（计算机应用技术专业论文）ieee80216e中arq机制的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 捅要 无线通信领域新技术的迅速涌现，大大提高了无线通信系统的数据传输速 率和通信的可靠性，扩展了系统功能以及扩大了应用领域和服务范围。然而， 无线信道的不稳定特性不可避免地导致通信系统在数据传输过程中出现差错。 另一方面，多媒体业务的出现对网络可靠性和数据传输率提出了新的要求。作 为一种具有较高性能的差错控制技术，自动重传请求a r q ( a u t o m a t i er e p e a t r e q u e s t ) 被广泛采用。在迅速发展的无线移动通信系统中，传输速率的大幅提 高将使得高效的a r q 成为数据链路层非常重要的技术。 现有a r q 技术已经可以很好地解决有线网络( 如以太网) 上的数据传输 问题，但是对于无线网络并没有一个很理想的解决方案，其最大的难点主要在 于无线链路上传输数据比有线网络上的具有更大的时延和更高的误比特率。现 在的a r q 技术基本都是通过对某一种反馈机制进行改进。虽然经过改进的 a r q 技术能够提高传输效率，但是无线网络数据传输质量的不确定性，使得 仅用一种a r q 技术并不能够很好地提供实时差错控制。本文提出了一种反馈 方式选择算法，有效地提高了网络资源的使用效率。 本文介绍了i e e e 8 0 2 1 6 标准的相关知识以及i e e e 8 0 2 1 6 标准规定的 a r q 机制的具体方案。在此基础上，以i e e e8 0 2 1 6 e 协议为框架，实现了i e e e 8 0 2 1 6 e 规定的a r q 机制。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准没有规定实现a r q 的具体方法， 因此本文在实现a r q 机制的同时，设计了数据收发处理方案、反馈方式选择 及处理方案。在l i n u x 2 6 内核态环境和p i c o c h i p h d p 硬件平台上对a r q 系统 的功能进行了详尽测试。测试结果表明a r q 机制以及本论文提出的算法能够 有效地提高网络性能。 关键词：自动重传请求，i e e e 8 0 2 1 6 ，w i m a x ，反馈方式选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - _ 一i i|r _i i i - - a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sh a so n l yi m p r o v e d a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n dr e l i a b i l i t ya n de n h a n c et h es y s t e mf u n c t i o n s ，b u ta l s o e x p a n da p p l i c a t i o na n ds e r v i c ea r e a h o w e v e r ，t h ei n s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e li n e v i t a b l yl c a d st od a t at r a n s m i s s i o ne r r o r s o nt h eo t h e rh a n d n e wm u l t i m e d i as e r v i c e ss e tf o r t hm o r er e q u i r e m e n t sf o rn e t w o r kr e l i a b i l i t ya n d d a t at r a n s m i s s i o nr a t e a sah i 曲p e r f o r m a n c ee r r o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ( a r q ) h a sb e e nw i d e l yu s e da n dn o w i th a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h ed a t al i n kl a y e ro fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h o u g ha r qc a ns o l v et h ew i r e dn e t w o r k ( e g e t h e m e t ) d a t at r a n s m i s s i o n p r o b l e m sw e l l ，b e c a u s ew i r e l e s sl i n kh a sag r e a t e rd e l a ya n dh i g h e rb i te r r o rr a t e t h a nc a b l en e t w o r k s ，p e r f e c ts o l