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计算机网络

CN-03-05 流量控制：后退N帧协议（GBN）

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一、定位信息

• 圈层：核心层
• 前置知识：停止-等待协议（CN-03-04）、帧序号概念
• 知识网络位置：本单元是三种ARQ协议中的第二种，通过滑动窗口机制提高信道利用率
• 考点热度等级：H级（高频重点）——GBN协议的窗口大小限制、序号范围是408高频考点，近5年出现≥3次

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二、知识点讲解

1. GBN协议的核心思想

停止-等待协议效率低的原因是发送方等待确认时信道空闲。GBN允许发送方连续发送多个帧而不需要每帧都等待确认，但受限于一个发送窗口。

2. 滑动窗口机制

发送窗口 $W_T$：发送方可以连续发送而不需要等待确认的最大帧数。

接收窗口 $W_R$：接收方的接收窗口固定为1（这是GBN的特点——接收方只能按序接收）。

工作流程：

1. 发送方在窗口内连续发送帧
2. 接收方按序接收，对每个正确收到的帧发送ACK
3. 如果发送方收到ACK $N$，表示帧 $N$ 及之前所有帧都已正确接收，窗口向前滑动
4. 如果帧 $N$ 超时未收到ACK，发送方重传帧 $N$ 及之后所有已发送帧

3. GBN的关键特性

• 累积确认：ACK $N$ 表示帧 $N$ 及之前所有帧都已正确接收
• 接收方只能按序接收：如果帧 $N$ 丢失，即使帧 $N+1, N+2, ...$ 正确到达，接收方也会丢弃它们
• 超时重传：帧 $N$ 超时后，重传帧 $N$ 及之后所有已发送帧（Go-Back-N）

4. 窗口大小限制

若序号字段为 $n$ 位，则序号范围为 $0$ 到 $2^n - 1$。

窗口大小限制：$W_T \leq 2^n - 1$

为什么不能 $W_T = 2^n$？ 如果发送窗口等于序号范围，接收方无法区分新帧和重传帧（序号会回绕重叠）。

5. 信道利用率

$$U = \frac{W_T \times T_D}{T_D + RTT + T_A}$$

当 $W_T$ 足够大时，$U$ 可以接近100%。

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三、记忆与理解辅助

1. GBN口诀："发多等一，错了全重传"——可以连续发送多个帧，但出错后从出错帧开始全部重传
2. 窗口限制：$W_T \leq 2^n - 1$，不能等于 $2^n$——"序号范围比窗口大1"
3. 累积确认：ACK $N$ = "N及之前全收到"

特性	停止-等待	GBN	SR
发送窗口	1	$\leq 2^n - 1$	$\leq 2^{n-1}$
接收窗口	1	1	$\leq 2^{n-1}$
确认方式	逐帧确认	累积确认	逐帧确认
重传策略	超时重传单帧	重传出错帧及后续所有帧	只重传出错帧

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四、例题与精解

例题1（基础巩固）

题目：在GBN协议中，序号字段为3位，发送窗口大小为7。发送方连续发送了帧0、1、2、3、4、5、6。若帧2丢失，接收方会如何处理？

命题意图：考查GBN协议的接收方行为。

精解：

1. 审题分析：序号3位（范围0–7），窗口大小7，帧2丢失。

2. 解题思路：GBN接收方只能按序接收，帧2丢失后后续帧全部丢弃。

3. 完整步骤：

   • 帧0正确到达：接收方接收，发送ACK 0
   • 帧1正确到达：接收方接收，发送ACK 1
   • 帧2丢失：接收方未收到
   • 帧3到达：接收方期望帧2，丢弃帧3
   • 帧4、5、6到达：全部丢弃
   • 帧2超时后，发送方重传帧2、3、4、5、6

4. 方法反思：GBN的缺点是出错后重传大量帧，即使后续帧已正确到达也被丢弃。这就是"后退N帧"的含义。

例题2（中等提升）

题目：在GBN协议中，数据帧的发送时延为 1 ms，单程传播时延为 100 ms，ACK发送时延忽略。序号字段为4位。求：（1）发送窗口最大值；（2）最大信道利用率。

命题意图：考查GBN窗口大小限制和信道利用率计算。

精解：

1. 审题分析：$T_D = 1$ ms，传播时延 = 100 ms，$RTT = 200$ ms，序号4位。

2. 解题思路：先确定窗口大小限制，再计算信道利用率。

3. 完整步骤：

   • （1）序号4位，范围0–15（$2^4 = 16$个序号）
     • $W_T \leq 2^n - 1 = 16 - 1 = 15$
     • 发送窗口最大值 = 15
   • （2）$U = W_T \times T_D / (T_D + RTT + T_A) = 15 \times 1 / (1 + 200 + 0) = 15/201 \approx 7.46\%$
     • 注：若窗口足够大使 $W_T \times T_D \geq T_D + RTT$，则 $U$ 可达100%
     • 这里 $15 \times 1 = 15 < 201$，所以利用率仍较低

4. 方法反思：GBN通过增大窗口提高利用率，但当传播时延远大于发送时延时，需要非常大的窗口才能充分利用信道。

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五、考情分析

• 考查频次：GBN协议窗口限制和信道利用率近5年约3次
• 常见题型：选择题（窗口限制）和计算题（利用率）
• 分值占比：2–5分
• 命题趋势：GBN的窗口大小限制 $W_T \leq 2^n - 1$ 和累积确认机制是高频考点。基于大纲与命题规律推测

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六、易错点提醒

1. 错误表现：认为GBN的窗口大小可以等于 $2^n$错误原因：忽略序号回绕问题 正确理解：$W_T \leq 2^n - 1$，否则接收方无法区分新帧和重传帧

2. 错误表现：认为GBN接收方会缓存乱序到达的帧 错误原因：将GBN与SR混淆 正确理解：GBN接收方只按序接收，乱序帧直接丢弃

3. 错误表现：计算信道利用率时忘记乘以窗口大小 错误原因：直接用停止-等待的公式 正确理解：GBN可以连续发送 $W_T$ 帧，利用率 = $W_T \times T_D / (T_D + RTT)$

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七、来源标注

• 依据2026考研统考大纲
• 依据《计算机网络》（第8版）谢希仁版
• 依据大学本科经典教材共识