【编程之美】超时重传，滑动窗口，可靠性传输原理C语言实现

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最近在做无线传输的通信协议实现，这里涉及到超时重传，窗口移动，可靠性传输的问题，有些一些心得，也有很多的调试历程，与大家分享,当然源码不会开源,但是思想会毫无保留.

首先我们看重传原理ARQ

ARQ（AutomaticRepeat reQuest，自动重传请求）是在数据链路层（MAC）实现的一种可靠性传输机制。其重传原理是发送端先将数据链路层的数据SDU按照固定的ARQ块大小来进行分片，最后剩下的数据不管多小都分为一个分片，接着为每个分片进行编号BSN（Block Sequence Number），如下图所示：

ARQ机制中SDU分片和BSN示意图

随后确定发送端的ARQ滑窗，即：将第一个发送PDU块作为ARQ发送窗口的起始PDU块ARQ_TX_WINDOW_START，接下来发送的下一个PDU块作为ARQ发送下一个PDU块ARQ_TX_NEXT_BSN。当发送的1个或N个PDU块被接收端确认接收成功后，其滑窗的起始PDU块ARQ_TX_WINDOW_START会加1或N，即：往后面滑1或N格，而下一个PDU块始终指到未发送PDU块的第1个。

同时，接收端也会根据接收情况来确定接收ARQ滑窗，即：通过ARQ接收起始PDU块ARQ_RX_WINDOW_START和接收ARQ滑窗大小ARQ_RX_WINDOW_SIZE两个参数来确定该滑窗大小。当在滑窗内的PDU块全部接收到后，会确认这次接收PDU的结果，如果有个别PDU块接收失败，则在后续的反馈IE中指出来，让发送端进行重传，重传最大次数来控制重传次数，否则就直接将接收ARQ滑窗往后滑，ARQ接收起始PDU块ARQ_RX_WINDOW_START会滑到还未接收PDU块的第1个，整个滑窗整体往后滑动。

以上的传输过程请参考下图：

ARQ传输机制原理图

那么怎么实现呢？

对于单个数据包来说，是很简单的，其ARQ状态机如下

对于需要窗口传输的重传机制来说,如图所示,

发送窗口只有收到对端对于本段发送窗口内字节的ACK确认，才会移动发送窗口的左边界。
接收端可以根据自己的状况通告窗口大小，从而控制发送端的接收，进行流量控制。

我们来定义数据结构

//数据索引typedef struct {  int status;  int dataID;  u16* Recvbuffer;  int len;}CommDataIndex;


//包的状态typedef struct{  int id;  int crc;}PacketStatus;


//发送状态typedef struct{  int dataID;  int iRetries;  int iResendTimerID;//重传定时器  int iCycleTimerID; //生命周期定时器
}SendStatus;


//窗口信息typedef struct {  int winSize;  SendStatus status[wSize];  int minID;  int maxID;
}WINMSG;


//数据类型enum{  RTS=0,  CTS,
  ACKNAK,  payload,
}DATATYPE;

数据结构定义如下图，当有数据需要发送时，先申请动态内存缓存数据，最多缓存20包数据，数据的具体内容如CommDataIndex中所示，包含数据ID序号、数据buffer、数据长度；窗口的内容(包含窗口大小，窗口中每包数据发送状态，窗口中最小最大的数据ID序号) 如winMsg所示；数据包发送状态(包含数据ID，重发次数，重发定时器，生命周期定时器)如下Status所示。

发送端具体流程：

有数据发送时，先判断CommDataIndex数组中是否有空的位置，如果为空则将数据放入，最多缓存20包数据；

判断窗口是否满状态，当窗口不是满状态时，则可以发送数据，更新窗口信息(窗口中的最小最大ID，发送状态)，启动发送状态中的定时器、更新重传次数；

当返回ack，则表示发送成功，判断是哪一包发送成功，找到这一包在commDataIndex的位置，并且清空，释放内存，找到这一包在窗口中的位置，清除这个位置窗口的发送状态信息(重传次数，数据ID)，关闭这个窗口位置的定时器；如果这一包是窗口中最小的ID值，则可以移动窗口，进行下一包的传输，更新窗口中最小最大ID值

当返回nak，则表示发送失败，判断是哪一包发送失败，找到这一包在winMsg的位置，关闭窗口中对应的定时器，此时进行重发，更新发送状态status，更新重传次数，并且开启窗口中对应的定时器；当重传次数超过4次时，关闭对应的定时器，清空窗口发送状态的信息，重传次数，数据ID，找到这一包在commDataIndex的位置，并且清空，释放内存。

当没有响应消息时，表示发送超时，窗口对应的定时器ID构造事件传递给通信任务的定时器事件接收ID中，在发送端事件ID中处理，首先关闭定时器，找到定时器对应的窗口的位置，更新对应窗口发送状态信息，更新重传次数，当重传次数超过4次时，关闭对应的定时器，清空窗口发送状态的信息，重传次数，数据ID。进行重传操作，并且启动定时器。

当数据发送时长到达重传生命周期定时器限值时，表示整包数据没有在规定的时间里发送成功，此时关闭对应窗口的定时器，清空对应的窗口信息以及这一包数据的缓存信息，如果此时发现缓存数据中有数据需要发送，则进行发送，更新对应的窗口信息。