u t i o n sf o rw i r e l e s sn e t w o r kh a v en o to c c u r r e du pt o n o w m o s to ft h ee x i s t i n gi m p r o v e m e n t so fa r qt e c h n i q u e sa lef e e d b a c k b a s e d m e c h a n i s m a l t h o u g ht h ei m p r o v e da r qt e c h n o l o g yc a ne n h a n c et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y ，u n c e r t a i nd a t at r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fw i f e l e s sn e t w o r k sm a k e so n l yo n e l 【i i l do fa r qf e e d b a c kt e c h n o l o g i e si sn o ta b l et op r o v i d ep e r f e c tr e a l - t i m ee r r o r c o n t r 0 1 t 1 1 i st h e s i sp r e s e n t san e wf e e d b a c ka l g o r i t h mw h i c hc a l l i m p r o v et h e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fc u r r e n tn e t w o r kr e s o u r c e s t m st h e s i si n t r o d u c e st h ei e e e 8 0 2 16s t a n d a r d s d i s c u s s e st h e a r q m e c h a n i s ma n dp r o v i d e st h er e a l i s t i ci m p l e m e n t i o n b e c a u s ea r qi ni e e e 8 0 2 16 e s t a n d a r dd o e sn o tr e q u i r es p e c i f i cm e t h o d s ，w ed e s i g nt h ed a t at r a n s m i s s i o n r e c e p t i o na p p r o a c ha sw e l la st h ef e e d b a c ko p t i o n s t h ea r qs u b s y s t e mi sb a s e d o nl i n u xk e r n e lv 2 6a n dp i c o c h i p h d ph a r d w a r ep l a t f o r m t h et e s t ss h o wt h a tt h e n e wa l g o r i t h ma n da r qm e c h a n i s mc a ni n c r e a s er e s o u r c eu t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：a r q ，i e e e 8 0 2 16 ，w i m a x ，f e e d b a c kt y p es e l e c t i o n 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； | 2 不保密d ，适用本授权书。 学位论文作者签名：薅毅赋 指导教师签名： 日期：劲0 1 7 q i 日期：加7 。铲7 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 l 、i e e e 8 0 2 1 6 e 中规定了a r q 需遵循的数据处理流程、数据接收流程， 没有定义相应的反馈消息的构造、解析流程。本论文设计并实现了反馈消息的 构造、解析流程。针对本论文提出的a r q 子系统，设计并实现了对a c k 、 n a k 消息的处理流程。 2 、针对i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中提出的反馈类型，设计了一种新的反馈选择 算法，通过反馈信息队列参数计算出选择阈值。该算法能够在恒定时间内选择 出最佳的反馈类型，降低网络资源的消耗，并在作者设计的a r q 子系统中使 用了该算法，显著提高了系统性能。 瓤箴斌 p o1 q 1 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章引言 1 1 本文研究背景 无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术 的快速发展，通信技术宽带化、口化和无线化成为未来的发展趋势。