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【流量控制】算不对 GBN 窗口？分不清 SR 重传？滑动窗口 + 3 大协议一篇吃透

news 2025/10/22 7:51:04

是否在学网络协议时，对着 “滑动窗口” 的定义反复琢磨、却仍不懂它怎么既控流量又保可靠？或是算错 GBN 的最大窗口尺寸（明明 n=3，却分不清是 7 还是 4）？甚至搞不清停止 - 等待GBN、SR 的区别 —— 为什么 GBN 要 “丢一帧重传一串”，而 SR 只重传出错的那帧？

其实，流量控制与可靠传输的本质是 “快递配送的精细化管理”：发送方是快递站，接收方是收件人，数据帧是快递，滑动窗口是 “快递车的载重限制”（控流量），ACK 是 “收件回执”（保可靠）。这篇文章会用 “快递配送” 的比喻贯穿始终，把 3 大协议、滑动窗口计算、考点清单全拆明白 —— 既帮你搞定能理解 “为什么 TCP 用类似 SR 的机制”。

一、先搞懂基础：流量控制与可靠传输，到底解决什么问题？

在讲复杂协议前，先明确两个核心概念的区别 —— 很多人混淆它们，其实对应快递配送的两个不同需求：“别送太快” 和 “别送丢 / 送错”。

1. 流量控制：别让 “收件人” 的快递柜满了

定义：由接收方主导，限制发送方的发送速率，防止接收方缓冲区（比如快递柜）溢出。比如收件人告诉快递站：“我家快递柜只剩 3 个空位，一次最多送 3 件”—— 这就是流量控制，核心是 “限速”。
数据链路层 vs 传输层：
- 数据链路层：控制 “相邻节点”（比如路由器 A 到路由器 B）的流量，窗口大小通常固定，收不下就不发 ACK。
- 传输层（如 TCP）：控制 “端到端”（比如你的电脑到服务器）的流量，通过 ACK 里的 “窗口字段” 动态调整大小（比如快递柜空了就告诉快递站 “可以多送点”）。

2. 可靠传输：确保 “每个快递都被正确收到”

定义：让发送方发出的所有帧，都能被接收方 “正确、按序” 接收 —— 就算丢了、错了，也要通过机制补救。比如快递站送了 3 件快递，没收到回执就重送，还按顺序送，避免收件人拿到 “第 3 件却没第 2 件”—— 这就是可靠传输，核心是 “纠错、补漏、排序”。
三大核心机制：
- 确认（ACK）：接收方收到快递后，给快递站发 “已收到” 的回执（比如 ACK=2 表示 “已收到序号≤2 的帧”）。
- 超时重传：快递站发完快递后，等一段时间（超时时间）没收到回执，就重送这件快递。
- 编号（Sequencing）：给每个快递贴序号，避免送重复（比如不会把 “重送的第 1 件” 当成 “新的第 4 件”），还能保证按序交付。

二、3 大协议对比：从 “低效快递” 到 “高效配送”

流量控制和可靠传输的落地，靠的是 3 种滑动窗口协议 —— 它们的核心区别是 “快递车一次能送多少件（窗口大小）” 和 “丢件后怎么补（重传策略）”。

3 大协议核心对比表

协议类型	发送窗口（Wₜ）	接收窗口（Wᵣ）	核心工作原理（快递比喻）	优点	缺点	信道利用率
停止 - 等待协议	1	1	快递站送 1 件快递，等收件人发回执（ACK），收到后再送下 1 件 ——“送 1 等 1”。	实现最简单	效率极低（快递车空跑）	低
后退 N 帧（GBN）	>1（≤2ⁿ-1）	1	快递车一次送多件（比如 3 件），收件人只按序收快递（没收第 2 件就拒收第 3 件）；丢 1 件就重送 “从丢件开始的所有件”（比如丢第 2 件，重送第 2、3 件）。	比停等效率高	重传浪费（多送了没丢的件）	中
选择重传（SR）	>1（≤2ⁿ⁻¹）	>1（=Wₜ）	快递车一次送多件，收件人会暂存 “没按序到的快递”（比如先收第 3 件，暂存等第 2 件）；丢哪件就只重传哪件 ——“精准补件”。	效率最高	实现复杂（需暂存快递）	高

关键补充：信道利用率

用实例拆解：丢件后三种协议的不同操作

假设发送方发 3 帧（序号 1、2、3），其中序号 2 的帧丢失，三种协议的处理方式：

停止 - 等待：发完 1 等 ACK，没收到 2 的 ACK 就重传 2，重传成功再发 3—— 全程只能 “单线程”。
GBN：发完 1、2、3 后，发现 2 丢了，重传 2、3（哪怕 3 没丢）——“一丢全补”。
SR：发完 1、2、3 后，发现 2 丢了，只重传 2，3 会被接收方暂存，等 2 到了再一起按序交付 ——“丢啥补啥”。

三、滑动窗口机制：协议的 “灵魂”，怎么同时管流量 + 保可靠？

所有协议的核心都是 “滑动窗口”—— 它就像 “快递站的配送规则”：既规定：一次最多送多少件（控流量），又明确哪些件要等回执、丢了要重送（保可靠）。

1. 发送窗口：快递站的待确认清单

定义：发送方维护的 “已送但没收到回执” 的快递序号集合（比如送了 1、2、3，回执只到 1，发送窗口就是 {2,3}）。
作用：
- 控流量：窗口大小就是 “一次最多能有多少件待确认快递”（比如窗口 = 3，就不能送第 4 件，直到收到 2 的回执，窗口滑到 {3,4}）。
- 定重传：窗口里的快递，没收到回执就重传（比如窗口 {2,3} 里，2 没回执就重传 2）。
移动规则：收到 “窗口内最老快递” 的回执（比如窗口 {2,3} 收到 2 的 ACK），窗口就向前滑 1 位，变成 {3,4}。

2. 接收窗口：收件人的 “可接收范围”

定义：接收方维护的愿意接收的快递序号集合（比如当前能收 2、3，接收窗口就是 {2,3}）。
作用：
- 防溢出：只收窗口内的快递，窗口外的拒收（比如窗口 {2,3}，收到 4 就拒收）。
- 保顺序：按序交付给上层（比如先收 3，暂存，等收到 2 再一起交）。
移动规则：按序收到窗口内最老的快递（比如窗口 {2,3} 收到 2），窗口向前滑 1 位，变成 {3,4}，并给发送方发 2 的 ACK。

3. 绝对重要：窗口大小与编号位数的关系（必算）

快递序号用 n 比特表示（比如 n=3，序号就是 0~7，共 8 个），为了避免 “把重送的旧快递当成新快递”，窗口大小必须满足一个核心公式： $W_T + W_R \leq 2^n$

推导两种协议的最大窗口（必背）

后退 N 帧（GBN）：
- 接收窗口 Wᵣ=1（只按序收，不暂存）。
- 代入公式：（比如 n=3 时，Wₜ最大 = 7）。
- 为什么？如果 Wₜ=8（ $2^3$ ），Wᵣ=1，加起来 = 9>8，接收方会分不清 “收到的 8 是新快递，还是重送的 0（序号循环）。
选择重传（SR）：
- 接收窗口 Wᵣ=Wₜ（要暂存多件，窗口和发送方一样大）。
- 代入公式：（比如 n=3 时，Wₜ最大 = 4）。
- 为什么？如果 n=3 时 Wₜ=5，Wᵣ=5，加起来 = 10>8，同样会混淆新旧快递。