三种ARQ协议对比

考情分析

三种 ARQ 协议的对比是 408 的经典考点，选择题和大题都会出。常见考法包括：给一张对比表填空、给定序号位数求各协议的窗口大小、给定链路参数求信道利用率、分析某场景下各协议的重传帧数。

考频：★★★★

三种协议全面对比

对比项	停止-等待	GBN（后退N帧）	SR（选择重传）
发送窗口 $W_{T}$	1	$\leq 2^{n} - 1$	$\leq 2^{n - 1}$
接收窗口 $W_{R}$	1	1	$= W_{T} \leq 2^{n - 1}$
确认方式	逐帧确认	累积确认	逐个确认
重传策略	重传当前帧	回退到出错帧，重传该帧及后续所有帧	只重传出错帧
序号位数 $n$	1	$n$ （ $W_{T} \leq 2^{n} - 1$ ）	$n$ （ $W_{T} \leq 2^{n - 1}$ ）
接收方对乱序帧	不存在乱序问题	丢弃	缓存
接收方缓冲区	不需要	不需要	需要（缓存乱序帧）
实现复杂度	低	中	高
信道利用率	低	中~高	高

窗口大小数值对比

给定序号位数 $n$ ，各协议的窗口大小：

$n$	序号范围	停等 $W_{T}$	GBN 最大 $W_{T}$	SR 最大 $W_{T} = W_{R}$
1	0~1	1	1	1
2	0~3	1	3	2
3	0~7	1	7	4
4	0~15	1	15	8

窗口约束条件的统一理解

三种协议的窗口约束本质上都是为了避免序号重叠导致新旧帧混淆：

停止-等待： $W_{T} = 1$ ，天然不会混淆
GBN： $W_{T} + W_{R} \leq 2^{n}$ ， $W_{R} = 1$ ，所以 $W_{T} \leq 2^{n} - 1$
SR： $W_{T} + W_{R} \leq 2^{n}$ ， $W_{T} = W_{R}$ ，所以 $W_{T} \leq 2^{n - 1}$

统一公式： $W_{T} + W_{R} \leq 2^{n}$

信道利用率

通用公式

设 $T_{f}$ 为发帧时间， $τ$ 为单程传播时延， $a = τ / T_{f}$ ， $W$ 为发送窗口大小。忽略 ACK 发送时间和处理时间。

U = {\begin{cases} \frac{W}{1 + 2 a} & 当 W < 1 + 2 a \\ 1 & 当 W \geq 1 + 2 a \end{cases}

当 $W = 1$ 时退化为停止-等待的公式 $U = \frac{1}{1 + 2 a}$ 。

三种协议的利用率对比

协议	信道利用率	条件
停止-等待	$\frac{1}{1 + 2 a}$	固定 $W = 1$
GBN	$\frac{W_{T}}{1 + 2 a}$ （ $W_{T} < 1 + 2 a$ ）	$W_{T} \leq 2^{n} - 1$
SR	$\frac{W_{T}}{1 + 2 a}$ （ $W_{T} < 1 + 2 a$ ）	$W_{T} \leq 2^{n - 1}$

GBN 和 SR 的信道利用率公式相同，区别在于 $W_{T}$ 的最大值不同。

计算例题

已知： 数据率 = 2 Mbps，帧长 = 1000 bit，单程传播时延 = 250 ms，序号位数 $n = 4$ 。分别求三种协议的信道利用率。

基础参数：

T_{f} = \frac{1000}{2 \times 10^{6}} = 0.5 ms

a = \frac{250}{0.5} = 500

1 + 2 a = 1001

停止-等待：

U = \frac{1}{1001} \approx 0.1 %

GBN： $W_{T} = 2^{4} - 1 = 15$

U = \frac{15}{1001} \approx 1.5 %

SR： $W_{T} = 2^{3} = 8$

U = \frac{8}{1001} \approx 0.8 %

这个例子说明：在高时延链路上，即使用了滑动窗口协议，如果窗口太小（远小于 $1 + 2 a$ ），利用率依然很低。

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如何选择协议

场景	推荐协议	理由
低速短距离、实现简单优先	停止-等待	实现最简单，效率够用
误码率低、链路质量好	GBN	实现比 SR 简单，重传代价不大
误码率高、带宽珍贵	SR	只重传出错帧，带宽浪费最少
卫星链路、高时延	SR + 大窗口	传播时延大，需要大窗口和精确重传

疑难点

数据链路层的流量控制和传输层的流量控制有什么区别？

两层都做流量控制，但作用范围不同。数据链路层的滑动窗口控制的是相邻两个节点之间的帧传输速率，窗口大小通常固定。传输层（TCP）的滑动窗口控制的是端到端的数据传输速率，窗口大小动态调整——受接收窗口（rwnd）和拥塞窗口（cwnd）共同决定，取两者最小值。

数据链路层的可靠传输和传输层的可靠传输有什么区别？

数据链路层在每一跳保证帧的正确交付（检错+重传），传输层在端到端保证报文段的正确交付。两者互不替代——即使每一跳都可靠，路由器内部仍可能丢包（比如缓冲区溢出），这部分不在数据链路层的管辖范围内，所以端到端的可靠传输仍然必要。

易错点

1. GBN 和 SR 的利用率公式形式相同，但窗口上限不同

不能因为公式形式一样就认为两者利用率相同。同样 $n = 3$ ，GBN 最多用 $W_{T} = 7$ ，SR 最多用 $W_{T} = 4$ ，GBN 的利用率上限更高。但 GBN 在出错时的有效利用率会因为大量重传而降低。

2. 信道利用率不能超过 1

当 $W \geq 1 + 2 a$ 时， $U = 1$ ，不是 $\frac{W}{1 + 2 a}$ 。公式是分段的，不要机械套用。

3. "信道利用率"和"有效吞吐率"的区别

信道利用率 $U$ 是理想情况（不出错）。如果考虑出错和重传，有效吞吐率会更低。题目如果说"假设不考虑差错"，用 $U$ 即可；如果考虑误码率 $p$ ，有效利用率还要乘以 $(1 - p)$ 的某个因子。

4. 别忘了 ACK 传输时间

很多题目会说"忽略 ACK 传输时间"或"ACK 帧长度可忽略"，这时候分母就是 $T_{f} + R T T$ 。但如果题目给了 ACK 的长度，分母要加上 ACK 的发送时间。

高频考点清单

三种协议的对比表（窗口大小、确认方式、重传策略）
$W_{T} + W_{R} \leq 2^{n}$ 的统一约束
给定 $n$ ，求各协议的最大窗口
信道利用率公式及其分段条件
给定链路参数，计算三种协议的利用率
分析同一丢帧场景下，三种协议各自需要重传的帧

交互体验

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真题练习

三种滑动窗口协议信道利用率比较：停等最低，GBN 最高

滑动窗口对比停等协议 GBN协议 SR协议

滑动窗口协议约束：发送窗口+接收窗口≤2ⁿ

滑动窗口对比

GBN 协议综合题：双向传输时的信道利用率与捎带确认

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滑动窗口协议帧序号位数：与发送窗口大小和传播时延有关

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