宽带无线 接入技术日益走向成熟和完善，标准化工作也得到了足够的重视并取得积极的 进展。各种宽带无线接入技术的定位大多不同，例如w i m a x 技术属于无线城 域网的范围；而w i f i 则属于无线局域网的范围。以i e e e 8 0 2 1 6 系列标准为 基础的宽带无线接入技术，逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点。其覆 盖范围大、传输速率高、为用户提供更灵活、更经济、更高效的组网方式、具 有较完备的q o s 机制，为宽带数据接入提供了新的解决方案。 无线信道的不稳定性导致通信系统在数据传输过程中出现差错。同时，多 媒体业务的出现对网络可靠性和数据传输率提出了新的要求。无线通信网络必 须保证业务流的质量，保证数据的可靠传输。为保证数据的正确传输，大多系 统采用了差错控制技术，利用编码方式实现差错控制的方法主要有两类：自动 重复请求a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ，即接收方发现差错时，以某种方式 通知发送方重发，直至收到正确数据为止；前向纠错f e c ( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) ，即接收方不但能发现差错，而且能纠正确错误。相比于f e c ，a r q 的错误检测需求要比采用解码的方式简单。a r q 通过不同的方式发送反馈消 息，对发生错误的信息进行重传，从而提高数据传输的可靠性。 和有线网络相比，无线网络中的数据传输更容易受到物理环境的影响。在 无线通信系统传输数据时，随着相对环境的改变，网络状况也在发生变化，这 势必影响到数据收发的质量。无线网络应针对不同的丢包情况，而采用不同的 a r q 反馈机制，从而提高数据传输效率。如何构造这种自适应a r q 反馈选择 算法，是本论文的研究内容之一。 本课题来源于中国科学院计算技术研究所的“宽带无线城域网络多媒体实 时通信系统”项目。论文根据i e e e8 0 2 1 6 e 协议，研究a r q 机制，通过对 a r q 机制的研究和改进，提高网络性能。i e e e8 0 2 1 6 e 是i e e e8 0 2 1 6 标准的 一个后续版本。i e e e8 0 2 1 6 e 增加了对移动性的支持，因而对数据传输的可靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性有了更高的要求。2 0 0 7 年，w i m a x 成为3 g 标准之一，更使基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的研究、开发和实现具有广泛的市场前景。 1 2 国内外研究现状 a r q 通过接收方请求发送方重传出错的数据报文来恢复出错的报文，是通 信系统中用于处理信道所带来差错的方法之一。传统自动重传请求分成为三 种，即停等式( s t o p a n d w a i t ) a r q ，回退n 帧( g o b a c k n ) a r q ，以及选择 性重传( s e l e c t i v er e p e a t ) a r q j 。 三者的区别在于对出错数据报文的处理机制有所不同。s l i z l 等论述了这3 种a r q 类型的优劣，并且分析了无差错反馈时的吞吐量【2 】。3 种a r q 方案中， 选择性重传a r q 具有较好的吞吐量。m z o r z i 等分析了在反馈不可靠条件下的 马尔可夫信道中选择重传a r q 的性甜3 1 。为了获得较高的数据吞吐量，提高重 传效率，许多学者对选择重传a r q 进行了改进。r c a n 【4 】研究了在反馈错误条 件下的三种a r q 吞吐量性能以及具有延迟重传的a r q 的性能。1 9 9 8 年，a o h t a 提出了基于回退n 帧的部分选择重发a r q 【5 】，该算法的传输特性优于回退n 帧 a r q ，但比理想的选择重传a r q 差。b f a n 等【6 j 提出了一种选择重传a r q 的自 适应重传方案。h “等【_ 7 】提出了部分位图选择重传a r q ，通过每次只对接收窗 口内包含有错误数据的部分进行确认，重传效率可等同于选择重发a r q ，优化 了确认开销，减少了延迟，算法简单有效，更适合在高速无线网络环境下使用。 y d y 幻【s 】比较了传统反馈a r q 机制和基于否定反馈a r q 机制的性能。 2 0 0 2 年，l z h a n g 等【9 】所提出的多拒绝a r q ( m d t i p l e - r e j e c t a r q ) ，则通过 一次性对多个数据包进行确认来提高确认效率，实验表明该方法降低了用于确 认的包数量，但需要增加滑动窗口的大小。m r o s s i 等【lo 】对无线信道中的选择 重传a r q 进行了性能评估，考虑了包有序和包无序的情况。杨涛等【l l j 给出了 一种在无线不可靠信道条件下根据传输性能要求自适应回传应答确认算法。高 明声等【1 2 】提出了一种在慢瑞利衰落信道下具有良好吞吐量的a r q 方法。2 0 0 7 年，杨英等 1 3 】提出了一种瑞利衰落信道下的自适应选择重传a r q 算法，该算 法根据理想自适应选择重传a r q 的吞吐量表达式优化分组长度来获得最佳参 数值。