【編程之美】超時(shí)重傳,滑動(dòng)窗口,可靠性傳輸原理C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)
最近在做無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議實(shí)現(xiàn),這里涉及到超時(shí)重傳,窗口移動(dòng),可靠性傳輸?shù)膯?wèn)題,有些一些心得,也有很多的調(diào)試歷程,與大家分享,當(dāng)然源碼不會(huì)開(kāi)源,但是思想會(huì)毫無(wú)保留.
首先我們看重傳原理ARQ
ARQ(AutomaticRepeat reQuest,自動(dòng)重傳請(qǐng)求)是在數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)實(shí)現(xiàn)的一種可靠性傳輸機(jī)制。其重傳原理是發(fā)送端先將數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)SDU按照固定的ARQ塊大小來(lái)進(jìn)行分片,最后剩下的數(shù)據(jù)不管多小都分為一個(gè)分片,接著為每個(gè)分片進(jìn)行編號(hào)BSN(Block Sequence Number),如下圖所示:
ARQ機(jī)制中SDU分片和BSN示意圖
隨后確定發(fā)送端的ARQ滑窗,即:將第一個(gè)發(fā)送PDU塊作為ARQ發(fā)送窗口的起始PDU塊ARQ_TX_WINDOW_START,接下來(lái)發(fā)送的下一個(gè)PDU塊作為ARQ發(fā)送下一個(gè)PDU塊ARQ_TX_NEXT_BSN。當(dāng)發(fā)送的1個(gè)或N個(gè)PDU塊被接收端確認(rèn)接收成功后,其滑窗的起始PDU塊ARQ_TX_WINDOW_START會(huì)加1或N,即:往后面滑1或N格,而下一個(gè)PDU塊始終指到未發(fā)送PDU塊的第1個(gè)。
同時(shí),接收端也會(huì)根據(jù)接收情況來(lái)確定接收ARQ滑窗,即:通過(guò)ARQ接收起始PDU塊ARQ_RX_WINDOW_START和接收ARQ滑窗大小ARQ_RX_WINDOW_SIZE兩個(gè)參數(shù)來(lái)確定該滑窗大小。當(dāng)在滑窗內(nèi)的PDU塊全部接收到后,會(huì)確認(rèn)這次接收PDU的結(jié)果,如果有個(gè)別PDU塊接收失敗,則在后續(xù)的反饋IE中指出來(lái),讓發(fā)送端進(jìn)行重傳,重傳最大次數(shù)來(lái)控制重傳次數(shù),否則就直接將接收ARQ滑窗往后滑,ARQ接收起始PDU塊ARQ_RX_WINDOW_START會(huì)滑到還未接收PDU塊的第1個(gè),整個(gè)滑窗整體往后滑動(dòng)。
以上的傳輸過(guò)程請(qǐng)參考下圖:
ARQ傳輸機(jī)制原理圖
那么怎么實(shí)現(xiàn)呢?
