/XOFF协议一种字符级的流量控制协议广泛用于串行通信和基于流的协议如Telnet。发送方通过发送XON字符恢复发送和XOFF字符停止发送来控制数据流。 基于令牌的流量控制Token-based Flow Control在这种方式下发送方必须获得一个“令牌”才能发送数据。令牌的控制方式确保了数据的流量不会过大通常用于分布式系统和多路复用技术中。 缓冲区管理接收方会为每个连接分配一个缓冲区并根据缓冲区的空闲情况通知发送方适当的发送速率。通常接收方通过滑动窗口或发送窗口大小来进行流量控制。
流量控制的应用场景
高带宽、低延迟网络如光纤网络、卫星通信流量控制帮助调整发送方的速率以防止接收方的缓冲区溢出。实时传输例如视频流和语音通话等应用需要非常精细的流量控制确保数据流的平稳避免丢包或时延过高。有限资源的网络如低功耗的物联网设备IoT中流量控制帮助节省带宽和减少功耗。
二.流量控制协议
流量控制协议可以根据通信信道的噪声情况分为两类无噪声信道和有噪声信道。不同的信道噪声情况会影响流量控制的实现方式。
1. 无噪声信道Noiseless Channel
在无噪声信道中假设传输过程中不会出现数据错误和丢包的情况。由于信道质量好流量控制的重点在于协调发送方和接收方的速度而不是数据的重传和纠错。无噪声信道的流量控制协议通常较为简单高效性较强。
典型协议 停止-等待协议Stop-and-Wait Protocol发送方每次发送一个数据帧然后等待接收方的确认ACK。在无噪声信道中接收方总是能收到正确的数据帧因此只需在每次数据发送后等待确认即可。
2. 有噪声信道Noisy Channel
在有噪声信道中数据可能因传输错误或干扰而发生丢失或损坏。流量控制协议在解决速率匹配问题的同时还需要处理错误控制确保接收方接收到的都是正确的数据帧。
典型协议 停止-等待ARQStop-and-Wait Automatic Repeat Request这是带自动重传请求的停止-等待协议。在数据帧丢失或损坏时接收方不会发送确认ACK从而触发发送方的重传。发送方会在超时后重发数据以保证数据的可靠到达。
回退N帧ARQ和选择重传ARQ都是属于滑动窗口协议 回退N帧ARQ(Go Back-N ARQ)发送方可以连续发送多个帧但如果检测到某一帧出错接收方会丢弃之后所有的帧发送发需从错误帧开始重新传输选择重传ARQ,发送方也可以连续发送多帧数据但当某一帧出错时接收方只请求重传出错的帧而不是全部重传。
停等协议Stop-and-Wait ARQ详解
停等协议Stop-and-Wait ARQ 是一种最简单的自动重传请求ARQ协议用于在数据链路层实现可靠的数据传输。该协议通过确认每一帧的接收情况来确保数据的正确传递。当发送方发送一帧数据后它会等待接收方的确认ACK信号直到收到确认才会发送下一帧。此过程每次仅传输一帧数据因此称为“停等”。
工作原理 发送方操作 发送方发送一帧数据称为数据帧给接收方。发送方停下等待接收方发送一个确认帧ACK来确认数据帧的接收。一旦收到确认帧ACK发送方继续发送下一帧数据。如果在超时之前没有收到确认帧ACK则发送方会重新发送当前数据帧。 接收方操作 接收方接收到数据帧后如果数据正确无误就返回一个确认帧ACK给发送方。如果接收方检测到数据帧有错误如校验错误它将丢弃该数据帧并不会发送确认帧。发送方会在超时后重新发送该数据帧。 超时与重传 在发送数据帧后发送方会启动一个定时器。如果在定时器到期前未收到确认帧发送方会重传该数据帧。定时器的长度必须设置合理以避免过早的重传或延迟过长的重传。
停等协议的流程示意
发送方 发送数据帧 Data1 给 接收方。接收方 正确接收 Data1 后发送确认帧 ACK1 回到 发送方。发送方 收到 ACK1 后继续发送下一帧 Data2。如果 接收方 在接收数据帧时发现错误如 CRC 错误则丢弃该帧并不发送确认帧。发送方 将等待超时并重新发送该帧。
停等协议的优缺点
优点
实现简单停等协议的实现相对简单发送方只需要发送一帧数据并等待确认接收方只需返回一个确认帧。保证可靠性通过等待确认和重传机制停等协议可以保证数据的可靠传输即使在存在传输错误的情况下也能确保数据最终被正确传递。适用于低误码率的环境在误码率较低或网络延迟较小的情况下停等协议可以有效地完成数据传输。
