TCP滑动窗口协议以及ARQ协议

一、核心背景与目的

背景： 网络传输可能会出现丢包、重复包、出错或乱序等问题。

目的： 通过在发送方和接收方维护"缓冲区"（Buffer），利用重传机制解决可靠性问题。

二、协议的演进过程

1. 问题一：如何保证次序？ 采用"发一个，等一个确认（Ack）"的模式。虽然保证了顺序和可靠性，但由于需要频繁等待，吞吐量极低。

2. 问题二：如何提高吞吐量？ 采用"批量发送"模式。一次发送多个包再统一等待确认，减少了等待时间，提高了效率。

3. 问题三：如何实现最优解？ 引入"滑动"的概念。不需要等一整批确认完才发下一批，而是只要收到最前面的一个确认，窗口就向后移动一位，立即发送下一个新包。这就是滑动窗口。

三、滑动窗口的实现机制

窗口缓冲区示例：

• 已发送并已确认（灰色）： 传输已完成的数据
• 已发送但未确认（黄色）： 数据已发出，正在等待接收方的 Ack
• 待发送（绿色）： 在窗口范围内，准备好随时可以发送的数据
• 未发送/未读入内存（白色）： 还在缓冲区外，尚未进入窗口的数据

窗口的大小（Window Size） 是固定的，它限制了发送方在收到确认之前可以发出的最大数据量。

不同传输场景下的表现

• 正常情况： 当发送方收到窗口最左侧包的确认后，窗口向右滑动一格，新的数据包进入窗口
• 丢包/丢失确认情况： 如果某个包的确认一直没收到，窗口就会卡住，无法向右滑动
• 超时重发： 超过一定时间仍未收到确认，发送方触发超时重传

四、ARQ 协议

ARQ（Automatic Repeat Request，自动重传请求）协议是数据传输中确保可靠性的机制，主要分为两大类：

1. 停止等待 ARQ 协议（Stop-and-Wait）

发送窗口和接收窗口大小均为 1。发送一个包后，必须等待接收方的确认后才能发送下一个。

特点：

• 优点：原理简单
• 缺点：等待时间长，高速链路下信道利用率极低

2. 连续 ARQ 协议（Continuous ARQ）

允许发送方连续发送一组数据包，无需等待每个包的单独确认。

A. 后退N帧 ARQ（Go-Back-N, GBN）

• 接收方： 一旦检测到丢包或出错，丢弃从第一个丢失包开始的所有后续包
• 发送方： 收到 NACK 或超时后，从指定包开始重传该包及之后的所有包

B. 选择重传 ARQ（Selective Repeat, SR）

• 发送方： 连续发送多个包，但为每个包维护独立的定时器
• 精准重传： 当某个包的 ACK 超时未收到时，只重传该丢失的包，而非整个序列

关键约束： 发送窗口大小（Ws）必须 ≤ 序号总数