r r a z a v i 等【1 4 】对比了各种a r q 超时控制机制，并对传统的a r q 机制进行 了改进。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i e e e8 0 2 16 标准又称w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) ，即全球微波接入互操作性。w i m a x 是一项新兴的无线通信技术， 能提供面向互联网的高速连接。近年来，全球w i m a x 部署需求持续高涨。 i e e e 8 0 2 1 6 系列标准作为无线城域网的标准，成为有线网络以及将来的3 g 网络 的补充，w i m a x 在中距离传输、高速宽带接入及多媒体无线通信方面具有较 大的优势。 i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的提出，弥补了i e e e 在无线城域网标准上的空白。 i e e e 8 0 2 1 6 标准规定的无线系统主要应用于城域网。 “为了促进和推动全球w i m a x 部署，2 0 0 1 年4 月，由i n t e l 、f u j i s t u 和n o k i a 等公司发起并建立了w i m a x 论坛。宗旨在于推动w i m a x 的全球发展和产业化 应用”【l5 1 。目前，w i m a x 论坛成员包括了微软、中兴、华为和三星等著名的 设备厂商、服务提供商以及系统集成商和科研机构。自i e e e8 0 2 1 6 a 开始，标 准在链路层引入t a r q 机制，以减少到达网络层的信息差错，提高频谱效率和 系统吞吐量。 i e e e 8 0 2 1 6 具有深远影响的标准有两个：固定宽代无线接入标准 i e e e 8 0 2 1 6 d 和支持移动特性的宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 e 。随着无线多媒 体通信技术的发展，a r q 也得到了广泛的应用。很多学者对a r q 机制都进行 了研究和改进【1 6 】1 3 2 1 。2 0 0 6 年，m s k a n g 等a t 3 3 k 针对i e e e 8 0 2 1 6 d 提出的四种 a r q 反馈方法进行了可靠反馈的性能分析，提供了不同数据传输信道条件下反 馈方法的选择参考。a s a y e n k o 等3 4 j 也针对i e e e 8 0 2 1 6 的a r q 机制进行了仿真 分析。2 0 0 8 年，a s a y e n k o 等对i e e e 8 0 2 16 中的h a r q 和a r q 作了性能比较p 5 l ， a r q 在对称信道中具有一定的优势。张燕f 3 6 】提出了一种在n s 2 仿真环境下的 a r q 简易模型，但没有对a r q 的性能进行分析。v t y l d a o m y r o v 和a s a y e n k o 也 作t a r q 的参数设置对系统性能影响的仿真，以及h r q 反馈强度对系统的影 响 3 7 】- 【3 8 1 。a s a y e n k o 针对基站端i 拘a r q 资源分配作了研究，为a r q 块大小、滑 动窗口以及块编排提出了分配规则【3 9 】。i e e e8 0 2 1 6 只规定t a r q 的反馈方式， 即只规定了使用哪些反馈方式的机制，而没有定义使用这些反馈方式的策略。 同时，i e e e 8 0 2 1 6 并没有规定如何实现这些机制。本文的主要工作是在掌握 8 0 2 1 6 e 协议中a r q 的基础上，设计和实现8 0 2 1 6 e 定义的a r q 的所有功能，设 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 计一种a r q 反馈机制选择算法并对算法进行性能分析。 1 3 论文组织结构 本文首先陈述了课题研究背景和研究意义，分析近年a r q 技术的研究现 状，并选择实现i e e e 8 0 2 1 6 e 中的a r q 机制。 第2 章综合介绍了a r q 技术及传统的a r q 技术，介绍了i e e e 8 0 2 1 6 标 准的概况和发展现状。 第3 章分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 中的a r q 机制。详细描述了本论文提出的a r q 子系统设计方案。 第4 章对a r q 子系统的实现进行了完整说明。本章还介绍了作者提出的 反馈消息生成以及解析等i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中没有规定的方案。 第5 章提出了一个新的反馈类型选择算法用于实时选择恰当的反馈类型， 并对其做了数学推导和仿真模型。 第6 章对a r q 子系统进行测试以及测试结果的说明。 最后是对本文工作的总结和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章a r q 和i e e e s 0 2 1 6 e 标准 2 1a r q 简介 a r q ( a u t o m a i t er e p e a tr e q u e s t ) ，即自动重传请求，是一种保证具有包 数据格式的媒体信息在链路端到端之间进行正确传递的网络协议【4 0 1 。