缺点 效率低由于每次只能发送一帧数据且发送方必须等待确认才能继续发送下一帧因此其带宽利用率较低。每传输一帧数据都需要等待确认因此长时间的等待会影响效率。 延迟较高每帧数据的确认都需要等待往返时间RTT。在高延迟的网络中停等协议的效率会显著下降尤其是在长距离传输中。 带宽利用不充分停等协议每次只发送一帧数据导致网络带宽的使用不充分尤其在传输速率较高时带宽的浪费尤为明显。
适用场景 低速率或低误码的环境在网络延迟较低、传输速率较低或错误率较低的场景下停等协议能够以简单高效的方式提供可靠的数据传输。 资源受限的系统在一些资源受限的系统如简单的嵌入式系统中停等协议由于其实现简单往往是最适合的选择。 信道质量好的情况如果信道的误码率很低且丢包率也较低停等协议能够提供较为可靠的服务。
停等协议的例子
假设发送方和接收方之间存在一个简单的通信链路数据帧由8位的二进制数据构成。
发送方发送方传输的数据帧为 10101010并等待接收方的确认。接收方接收方正确接收到数据帧后返回一个确认帧 ACK告诉发送方已成功接收到数据。如果接收方在收到数据时发现错误例如数据帧为 10101001它将丢弃该数据帧不返回确认帧。发送方超时后会重新发送数据帧。 回退N帧 ARQGo-Back-N ARQ详解
回退N帧 ARQGo-Back-N ARQ 是一种自动重传请求ARQ协议它用于在数据链路层实现可靠的数据传输。与 停等协议Stop-and-Wait ARQ 不同回退N帧 ARQ 允许发送方一次发送多帧数据最多为 N 帧但接收方只按顺序确认接收到的帧。
工作原理 发送方操作 发送方可以在等待确认之前连续发送多帧数据。它会为每一帧数据分配一个序列号通常是一个循环的序列号范围从 0 到 N-1并将数据帧发送到接收方。发送方维护一个发送窗口窗口大小为 N。窗口内的帧可以同时发送。每发送一帧数据发送方启动一个定时器并等待该帧的确认ACK。如果超时未收到确认发送方将重新发送当前帧以及所有后续帧即回退 N 帧。 接收方操作 接收方按顺序接收数据帧。当接收方正确接收到数据帧时它会向发送方发送一个 累积确认帧Cumulative ACK该确认帧表示接收到的数据帧的最大序列号。如果接收方收到的帧的序列号不连续即前面的帧丢失或错误接收方会丢弃当前帧并不会向发送方发送确认直到接收到缺失的帧。 超时与重传 如果发送方在等待确认期间超时它会重新发送从当前未确认帧开始的所有后续帧。这是所谓的“回退”操作因为发送方会回到最后一个确认帧之后的所有帧并重发。重传时所有未被确认的帧都需要重新发送而不仅仅是丢失或错误的帧。
回退N帧 ARQ 的工作示意图 假设窗口大小为 N 4发送方和接收方按以下步骤工作
发送方 发送帧 0, 1, 2, 3并为每个帧设置定时器。接收方 正确接收到帧 0, 1然后返回一个确认帧 ACK 1表示帧 0 和 1 已经被成功接收。发送方 接收到 ACK 1 后滑动窗口并发送新的帧 4567。如果 接收方 错误地接收到帧 4它会丢弃该帧并不发送任何确认帧。直到它收到帧 3 后才会返回一个确认帧 ACK 3。发送方 在超时后会重新发送帧 4567直到接收到正确的确认。
回退N帧 ARQ 例子
假设发送方的窗口大小为 N 4接收方正确接收到的数据帧序列为 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7并且窗口序列号范围从 0 到 3。
场景 1正常数据传输
发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3窗口大小为4。接收方 接收到帧 0, 1并发送 ACK 1表示帧 0 和 1 已经成功接收。发送方 收到 ACK 1 后发送新的帧 4, 5, 6, 7同时滑动窗口。接收方 确认收到所有数据帧直到 7。发送方 接收到 ACK 7数据传输完成。
场景 2丢帧重传
假设窗口大小仍为 N 4但 接收方 丢失了帧 4。
发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3 和 4, 5, 6, 7。接收方 确认接收到 0, 1, 2, 3并发送 ACK 3但帧 4 被丢失。发送方 收到 ACK 3 后继续发送新的帧 4, 5, 6, 7直到超时。在超时后发送方 会重发 所有未确认的帧即帧 4, 5, 6, 7。接收方 在接收到帧 4, 5, 6, 7 后返回 ACK 7完成数据传输。
