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3-4 流量控制
3-4-1 流量控制簡介 當兩端的鏈路層建立好通訊連線後，雙方也協議出使用連接導向的通訊服務，下一個問題是，兩端如何利用通訊連線傳送資料？而雙方該如何管理資料訊框在通訊連線上的流動，才會使通訊連線產生最高效率？這些都屬於『流量控制』（Flow Control）的問題。 流量控制除了管理資料在通訊連線上傳輸的順序外，還牽涉到傳送端和接收端緩衝器多寡的管理問題。當電腦欲傳送資料時，將資料依每次傳送封包大小，依序填入『傳送緩衝器』內。當傳送端將資料封包傳送出去後，可能必須經過一段時間後才能到達接收端，接收端是否正常收到資料？該如何回應給傳送端？如果發生問題怎樣重送？傳送端必須確認該訊號已正常傳送完畢，才可將資料封包由傳送緩衝器上刪除，因此在大量連續傳送資料時，傳送緩衝器就必須很大。同樣的，在接收端也必須有一個『接收緩衝器』，接收到資料後判斷資料正常便填入緩衝器內，但因為通訊連線的時間也許很長，每一筆資料封包到達的時間不一定相同，且到達的資料封包不一定按照原來的封包順序，也可能在一串的封包內其中有幾個封包發生錯誤。因此有幾個封包是重新傳送？有幾個封包是重複傳送？都必須等接收端將接收緩衝器內的封包按序號排列完成，才可傳送給上層通訊軟體，所以接收緩衝器有可能要很大。當然由技術層面來講，不論傳送緩衝器或接收緩衝器都不可能無限的擴充，我們希望流量控制的技術能儘量減少緩衝器的需求，而如何重複使用緩衝器以減低緩衝器需求也是流量控制項目之一。一般流量控制有兩種基本方法：
多數通訊協定（軟體）都有流量控制機制，也都以上述兩種方法為基礎，至於會採用哪一種，則必須視使用環境而定。以下分別介紹這兩種方法。 3-4-2 停止與等待法 『停止與等待』（Stop-and-Wait）的重點在於傳送端將訊息送出後，必須等待接收端回應，再決定是否繼續傳送下一筆資料。如果回應接收正常（Ack），便再傳送下一筆資料；如果逾時未收到回應或收到回應不確認訊息（Nak），則需重新傳送該筆資料，其動作順序如圖 3-9 所示。
圖 3-9 停止與等待流量控制 由圖 3-9 我們可以發現在停止與等待法中，通訊雙方花費太多的等待時間（大部分時間都在等待對方回應）。但因其處理方法簡單，一般近距離（回應時間較短）或要求快速反應的設備大部分採用此方法。而且傳送和接收雙方只要一個緩衝器便可，一般使用在主機電腦內、或電腦機房內各處理設備之間資料的傳輸，至於長距離傳輸則較不適合。（如 Bluetooth 便採用此方法） 3-4-3 滑動視窗法 當建立連線後，我們希望能充分利用連線來傳輸資料（連接導向服務），如果採用停止與等待方法，通訊連線大部分時間都是空閒著，傳輸效率太差。『滑動視窗法』（Sliding Window）可連續傳送多筆資料，接收端只要回應目前已正確接收到第幾筆資料，一次確認多筆資料，網路上便可連續傳送多筆資料，提高網路的使用率。
圖 3-10 滑動視窗法 首先我們用圖 3-10 來說明滑動視窗法的大略運作方式，圖 3-10 是以一般區域網路網路卡的動作為例子（其它層次也都類似），運作如下：首先將資料（如10Mbits）分割成若干個固定大小的訊框（如4 Kbits），並不全部送給傳送器（一般都是網路卡），因傳送器上記憶體容量可能不夠。又傳送器將本身也將記憶體依照訊框大小分割成若干個容器，稱之為『傳送緩衝器』（Send Buffers）。首先主機將欲傳送的訊框依順序填入傳送器的傳送緩衝器，傳送器再就緩衝器資料一一傳送到網路上，傳送成功後清除緩衝器上的資料，再請求主機電腦（中斷CPU）再填入待傳的資料，一直到資料傳送完畢為止。 另外，接收端的接收器（網路卡）也將本身的記憶體分割成和訊框大小相同的若干個容器，稱之為『接收緩衝器』（Received Buffers）。接收器接收到訊框後便填入接收緩衝器，如果有連續訊框接收正常，便要求（一般採用中斷方式）主機電腦（CPU）來讀取，再清除緩衝器預備接收下一筆訊框。同時還要傳送一個確認訊息給傳送端，表示已正確地接收到幾個訊框，請傳送端繼續發送訊框。 如果通訊雙方都可以同時接收和傳送訊框，那麼雙方都必須具有傳送緩衝器和接收緩衝器。如圖 3-10 所示，工作站 A 的傳送緩衝器對應工作站 B 的接收緩衝器，反之亦然。以下我們分為幾個步驟來介紹滑動視窗法的運作原理。 (A) 傳送視窗與接收視窗 首先我們來介紹什麼是『視窗』（Window）？其實視窗不過是緩衝記憶體的排列方式。不論傳送緩衝器或接收緩衝器都必須重複使用，如果記憶體以直線序列（Linear Array）排列，如圖 3-11 (a) 所示，資料封包只能由前端填入，由後端取出，記憶體緩衝器就必須不停往後延伸。因此，我們必須將緩衝器之記憶體的前頭和後尾銜接，成為環狀序列（Ring Array），以此構成視窗的形狀。以圖 3-11(a) 傳送緩衝器為例，假設有 8 個緩衝器，並由 CPU 填入訊框號碼 20、21、22 及 23 等四個訊框。如果我們將其建構成環狀序列，如圖 3-11 (b) 所示，序列中有兩個指標（Pointer）：『前端指標』（Front Pointer）和『後端指標』（Rear Pointer）。前端指標指向可由 CPU 填入訊框的位置，當 CPU 繼續填入訊框時，指標就一直往前滑動。另外，後端指標則指向將發送到網路上的訊框位置，每發送一個訊框，指標就往前滑動一個緩衝器。CPU 不停的填入；而發送器也不斷的將訊框發送到網路上，兩個指標也就不停的滑動，因此稱之為『滑動視窗法』（Sliding Window）。