對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)說(shuō),是很簡(jiǎn)單的,其ARQ狀態(tài)機(jī)如下
對(duì)于需要窗口傳輸?shù)闹貍鳈C(jī)制來(lái)說(shuō),如圖所示,
發(fā)送窗口只有收到對(duì)端對(duì)于本段發(fā)送窗口內(nèi)字節(jié)的ACK確認(rèn),才會(huì)移動(dòng)發(fā)送窗口的左邊界。
接收端可以根據(jù)自己的狀況通告窗口大小,從而控制發(fā)送端的接收,進(jìn)行流量控制。
我們來(lái)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
//數(shù)據(jù)索引
typedef struct {
int status;
int dataID;
u16* Recvbuffer;
int len;
}CommDataIndex;
//包的狀態(tài)
typedef struct{
int id;
int crc;
}PacketStatus;
//發(fā)送狀態(tài)
typedef struct{
int dataID;
int iRetries;
int iResendTimerID;//重傳定時(shí)器
int iCycleTimerID; //生命周期定時(shí)器
}SendStatus;
//窗口信息
typedef struct {
int winSize;
SendStatus status[wSize];
int minID;
int maxID;
}WINMSG;
//數(shù)據(jù)類(lèi)型
enum
{
RTS=0,
CTS,
ACKNAK,
payload,
}DATATYPE;
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下圖,當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),先申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存緩存數(shù)據(jù),最多緩存20包數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容如CommDataIndex中所示,包含數(shù)據(jù)ID序號(hào)、數(shù)據(jù)buffer、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;窗口的內(nèi)容(包含窗口大小,窗口中每包數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài),窗口中最小最大的數(shù)據(jù)ID序號(hào)) 如winMsg所示;數(shù)據(jù)包發(fā)送狀態(tài)(包含數(shù)據(jù)ID,重發(fā)次數(shù),重發(fā)定時(shí)器,生命周期定時(shí)器)如下Status所示。
發(fā)送端具體流程:
有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),先判斷CommDataIndex數(shù)組中是否有空的位置,如果為空則將數(shù)據(jù)放入,最多緩存20包數(shù)據(jù);
判斷窗口是否滿(mǎn)狀態(tài),當(dāng)窗口不是滿(mǎn)狀態(tài)時(shí),則可以發(fā)送數(shù)據(jù),更新窗口信息(窗口中的最小最大ID,發(fā)送狀態(tài)),啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài)中的定時(shí)器、更新重傳次數(shù);
當(dāng)返回ack,則表示發(fā)送成功,判斷是哪一包發(fā)送成功,找到這一包在commDataIndex的位置,并且清空,釋放內(nèi)存,找到這一包在窗口中的位置,清除這個(gè)位置窗口的發(fā)送狀態(tài)信息(重傳次數(shù),數(shù)據(jù)ID),關(guān)閉這個(gè)窗口位置的定時(shí)器;如果這一包是窗口中最小的ID值,則可以移動(dòng)窗口,進(jìn)行下一包的傳輸,更新窗口中最小最大ID值
當(dāng)返回nak,則表示發(fā)送失敗,判斷是哪一包發(fā)送失敗,找到這一包在winMsg的位置,關(guān)閉窗口中對(duì)應(yīng)的定時(shí)器,此時(shí)進(jìn)行重發(fā),更新發(fā)送狀態(tài)status,更新重傳次數(shù),并且開(kāi)啟窗口中對(duì)應(yīng)的定時(shí)器;當(dāng)重傳次數(shù)超過(guò)4次時(shí),關(guān)閉對(duì)應(yīng)的定時(shí)器,清空窗口發(fā)送狀態(tài)的信息,重傳次數(shù),數(shù)據(jù)ID,找到這一包在commDataIndex的位置,并且清空,釋放內(nèi)存。
當(dāng)沒(méi)有響應(yīng)消息時(shí),表示發(fā)送超時(shí),窗口對(duì)應(yīng)的定時(shí)器ID構(gòu)造事件傳遞給通信任務(wù)的定時(shí)器事件接收ID中,在發(fā)送端事件ID中處理,首先關(guān)閉定時(shí)器,找到定時(shí)器對(duì)應(yīng)的窗口的位置,更新對(duì)應(yīng)窗口發(fā)送狀態(tài)信息,更新重傳次數(shù),當(dāng)重傳次數(shù)超過(guò)4次時(shí),關(guān)閉對(duì)應(yīng)的定時(shí)器,清空窗口發(fā)送狀態(tài)的信息,重傳次數(shù),數(shù)據(jù)ID。進(jìn)行重傳操作,并且啟動(dòng)定時(shí)器。
當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)長(zhǎng)到達(dá)重傳生命周期定時(shí)器限值時(shí),表示整包數(shù)據(jù)沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間里發(fā)送成功,此時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)窗口的定時(shí)器,清空對(duì)應(yīng)的窗口信息以及這一包數(shù)據(jù)的緩存信息,如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)緩存數(shù)據(jù)中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則進(jìn)行發(fā)送,更新對(duì)應(yīng)的窗口信息。
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