它通过对 丢失或错误信息进行重传达到提高传输可靠性的目的。目前，a r q 主要应用 在链路层。上层协议栈的数据包由a r q 发送方分成若干帧后发送。发送数据 时，a r q 利用反馈和计时等方法，发现传输中丢失的帧并自动重传相应的帧。 重传的帧在发送时具有更高的优先级，这样可避免造成更多的帧的重传。接收 方链路层将数据帧进行重排、组合并交给上层。对上层软件或者用户来说，数 据帧的重传是透明的【4 。a r q 可以向高层提供可靠的链路传输服务，但其在 提高可靠性的同时付出的代价是增加了链路时延。尤其当重传次数较多时， a r q 会产生长而可变的时延。 数据发送方为发送的数据帧启动定时器。如果在规定时间内，还没有收到 来自接收方对该数据帧的应答，发送方需要重新发送该数据帧，从而确保数据 接收的可靠性。如果在规定时间内，收到了应答，则取消定时器。在数据接收 过程中，如果收到了一个数据帧，则发送一个应答给发送方，通知发送方该数 据帧已经接收。通常一个数据包划分成若干数据帧，如果所有数据帧都接收到， 则直接合并为一个完整的数据包递交给上层协议栈。发送方会重传所有未接到 应答的数据帧。由于应答采用什么样的方式发送，取决于使用的反馈方式。如 果采用选择重传方式，则会将一定范围内未接收到的数据帧也通知给发送方。 由于发送方会重发规定时间内未收到应答的数据帧，因此，需要区分第一 次发送的数据帧和重新发送的。a r q 采取了为数据帧编号的方法，为每个数 据帧都标号。为了提高网络性能，可采用滑动窗口机制，对窗口内的数据进行 发送和接收。 a r q 机制主要有三种基本方式：停等式a r q ，回退n 帧a r q ，以及选 择性重a r q 。停等式a r q 发送方一次发送一帧，然后等待对方确认。发送方 在数据发送时启动定时器，该定时器的设置应参考数据的传播时间与处理时 间。一般来说，至少等于数据在发送方到接收方的传播时间加上处理时间的两 西霞支通大学硕士研究生学位论文第6 页 倍。当发送方在超时前收到该帧的确认帧，表示本次发送成功，继续发送下一 个数据帧，并启动对应的定时器。如果定时器超时或收到数据出错的否定确认 则重发此帧，同时重置定时器。停等式a r q 需要停下来等待确认帧，当确认 帧返回后才能继续发送。在数据帧发送的过程中，整个系统处于空闲状态，这 样必然导致信道利用率降低。回退n 帧a r q 连续发送多个数据帧。当发送方 收到对某数据帧的确认帧后，回退n 帧a r q 认为缓冲存储空间中该数据帧以 及前面没有确认的帧都接收到了，并将缓冲空间中的这些数据帧全部删掉。当 发送方收到对某个数据帧的未确认帧时，则需要退回原来最后一个收到确认帧 的位置，重新开始发送数据帧。如果传输环境好，很少出现差错，回退n 帧 a r q 能够实现较高的传输效率。但如果传输质量不好，经常出现差错或丢帧， 则会降低传输效率。相对于前面两种a r q ，选择重传a r q 的改进之处在于当 接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽不能立即交给上层，但接 收方仍可收下来，存放在缓冲区中，同时要求发送方重新发送出错帧。当所有 的帧都收到了，才将完整的数据提交。选择重传a r q 只重传出错数据帧，因 而提高了传输效率，但是需发送方和接收方都具备缓存空间以及更复杂的实现 方案【4 0 1 。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 系列标准与w i m a x 论坛 i e e e ( i n s t i t u t ef o re l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，电气和电子工程师学 会) 是国际著名的权威机构，在国际颇享盛名。i e e e 致力于计算机科学、电 子以及电气等领域的开发。i e e e 标准是由该组织下设的工作组来完成的。 i e e e 8 0 2 主要负责制定电子工程和计算机领域的标准。该小组负责研发并指定 无线物理层和媒体接入控制层的标准。i e e e 8 0 2 主要有4 个工作组在进行相关 无线网络标准研究工作，分别为8 0 2 1 5 、8 0 2 1 l 、8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 。这4 种标 准对应无线网络中的个域网、局域网、城域网、广域网。 上个世纪9 0 年代宽带无线接入技术发展迅速，以本地多点分配系统( l o c a l m u l t i - p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m ，l m d s ) 和多信道多点分配( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，m m d s ) 为代表的无线技术的市场定位为办公室、企 业、商业中心等。由于没有同意的无线接入标准，所以产业并没有迅速发展起 来【4 3 1 。