计算机网络与通信技术-可靠传输和拥塞控制技术

# 1. 计算机网络基础概念

## 1.1 网络通信基本原理
在计算机网络中，信息的传输是通过网络通信实现的。网络通信基本原理涉及数据的传输、数据交换和数据传输的可靠性等方面。网络通信依赖于数据链路层和网络层的协议，通过这些协议实现对数据的封装、传输、路由和解包等功能。

通常情况下，网络通信基本原理包括以下几个方面：
- 数据的传输方式：包括单工传输、半双工传输和全双工传输。
- 数据交换方式：包括电路交换、报文交换和分组交换等。
- 数据传输的可靠性：包括检错、纠错和重传等技术，保证数据的可靠传输和正确接收。

了解网络通信的基本原理，有助于理解计算机网络的运作机制，为后续学习可靠传输和拥塞控制技术打下基础。

## 1.2 OSI参考模型和TCP/IP协议族
OSI参考模型和TCP/IP协议族是两种不同的网络通信参考模型，用于规范和实现计算机网络中的通信协议。

- OSI参考模型：由国际标准化组织（ISO）制定的开放式系统互连参考模型。它将计算机网络通信分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有特定的功能和协议规范。
- TCP/IP协议族：是实际互联网所采用的协议体系，由传输控制协议（TCP）和网络互联协议（IP）组成。TCP/IP协议族将网络通信分为四层，分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层。

了解OSI参考模型和TCP/IP协议族有助于理解网络通信中不同层次的功能划分和协议规范。

## 1.3 数据链路层和网络层的功能与特点
数据链路层和网络层是计算机网络中两个重要的通信层，它们分别负责网络通信中的数据链路和数据路由等功能。

- 数据链路层：主要负责将数据组装成帧、进行差错校验、数据的透明传输、流量控制、差错校正等功能。在OSI模型中属于第二层。
- 网络层：负责数据的路由和转发、寻址及分组报文的传输。在OSI模型中属于第三层。

了解数据链路层和网络层的功能和特点，有助于理解网络通信中数据传输的具体过程和功能划分。

# 2. 可靠传输技术

在计算机网络中，可靠传输是一种保证数据在不可靠的通信信道上能够正确、完整地传输的技术。本章将介绍可靠传输的基本概念和常用的协议。

#### 2.1 可靠传输的基本概念

可靠传输是指在数据传输过程中保证数据不丢失、不重复、无差错地到达接收方的一种传输方式。在不可靠的物理链路上进行数据传输时，由于通信错误可能导致数据包的丢失、错误以及乱序等问题，因此需要使用可靠传输技术来解决这些问题。

常用的可靠传输技术包括停止-等待协议和滑动窗口协议。

#### 2.2 停止-等待协议和滑动窗口协议

##### 2.2.1 停止-等待协议

停止-等待协议是最简单的可靠传输协议之一。发送方每次只发送一个数据包，然后等待接收方的确认。如果在一定时间内未收到确认，发送方将重新发送该数据包。

下面是一个使用Python语言实现的停止-等待协议的示例代码：

import socket

def stop_and_wait(data, dest_ip, dest_port):
    # 创建UDP套接字
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    # 设置套接字超时时间
    sock.settimeout(1)

    try:
        # 发送数据包
        sock.sendto(data, (dest_ip, dest_port))
        print("Data sent:", data)

        # 接收确认信息
        recv_data, server_addr = sock.recvfrom(1024)
        print("Received:", recv_data.decode())

        # 检查确认信息是否正确
        if recv_data.decode() == "ACK":
            print("Data successfully transmitted.")
        else:
            print("Error in transmission. Resending data...")
            stop_and_wait(data, dest_ip, dest_port)

    except socket.timeout:
        print("Timeout error. Resending data...")
        stop_and_wait(data, dest_ip, dest_port)

    finally:
        sock.close()

# 示例调用
data = b"Hello, World!"
dest_ip = "192.168.0.100"
dest_port = 8000
stop_and_wait(data, dest_ip, dest_port)

##### 2.2.2 滑动窗口协议

滑动窗口协议是一种基于窗口的可靠传输协议。发送方和接收方分别维护一个发送窗口和接收窗口，用于控制发送和接收的数据包数量。

在滑动窗口协议中，发送方每次发送一个窗口大小的数据包，并等待接收方的确认。一旦接收到确认，发送方将发送窗口向前滑动一个位置，继续发送下一批数据包。

下面是一个使用Java语言实现的滑动窗口协议的示例代码：

import java.io.*;
import java.net.*;

public class SlidingWindowProtocol {
    private static final int WINDOW_SIZE = 5;

    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramSocket senderSocket = new DatagramSocket();
                DatagramSocket receiverSocket = new DatagramSocket(8000)) {
            InetAddress receiverAddress = InetAddress.getByName("192.168.0.100");

            // 发送数据包
            for (int packetNumber = 0; packetNumber < 20; packetNumber++) {
                byte[] sendData = ("Data Packet " + packetNumber).getBytes();
                DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, receiverAddress, 8000);
                senderSocket.send(sendPacket