回退N帧 ARQ 的优缺点
优点
提高效率相比于停等协议Stop-and-Wait ARQ回退N帧 ARQ 允许在等待确认的同时发送多帧数据从而提高了传输效率。适应较长延迟的网络回退N帧 ARQ 允许发送方在等待确认期间发送更多的帧因此减少了等待时间提高了数据传输速率。
缺点
重传的开销较大当某一帧丢失或出错时发送方不仅需要重传丢失的帧还需要重传所有后续帧。这导致了带宽的浪费尤其是在丢失的数据帧较少的情况下。窗口大小的限制回退N帧 ARQ 的效率与窗口大小密切相关窗口太小会导致效率低窗口太大会增加发送方和接收方的负担因此需要根据具体网络环境来调整窗口大小。
选择重传 ARQSelective Repeat ARQ详解
选择重传 ARQSelective Repeat ARQ 是一种自动重传请求ARQ协议旨在提供高效的可靠数据传输尤其是在不稳定的网络环境中。与 回退N帧 ARQGo-Back-N ARQ 相比选择重传 ARQ 更加高效它允许发送方和接收方仅重传那些丢失或损坏的帧而不是回退所有后续帧。
工作原理
发送方操作 窗口大小发送方一次可以发送多个数据帧但它们的数量受发送窗口大小N的限制。每个帧都有一个唯一的序列号。连续发送数据帧发送方可以连续发送多个数据帧直到达到窗口大小为止但不会等待确认。定时器每个帧在发送时都会启动一个定时器超时未收到确认时才会重传。接收方操作 接收确认ACK接收方会对接收到的帧进行确认单个帧的确认不会影响其他帧的确认。接收方会对每个正确接收到的帧发送一个独立的确认。乱序接收接收方可以接收到乱序的数据帧即某些帧丢失或错误。如果接收方接收到的数据帧有缺失它会缓存这些乱序帧并等待缺失的帧到达。确认机制接收方向发送方发送 选择性确认Selective ACK。只有那些成功接收到并顺序的帧才会被确认。超时与重传 超时重传如果发送方未收到帧的确认它会重传该帧而不是回退所有后续帧。仅重传丢失或损坏的帧在选择重传 ARQ 中发送方和接收方仅会重传那些丢失或损坏的帧而不是所有的帧。因此减少了带宽浪费。
选择重传 ARQ 的工作示意图
假设发送方的窗口大小为 N 4接收方可以接收到乱序的数据帧具体过程如下
发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3并为每个帧设置定时器。接收方 正确接收到帧 0, 2并返回确认 ACK 0 和 ACK 2表示接收到的最大序列号。发送方 收到 ACK 0 和 ACK 2 后继续发送新的帧 4, 5, 6。如果 接收方 错误地接收到帧 1它会请求重新发送帧 1。发送方仅重传帧 1而不必重新发送帧 2, 3。
选择重传 ARQ 的特点 发送窗口与接收窗口 发送窗口与回退N帧 ARQ 相同发送窗口是由发送方控制的窗口大小为 N发送方可以一次发送 N 个数据帧。接收窗口与回退N帧 ARQ 不同接收方也有一个接收窗口允许接收方缓存顺序错乱的数据帧。 独立确认 每个数据帧都会单独确认接收方即使接收到乱序帧也会缓存它们并发送针对这些帧的确认。发送方只需要重传丢失或错误的帧而不是重传所有后续帧。 缓存机制 接收方可以缓存那些按顺序接收的数据帧同时缓存未按顺序接收的数据帧等待丢失的帧到达后按顺序交付给上层。 减少带宽浪费 选择重传 ARQ 通过只重传丢失或损坏的帧而不是整个窗口的帧减少了重传的带宽开销尤其是在丢失帧较少时。
选择重传 ARQ 的优缺点
优点
高效的带宽利用相比回退N帧 ARQ选择重传 ARQ 仅重传丢失或损坏的帧减少了不必要的重传从而提高了带宽利用率。支持乱序接收接收方可以接收乱序帧并在收到丢失的帧后将这些乱序帧按顺序交付给上层提高了数据传输的灵活性。适用于高延迟和高丢包率的网络在丢包较高或者网络延迟较大的环境中选择重传 ARQ 可以减少因丢包导致的频繁重传优化了传输性能。
缺点
复杂度较高由于需要缓存乱序数据帧并进行选择性确认选择重传 ARQ 的实现比回退N帧 ARQ 要复杂。接收方缓存开销接收方需要有足够的缓存来存储乱序到达的数据帧。如果缓存不够接收方可能无法正确接收数据。传输延迟增加由于发送方与接收方需要等待更多的确认选择重传 ARQ 可能会增加传输延迟尤其是在高延迟网络环境中。