1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 术规范，目标为全球建立统一的无线标准标准。1 6 系列标准中的8 0 2 1 6 d 和 8 0 2 1 6 e 是最为重要的。1 6 d 于2 0 0 4 年发布，它规范了固定终端和基站之间的 物理层和m a c 层的规范。2 0 0 5 年推出的1 6 e 标准在兼容1 6 d 的基础上增加了 对移动性的支持 1 5 】。1 6 e 的后续协议版本都是对其的补充和增添。 w i 论坛是由一个非赢利组织，主要成员为世界一流的设备制造厂商 以及服务运营商。该组织负责协调宽带无线技术，促进w i m a x 产业链的发展， 对相关宽带无线接入产品进行一致性和互操作性的认证。w i m a x 和是 i e e e 8 0 2 1 6 标准的有力推动者。i e e e 8 0 2 1 6 为标准的制定者。两者相辅相承。 w i m a x 可看作是8 0 2 1 6 技术的统称一j 。 目前无线接入的主流技术w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) ，又称8 0 2 1 1 b 标准，它 的最大优点就是传输速度较高，可达l1 m b p s 。w i f i 的构建并不复杂，方便与 有线网络进行融合。同时w i f i 使用免费频段。w i f i 使用于无线局域网。而 w i m a x 定位于无线城域网，同时，8 0 2 1 6 e 具有更宽的频段选择以及更高的 接入速度，预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准【1 5 j 【4 2 】- 陴】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章i e e e 8 0 2 1 6 e 中a r q 子系统的设计 3 1i e e e 8 0 2 1 6 e 中的a r q 机制 根据文献 4 5 - 【4 9 的描述，a r q 是数据链路层的一种控制机制，保证相应 业务的服务质量的数据传输技术。a r q 机制是8 0 2 1 6 e m a c 层的一部分， m a c 层中的一个可选机制。a r q 面向连接，具有单向性。在连接建立时，发 送方和接收方会决定是否启用a r q ，以及指定和协商其上的a r q 参数，而且 条连接上不能同时允许a r q 和非a r q 的数据。当具有a r q 机制时，每一 条连接上都可以使用a r q 。一个待发送的s d u 被逻辑划分成块。a r q 块是 一个在a r q 连接上传送的独立的数据单元。 接收方通过反馈消息将接收情况告诉发送方。a r q 的反馈消息有a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 和n a k ( n o n a c k n o w l e d g e m e m ) 两种，分别对应确认消息和 未确认消息。a r q 反馈消息属于m a c 控制信息，可以在相关的控制链路上发 送，也可以在已有连接上以“捎带 ( p i g g y b a c k e d ) 的形式发送。a r q 反馈消 息不能被分段。协议使用一个滑动窗口来增加传输效率。对于在一段时间间隔 内没有收到确认的a r q 块，将重新发送。 考虑到数据本身被正确接收，而确认信息丢失的情况。发送者将重发a r q 块，这样接收者将接收到两次相同的消息。对于接收者来说，如何区分新旧 a r q 块是十分重要的。为了区分每一个数据块，给每一个a r q 块分配一个块 序列号( b l o c ks e q u e n c en u m b e r ，b s 。每个a r q 块对应一个b s n 。b s n 并 不是一直增加，而是在一个范围内变化。这个范围由参数 a r q _ b s n _ m o d u l u s 决定。 i e e e 8 0 2 1 6 e 还规定了a r q 同步机制，用来处理数据传输中出现的异常情 况。当出现数据传输严重错误或者连接问题时，系统可以通过同步机制恢复正 常的数据传输。 3 1 1a r q 块 一个服务数据单元被逻辑划分成若干a r q 块，每一个a r q 块的大小由 参数a r q _ b l o c k _ s i z e 来确定。当s d u 的长度不是块长的整数倍时，最后 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 剩余s d u 的字节构成一个单独的a r q 块。块划分的有效性会延续到这个s d u 的所有块被正确接收，或者s d u 被发送方丢弃为止【4 引。每个a g q 块拥有一 个b s n ，用于区分不同的a r q 块。 为了更充分的利用带宽，i e e e 8 0 2 1 6 e 的业务连接有支持分段( f r a g m e n t a t i o n ) 或者打包( p a c k i n g ) 功能。分段是指同一个s d u 的a r q 块可不同次发送 出去。分段需保证每一个a r q 块的完整性。打包是指将若干个s d u 封装到一 个协议数据单元( p r o t o c o ld a t au i l i t ) 内一次性发送。