📖 3.2.3 (2) 可靠传输的实现机制 - 停止-等待协议（SW）

🎯 课程摘要：本节课介绍最简单的可靠传输实现机制——停止-等待协议（Stop-and-Wait, SW）。发送方每发送一个数据分组就停止等待接收方的确认（ACK），通过确认/否认、超时重传、分组编号三种机制在不可靠信道上实现可靠传输。重点包括协议工作过程、序号方案、RTO 设置以及信道利用率分析。

📝 详细笔记

1. 基本实现原理

概念定义：停止-等待协议（SW）是指发送方每发送完一个数据分组就停止发送，等待接收方的确认分组（ACK）后才能发送下一个数据分组。
原理解析：
- 发送方发送一个数据分组 → 接收方差错检测 → 无误码则接受并发送确认分组 ACK → 发送方收到 ACK 后发送下一个分组。
- 发送方每发送一个数据分组后，不能立即从发送缓存中删除该分组，因为可能需要重传；只有收到针对该分组的 ACK 后才能删除。

2. 三大核心机制

机制一：确认、否认与重传

接收方检测出误码 → 丢弃数据分组 → 发送否认分组 NAK → 发送方重传该数据分组。
局限：若数据分组、ACK 或 NAK 丢失，仅有确认/否认/重传无法实现可靠传输。

机制二：超时重传

发送方每发送完一个数据分组就启动一个超时计时器。
若到了**超时重传时间 RTO（Retransmission Time-Out）**仍未收到 ACK 或 NAK，就重传已发送的数据分组。
RTO 设置原则：一般将 RTO 设置为略大于收发双方之间的平均往返时间 RTT（Round-Trip Time）。
- 数据链路层点对点：RTT 比较固定，RTO 容易设定。
- 运输层端到端：RTT 非常不确定，设定合适 RTO 并不容易。

机制三：分组编号（序号）

为什么需要序号：ACK 丢失会导致发送方超时重传，接收方收到两个相同数据分组 → 分组重复。为避免分组重复，必须给每个分组带上序号（sequence number）。
数据分组序号：SW 协议每发送完一个分组就停止等待，只要新分组序号与上一个不同即可，因此用 1 个比特编号就够了（序号 0 和 1）。
- 接收方连续收到序号相同的数据分组 → 识别为重复 → 丢弃重复分组，并向发送方再发送一个 ACK。
确认分组序号：ACK 也需要编号，所用比特数与数据分组相同（1 比特）。
- 若不编号：ACK 迟到导致发送方超时重传 0 号分组后，又收到迟到的 0 号 ACK，发送方会将其误认为是对 1 号分组的确认 → 出错。
- 编号后：发送方可知是对 0 号的重复确认，忽略即可。
⚠️ 重点/考点：
- 数据链路层一般不会出现 ACK 迟到的情况，因此数据链路层实现 SW 协议可以不给 ACK 编号。
- 使用超时重传机制后，可以不使用否认（NAK）机制，使协议更简单。但点对点链路误码率较高时，使用 NAK 可在超时前尽快重传。

3. 协议交互过程（Mermaid 时序图）

场景一：正常发送（无差错）

场景二：数据分组出现误码

场景三：数据分组丢失（超时重传）

场景四：确认分组丢失（超时重传 + 序号防重复）

场景五：确认分组迟到（序号防混淆）

4. 自动请求重传 ARQ

概念定义：停止-等待协议属于**自动请求重传 ARQ（Automatic Repeat reQuest）**协议，即重传请求由发送方自动进行，而非接收方请求发送方重传某个序号的数据分组。

5. 信道利用率分析

参数定义：
- T_D：发送方发送数据分组所耗费的发送时延。
- RTT：信号在收发双方之间往返传播所耗费的时间。
- T_A：接收方发送确认分组所耗费的发送时延（一般远小于 T_D，可忽略）。
信道利用率 U 计算公式：

U = T_D / (T_D + RTT + T_A)

分析：
- 当 RTT ≫ T_D（如地球同步卫星链路）：数据分组很小、发送速率很大时，信道利用率很低 → 不适合用 SW 协议。
- 当 RTT ≪ T_D（如无线局域网）：信道利用率较高。
- 若出现超时重传，信道利用率还要进一步降低。
⚠️ 重点/考点：RTT 相对较大时，为提高信道利用率应改用回退 N 帧协议或选择重传协议。

6. 408 考研真题示例

题目类型：给定主机甲、乙间采用 SW 协议，忽略确认帧发送时延，求使信道利用率达某值时的数据帧长度 X。
解题思路：
- 信道利用率 U = T_D / (T_D + RTT + T_A)，其中 T_A 忽略。
- 设数据帧长度为 X 比特，代入发送速率求 T_D = X / 发送速率。
- 代入已知量求解 X。
答案示例：X = 800 比特（选项 D）。

💡 核心总结

SW 协议：发送窗口 = 1，接收窗口 = 1，每发一个分组就停止等待。
三大机制：确认/否认/重传 → 超时重传 → 分组编号（数据分组与 ACK 各用 1 比特编号）。
RTO 应略大于 RTT；使用超时重传后可省去 NAK。
信道利用率 U = T_D / (T_D + RTT + T_A)，RTT 大时利用率低，应改用 GBN 或 SR。

❓ 课后思考 / 经典考题

停止-等待协议为什么只需要 1 比特给数据分组编号？能否用更多比特？
确认分组是否必须编号？在数据链路层和运输层有何不同？
为什么使用超时重传后可以不使用否认（NAK）机制？
已知发送速率、单向传播时延、忽略确认帧发送时延，求使 SW 协议信道利用率达到 50% 的数据帧长度。