选择重传 ARQ 的例子
假设发送方的窗口大小为 N 4接收方可以乱序接收帧且每个帧都通过独立确认
发送方 发送数据帧 0, 1, 2, 3。接收方 正确接收到帧 0, 2并返回确认 ACK 0 和 ACK 2。发送方 继续发送新的帧 4, 5, 6。接收方 收到帧 1 后确认 ACK 1。如果接收方有丢失的帧发送方仅重传丢失的帧避免重传所有帧。
滑动窗口协议Sliding Window Protocol详解
滑动窗口协议是一种用于可靠数据传输的协议广泛应用于数据链路层和传输层。它通过使用一个“窗口”来控制数据的流动实现流量控制和保证数据的可靠性。滑动窗口协议既可以用于全双工通信也可以用于半双工通信。其核心思想是允许发送方在未接收到确认的情况下连续发送多个数据帧而接收方则按顺序接收这些数据帧并发送确认。
基本概念
在滑动窗口协议中发送方和接收方都维护一个窗口。这个窗口在数据传输过程中“滑动”允许在发送方与接收方之间并行传输多个数据包。窗口的大小称为窗口大小决定了发送方可以发送多少个未确认的数据包。
滑动窗口协议的组成部分 发送方窗口Sender Window发送方窗口控制发送方可以同时发送多少个未确认的数据包。窗口的大小通常是由协议中的流量控制机制决定的。 接收方窗口Receiver Window接收方窗口控制接收方可以接收多少个数据包。它确保接收方能按照顺序接收并处理数据。 序列号每个数据包都被赋予一个唯一的序列号用于区分不同的数据包。 确认ACK接收方确认已成功接收数据包通常使用累计确认Cumulative ACK方式即确认某一序列号及之前所有数据包。 滑动窗口机制随着数据包的确认发送方和接收方的窗口向前滑动从而使新的数据包进入窗口进行发送或接收。
滑动窗口协议的工作原理 初始化阶段 发送方和接收方初始化各自的窗口。假设窗口大小为 N那么发送方可以在没有等待确认的情况下连续发送 N 个数据包。 数据传输阶段 发送方通过滑动窗口机制发送多个数据包。发送方发送的每个数据包都会带有一个序列号发送方在发送数据时不会等待每个数据包的确认而是可以连续发送多个数据包。接收方接收到数据包后会根据序列号对数据包进行排序并按顺序进行处理。接收方对每个成功接收到的数据包发送确认ACK。一般情况下接收方会发送累计确认即确认最后一个按顺序接收到的数据包表示所有之前的数据包都已正确接收。 窗口滑动 一旦发送方接收到接收方的确认它就可以“滑动”窗口将窗口向前移动继续发送新的数据包。接收方接收到确认时也会滑动其接收窗口准备接收新的数据包。 滑动窗口的两种类型 Go-Back-N ARQ回退N帧 ARQ 在回退N帧 ARQ 协议中发送方可以连续发送多个数据帧但接收方必须按顺序接收。如果接收方发现丢失或损坏的数据帧它会丢弃该帧并要求发送方重新发送所有之后的帧。发送方窗口的大小为 N接收方只允许按顺序接收数据帧。 Selective Repeat ARQ选择重传 ARQ 在选择重传 ARQ 协议中发送方可以连续发送多个数据帧接收方按顺序接收并对每个接收到的数据帧进行单独确认。发送方仅重传丢失或损坏的数据帧而不是所有帧。这比回退N帧 ARQ 更加高效。 滑动窗口协议的优缺点
优点
高效的数据传输通过允许发送多个数据包而不等待确认滑动窗口协议减少了传输延迟。流量控制发送方和接收方可以通过调整窗口大小来控制数据流量防止接收方因缓存溢出而丢失数据。容错能力强尤其在选择重传 ARQ 协议中丢失的帧仅需要重传减少了带宽的浪费。
缺点
复杂度较高相比于简单的停止等待协议滑动窗口协议的实现较为复杂尤其是在接收方需要缓存和排序帧的情况下。延迟较大在高延迟的网络中滑动窗口协议的效果可能受到影响因为窗口的滑动需要依赖于数据包的确认。窗口管理对于发送方和接收方来说维护一个大的窗口可能会导致内存开销较大尤其是在大量数据传输的情况下。
应用场景
高带宽延迟产品BDP环境滑动窗口协议尤其适合用于高带宽和高延迟的网络环境例如卫星网络、长途光纤连接等。TCP协议滑动窗口协议是 TCP协议 的核心部分。TCP通过滑动窗口实现流量控制并保证数据可靠传输。实时应用比如视频流、音频流等实时应用也可以采用滑动窗口机制以保证流畅的传输。