圖 3-11 傳送視窗之緩衝器結構
圖 3-12 接收視窗之緩衝器結構 圖 3-12 (a) 為接收緩衝器的直線序列排列架構，我們同樣假設緩衝器大小為 8（0 ~ 7），如將其排列成環狀序列，便成為圖 3-12 (b) 的接收視窗。接收視窗的前端指標是由網路上接收到訊框之後往前滑動；後端指標是 CPU 讀取訊框後往前滑動。如果接收器已由網路上接收到號碼為 30 ~ 33 等 4 個訊框，它的滑動方向如圖 3-12 (b) 所示。 (B) 訊框順序編號 在鏈路層的訊框格式（其他層次也相同）裡包含兩個序號：
圖 3-13 序號 N(S) 及 N(R) 之功能 我們用圖 3-13 來說明 N(S) 和 N(R) 的運用情形，假設連線雙方（DL_A 和 DL_B）都以全雙工方式相互傳遞訊框。首先 DL_A 發送序號為 20 （N(S) = 20）的訊框給 DL_B，並期望 DL_B 下次傳送 31 號訊框給它（N(R) = 31），這表示 31 號以前的訊框（30、29、28、）都已正常接收。DL_B 收到 DL_A 所傳送訊框後，便瞭解 30 號以前的訊框對方都已正常接收。再傳送第 31 號訊框，並要求對方下次傳送第 21 號訊框（N(S) = 31、N(R) = 21），即告訴 DL_A 你的 20 號訊框我也正常接收了。由上得知，N(R) 帶有確認的功能。雙方可連續傳送多筆訊框，再回覆 N(R) 表示某號碼以前的訊框已正常接收。因此在滑動視窗法中，通訊雙方可以連續傳送多筆資料，不像停止與等待法一次只能傳送一個訊框。 滑動視窗的大小是相對應的緩衝器空間。如果以 128 個視窗為例，每個訊框為 4 K Bytes，其緩衝器記憶體空間是 512 KBytes。連同傳送和接收緩衝器就必須具有 1 Mbytes 的空間。視窗號碼和封包序號沒有絕對的關係，因為訊框是動態不停的填入緩衝器；而視窗號碼是固定的緩衝器空間。 一般通訊協定都將訊框序號（N(S)）以亂數號碼（Random Number）來累進計算，並非一定由 0 開始計算。回應序號（N(R)）是依照對方的 N(S) 來計算（如，加一）回應。一般通訊協定都以 16 或 8 位元來代表訊框訊號。 (C) 滑動視窗範例 我們用圖 3-14 來說明滑動視窗運作的範例。首先假設滑動視窗為 0 ~ 7，表示有 8 個緩衝器。但最多僅能使用到 7 個緩衝器，才不至於使前端和後端指標相重疊。假設目前 DL_A 預備由 20 號訊框開始發送；而 DL_B 由 30 號開始。以前所傳送之訊框都已確認成功，所有緩衝器（7 個）都空閒。我們用下列 a ~ f 步驟來描述它的運作情形： (1) DL_A 發送 20 和 21 號訊框給 DL_B，對方並將其填入接收視窗內。同時DL_A 要求對方傳遞 30 號訊框，表示以前訊框（29、28、27）都已正常接收。 (2) DL_B 發送 30 和 31 號訊框給 DL_A，並確認 22 號以前訊框（N(R) = 22）。DL_A 收到 N(R) = 22，知道之前所傳 20 和 21 對方已收到，便剔除這兩個訊框，後端指標滑動兩格。而同一時間內 DL_A 的 CPU（或上層通訊軟體）再填入 2 個訊框（25、26）到傳送視窗，也使前端指標向前滑動兩格。 (3) DL_A 傳送三個訊框（22、23、24），其中 23 號遺失，DL_B 發現訊框沒有依照順序到達，缺少 23 號。另DL_B 之 CPU 又填入 2 個訊框（35、36）至傳送視窗。 (4) DL_B 傳送 32 號訊框，同時要求對方重新傳送 23 號（N(R) = 23）。 (5) DL_A 重送 23 號訊框，並確認 32 號訊框。DL_B 收到 N(R) = 33 便刪除傳送視窗的 31 和 32，並滑動傳送視窗。另一方面，將 N(S) = 23 訊框填入接收視窗，產生 22、23、24 連續序號，便將這三個訊框傳給 CPU（或上層通訊軟體），再將接收視窗滑動三格。 (6) DL_B 連續傳送四個訊框（33 ~ 36），並確認對方 24 號以前訊框（N(R) = 25）。DL_A 收到 N(R) = 25 後便將 22 ~ 23 訊框刪除，並滑動視窗 3 個位置。並將所收的 4 個訊框填入接收視窗內。
圖 3-14 滑動視窗範例 |
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