无论是否支持分段和打包， 一个s d u 都将划分成若干a r q 块。当不支持分段是，发送方将忽略分块的情 况，每次传输都要包含该s d u 的所有a r q 块。 s d u 毒1s d u 2 轴g o炳1f 强0l 啦i 卜叶_ 卜叫卜一十_ - 叫 巳 j 互1 互工珂臣习】j 1 盈 t w oc o n s | x 琉垤s d u sa 嚏堵d 协m a cl 矗t h e 裁i m ec 戗m e c t i a n p d u 粥p a c k e d 哦聿4 岫s l o no f p d u 女1 2w i t hf r r 托g e 日l e m p a c k e d 咣籽 图3 1 重组和非重组情况下a r q 块的用法 如果连接不支持打包功能，则每个p d u 只能包含一个s d u 的a r q 块， 可能是首次发送的块，也可能是重复发送的块。每个p d u 中的所有块都必须 有序。如果p d u 是数据打包而成，则重发的块要封装在首发块的前面，同时， 在各个m a c 子头间的块序列以及最后一个打包子头后的块序列都必须有连续 的块号。a r q 连接上，各个分段子头( f r a g m e n t a t i o ns u b h e a d e r ) 矛1 打包子头 ( p a c k i n gs u b h e a d e r ) 都会包含一个b s n ，它是子头后第一个a r q 块的序列号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 发送方决定是否将一组已经被当作单独p d u 传送的块在重新传输时依旧当作 单独的p d u 发送( 如图3 1 ) 。图3 1 为文献 4 8 上定义的重组与非重组a r q 块的用法示例。 3 1 2a r q 参数 i e e e 8 0 2 16 e 协议规定了若干a r q 的参数。这些参数约束a r q 的基本状 态，比如a r q 块的大小、各种定时器的超时范围。另外，a r q 运行时，还需 要记录一些关键的信息。比如滑动窗口的起始位。通过定义a r q 的参数，便 于a r q 在不同系统之间的移植。以下是文献【4 8 定义的参数说明。 a r q - - b s n _ m o d u l u s ： b s n 的范围，一般为2 。 a r q _ w i n d o w _ s i z e ： 滑动窗口的容量。对发送方而言，参数值等于任意给定时刻未确认a r q 块的最大数目。对接收方而言，参数值等于任意给定时刻未收到的a r q 块的最大数目。它的值小于等于a r qb s nm o d u l u s 的一半。 a r q _ t x _ w i n d o w _ s t a r t ： 发送端滑动窗口开始值，即发送端滑动窗口的起始位置。表示所有b s n 直到a r qt xw i n d o ws t a r t 一1 的块都已经被确认。 a r q r xn e x tb s n ： 等待发送的第一个a r q 块的b s n 。该值要位于a r qt xw i n d o w s t a r t 与( a r qt xw i n d o ws t a r t + a r qw i n d o ws i z e ) 之间 ( 两端值包含) 。下一次发送时，如果没有重传块，或除所有重传块之外 仍有数据发送能力，则从该值对应的a r q 块开始发送。 a r q _ r x _ w i n d o w _ s t a r t ： 接收端滑动窗口开始值，即接收端滑动窗口的起始位置。表示所有b s n 直到a r qr xw i n d o ws t a r t 一1 的块都已经被正确接收。 a r q _ r x _ h i g h e s t _ b s n ： 接收端接收到的最后块的b s n + 1 。该值要位于a r qr xw i n d o w s t a r t 与( a r q _ r xw i n d o w _ s t a r t + a r q _ w i n d o ws i z e ) 之间 ( 两端值包含) 。实际上，该值对应于滑动窗口内有效范围的末端。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 a r q _ b l o c kl i f e t i m e ： 个a r q 块能被发送状态机控制的最大时间段，即a r q 块的有效生存期。 一个块初次传输后，若在这个限制时间内没有被确认，则将被发送方丢弃。 a r q _ r e t r y _ t i m e o u t ： 发送方在重传一个未被确认块前的最大等待时间。这个时间段开始于a r q 块的最后一次传输。如果超过该时间段，且该块的未超过生存时间，则需 要重发该a r q 块。 a r q s y n c _ l o s s _ t i e m o u t ： 正在处于数据传输状态时，且在宣告发送方和接收方失去同步以前， a r q 和维持相同值_txw i n d o ws t a r t a r qr xw i n d o ws t a r t 的最大时间间隔。a r q 发送方状态机和接收方状态机维护独立的时钟，而 且对于数据何时重新开始传输的规则不同。 