Go-Back-N 协议详解

1. 简介

在计算机网络的传输层中，可靠的数据传输机制是核心内容之一。滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）是实现这一机制的关键技术。其中，Go-Back-N 和 Selective Repeat 是两个经典的滑动窗口协议实现方式。

本文将重点讲解 Go-Back-N 协议的工作原理。我们还将讨论窗口大小 N 与序列号空间 S 的关系，以及窗口大小如何影响协议性能。

2. Go-Back-N 协议概述

滑动窗口协议通过允许发送方在未收到确认前继续发送多个数据包，从而提高网络带宽的利用率。

在 Go-Back-N 协议中，流量控制由发送方主导，接收方相对简单。 因此，我们将首先从发送方的角度来分析其工作流程。

2.1 发送方机制

发送方维护一个待发送的数据帧序列。我们假设窗口大小为 N。此外，发送方使用两个指针来管理当前窗口：

• send_base：表示当前已收到确认的最小序列号
• nextseqnum：表示下一个待发送的序列号

这两个指针之间的所有帧都处于“已发送但未确认”的状态。

如下图所示：

3. 累积确认与序列号

Go-Back-N 使用累积确认机制。也就是说，如果接收方发送了一个对编号为 n 的帧的确认（ACK n），则表示编号小于等于 n 的所有帧都已被正确接收。

3.1 序列号与窗口大小的关系

设 S 为最大序列号值，N 为窗口大小。考虑如下场景：

1. 发送方发送从 0 到 S 的一组帧
2. 接收方返回 ACK S，表示所有帧都已正确接收
3. 发送方再次发送从 0 到 S 的下一组帧
4. 再次收到 ACK S

此时，发送方无法判断第二组的帧是否被成功接收 —— 因为 ACK 可能是对第一组帧的重复确认。

因此，必须满足：N < S，否则将导致确认歧义。

4. 网络利用率与窗口大小选择

相比传统的“停等协议（Stop-and-Wait）”，滑动窗口协议的优势在于可以同时发送多个数据包，提高链路利用率。

Go-Back-N 中的窗口大小 N 表示发送方在收到确认前最多可发送的数据包数量。若 N = 1，则等价于停等协议。

理论最大链路利用率公式如下（忽略传输开销）：

$$ \text{Utilization} \leq \frac{N}{1 + 2 \times BD} $$

其中：

• BD（Bandwidth-Delay Product）表示带宽时延乘积，即链路在往返时延内能容纳的数据量

4.1 窗口大小的选取限制

虽然理论上我们可以通过令利用率为 1 来反推最大 N 值，但在实际应用中，窗口大小应更小，原因如下：

✅ 流量控制（Flow Control）
接收方处理能力有限，若发送速率过快，会导致丢包。因此，窗口大小应受限于接收方的处理速度。

✅ 拥塞控制（Congestion Control）
过多的数据包在网络中堆积，会导致延迟增加和丢包，从而降低整体性能。发送方应根据网络状况动态调整窗口大小。

5. 总结

Go-Back-N 协议是一种基于滑动窗口和累积确认的可靠数据传输机制，适用于发送方主导、接收方相对简单的场景。

我们总结如下要点：

• ✅ 累积确认机制要求窗口大小 N 必须小于序列号空间 S，以避免确认歧义
• ✅ 窗口大小 N 的选择需综合考虑网络带宽、延迟、接收方处理能力和网络拥塞情况
• ❌ 若窗口过大，可能导致接收方处理不过来或网络拥塞；若过小，则无法充分利用带宽

掌握 Go-Back-N 的原理对于理解 TCP 协议的流量控制和可靠传输机制具有重要意义。