重要的事情说三遍:ARQ协议

最近我遇到一个难题,我在阿里云买了一台服务器,用它搭建了一个“获取全世界互联网信息的服务”。我家用的是电信宽带,使用起来非常流畅,但是莫名其妙的是,在公司就不能很好地运作。公司用的也是电信的宽带服务,是写字楼园区专供的企业电信宽带服务。

跟公司的 IT 抱怨很久,他们也没法解决,说我对服务器发出的请求,是从离开公司端口后开始丢包的,只能去投诉运营商,这个借口真好,原因是什么也没法查,解决当然也无法解决啦,好,不去管这些烦心事情了。

后来我同事告诉我一个神奇的工具,以及解决方案,终于曲线救国了。我把阿里云服务器上的服务,桥接到我家里,然后在公司的时候,我就连接到我自己家里的服务器。为了保持家里和阿里云的可靠连接,我需要搭建一条可靠的隧道。这里就用到了一种ARQ协议。我以前不知道什么是ARQ,今天看了一下维基百科,觉得还是很有意思的,本文就介绍一下什么是ARQ。

要记住:重要的事情说三遍

的全称是 Automatic Repeat reQuest,不要问我为什么选择这三个大写字母,我也觉得选择很奇怪,估计大写缩写有一定的规则吧,我并不了解。但是从字面意义上看,就是说,把请求自动再发一次。就好像,你跟别人说话,那人没听到,你就再说一遍,一直到他听到为止,这就好像是我们开玩笑的:重要的事情说三遍一样。只是一个比喻。

从这个名字里,我们可以了解到另外一件事情,ARQ 虽然被称为是一种协议,但是定义里看更像一种策略,或者一种解决方案建议,具体怎么去实现,还是有多种办法的,也有很多的变体,后面会说到这个问题。

ARQ,也可以是 Automatic Repeat Query 的缩写,是一种在数据传输时,使用确认(Acknoledgements,就是我们常说的ACK,接收方发送一个消息,告诉发送方,自己是否正确接到了一个包体)和超时(Timeouts,在收到一个确认消息之前,等待的一个确定的时间段)机制,在不可靠的网络上,实现可靠的数据传输的错误控制方法。如果发送方在超时之前没有收到确认,通常会重新传输相应的包体,直到收到确认或者重试超过一定的次数。

维基百科 Automatic Repeat Request
祭出此图:ARQ 一般在数据链路(Data Link)和传输(Transport)层实现

ARQ 的常见策略

ARQ 协议有很多种常见的策略:

  • 停止并等待 ARQ(Stop-and-wait ARQ):这是最为简陋的一种ARQ实现方式,用于远程通信的两端,保证消息传送没有缺失和按序到达。一句话概括这种策略,就是每说一句话,都要等到确认才说第二句,否则就一直重复上一句。很显然,这种方式就是串行发送消息帧,而且要等待确认才继续,一帧内容传送就要最短等待一个往返消耗的时间,有时候还要加上超时,所以效率非常低下,速度也非常慢,实现起来很简单。这种协议很容易出问题,比如,接收方的确认消息丢失了,或者确认太慢了,导致了发送方等待过久,发送方就会重发,结果接收方就收到两个一样的帧,这时候,接收方就没法确认,到底是上一帧重复了,还是又来了一个新的帧。发送方也可能会收到两个确认,无法识别是重复确认同一帧还是不同。于是,这种协议会在头里加上一个比特(bit)的序号,取值只有 0 或者 1,接收方收到的时候,是按照 010101…… 这样的交错顺序的,否则就是重复帧,简单丢弃就可以了,发送方收到的确认也带序号,采用同样策略处理。所以,这种 ARQ 也叫做“翻转比特协议”(alternating bit );
  • 后退N帧 ARQ(Go-Back-N ARQ):这种协议相对上面一种来说,其实利用了统筹的思想,这种策略下,发送方在等待超时的间歇,可以继续发送数据帧,可以连续发出的帧数量,叫窗口大小,显然窗口大小的设定和超时时间,数据传输速度匹配,是比较优化的选择。同样,所有发送的帧,都要带有序号,接收方严格按照序号收纳数据帧,先收 1,再收 2,如果这时候 3 丢了,来了一个 4,那么接收方会丢弃。同时,接收方每收到一个帧,都要确认一个序号,就是自己收到的有效的最大序号,在这个例子里,接收方一直确认 2。发送方在发完一个窗口所有的帧以后,检查最大的有效确认,然后从最大的有效确认后面一个开始重发,比如上面的例子里,发送方已经发到 8 了,但是因为最大的有效确认只有 2,那么必须从 3 开始重新发送。其实,TCP 协议,使用的就是这种 ARQ 策略(变体)。从这个机制的原理可以看出来,这个协议的特点,有一个滑动窗口,但是这个窗口只对发送方来说存在,接收方只是一帧一帧处理数据,所以,仍然存在很多的浪费,一些信息会反复发送多次。如果把收到的不想要的帧,先缓存起来,说不定将来会用到,就可以提高效率,这就引出了另一种策略;
  • 选择性重发/拒绝 ARQ (Selective Repeat/Reject ARQ):其实理解了上一种,这种就很容易了,就是把收到的非预期帧缓存起来,然后告诉发送方自己缺哪一帧,服务器不会连续重发,而只发送接收方缺失的帧,如果接收方续上了编号,就快速向前跳动编号,这样极大减少了数据的重复发送,提高了效率。
回退N帧 ARQ(a)和 选择性重发 ARQ(b)的原理图

总结

ARQ 是一种在数据传输过程中,错误控制的策略,保证了数据的完整性和顺序性。核心目的是在不可靠的网络上实现可靠的数据传输。比如,在短波无线电传输,GSM 网络,电报等领域都有很广泛的应用。在当今因为各种原因导致的复杂互联网环境上,某些点对点传输的服务,也变得不那么可靠,可以考虑引入 ARQ 策略。

在服务器端开发方面,ARQ 的思想,也可以给我们在服务实现时候,很多的启发。此外,这种策略的学习和理解,也是理解更复杂的网络协议的基础。

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