a r q _ r x _ p u r g e _ t i m e o u t ： 接收方在成功接收一个块后但没有导致a r qr xw i n d o ws t a r t 向前 滑动时，直到a r qr xw i n d o ws t a r t 必须改变的时间间隔。 a r q _ b l o c k _ s i z e ： 参数值是s d u 传输之前划分为a r q 块的长度大小。 a r q _ d e l i v e r i n o r d e r ： 本参数用于表明接收方m a c 往上层传送数据的顺序是否需要和发送方 m a c 接收数据的顺序一致。如果为1 ，必须按序上传，即使组成了完成的 s d u ，也要等前面的s d u 上传后，再上传；如果为o ，可以无序上传，只 要该s d u 是完整的，即可上传。 3 1 3a r q 反馈消息格式 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准 4 5 4 9 】规定了反馈消息的格式( 见表3 1 ) ，并对格式 进行了说明。反馈消息的传送方式有两种：在p d u 中以p a c k e dp a y l o a d 的形 式“捎带”传送以及采用单独的p d u 来传送。如果是前者，p d u 头的t y p e 域 表明p d u 中是否包含反馈消息。若包含，则反馈消息作为第一个p a y l o a d ，而 且不同于其他的p a y l o a d ( s d u ，f r a g m e n t ) ，反馈消息在一个p d u 中只能有一 个。也可将一个或多个反馈消息封装进一个单独p d u 传送，该p d u 既可以在 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 a r q 连接也可以在非a r q 连接上传输。 表3 1i e e e 8 0 2 1 6 e 中的a r q 反馈消息格式 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 c i d ： 表示该反馈消息对应的连接编号。用以区分不同连接的反馈消息。 l a s t ： 若干反馈消息可以用一个单独的p d u 来传送。该位表示当前的反馈消息 是否为最后一个反馈消息。 a c k t y p e ： 标识该反馈消息使用是哪一种反馈方式。 b s n ： 块序列编号。如果是s e l e c t i v ea c k ：i e 中b s n 值是某时间内接收到的第 一个块的序列号，它的接收状态与第一个1 6 位a c km a p 的最高位对应，当 其值为1 时表示该块正确接收。第一个a c km a p 中的其余位以及其余的a c k m a p 相应位依次与该b s n 顺次增l 的序列号对应，m a p 表明相应的a r q 块 是否被正确接收。如果不是s e l e c t i v ea c k ，b s n 表明此块以及发送窗口中所 有小于此值的块都已经被正确接收。若是累积a c k ( c u m u l a t i v ea c k ) ，其 n u m b e ro f a c km a p s 保留并被设置为o o 。若有m a p ，则a c km a p 其余相应 位依次与该b s n 顺次增1 的序列号对应，表明相应的a r q 块是否被正确接收。 s e l e c t i v ea c k m a p ： 每位依次与i e 中b s n 开始以及其顺次增l 的序列号对应，标识发送块是 否正确接收，相应块正确接收后对应位置l 。 s e q u e n c e a c k m a p ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 m a p 中的位表示相应块序列是否接收正确。块序列的长度由s e q u e n c e l e n g t h 表示，块序列的起始由反馈消息中的b s n 和前面的s e q u e n c el e n g t h 共 同确定。 s e q u e n c el e n g t h ： 块序列的长度。 3 1 4a r q 状态机 3 1 4 1a r q 状态机变量 连接建立或a r q 重置操作时，所有的a r q 状态机变量都应该设为0 。 发送方变量： a r q l t x _ w n d o w _ s t a r t ： 表示所有b s n 小于a r qt xw i n d o ws t a r t 的a r q 块都被确认了。 a r qr x _ n e x t _ b s n ： 表示下一个需要发送的块的b s n 。该值的有效范围从a r qt x w i n d o ws t a r t 开始，长度为a r qw i n d o ws i z e 。 接收方变量： a r q _ r x _ w i n d o w _ s t a r t ： 表示所有b s n 小于a r qr xw i n d o ws t a r t 的a r q 块都被接收了。 a r q _ r x _ h i g h e s t _ b s n ： 表示已经接收的最高块的b s n + 1 。该值的范围从a r qr xw i n d o w s t a r t