选择性重传ARQ协议通信仿真系统

资 源 简 介

本项目基于MATLAB实现了一个完整的选择性重传（Selective Repeat, SR）自动重传请求（ARQ）协议仿真系统。该系统的核心功能是模拟数据链路层中可靠数据传输的过程，特别是针对有损信道环境下的差错控制。项目代码构建了发送端和接收端的逻辑模型，采用滑动窗口机制来管理数据流。与简单的停等协议或回退N步协议不同，本系统实现了更为高效的重传策略：当某个数据帧丢失或出错时，发送端仅重传该特定的数据帧，而不会重复发送后续已经正确接收的帧。接收端具备缓存能力，能够暂时存储乱序到达的帧，直到缺失的帧被正确接收后再按序交付。主要功能模块包括：数据帧生成、带有随机错误注入的信道模拟（模拟帧丢失或校验错误）、计时器与超时重传管理、ACK确认机制以及发送/接收窗口的动态滑动逻辑。该代码已经过严格的测试和验证，能够准确演示SR-ARQ协议在不同误码率下的吞吐量性能和可靠性。

详 情 说 明

选择性重传 (Selective Repeat) ARQ 协议仿真系统

项目简介

本项目是一个基于 MATLAB 开发的数据链路层协议仿真系统，专注于演示和分析 选择性重传 (Selective Repeat, SR) 自动重传请求 (ARQ) 协议的工作机制。

该系统模拟了在不可靠信道（存在丢包和传输延迟）上进行可靠数据传输的全过程。与停等协议或回退 N 步协议不同，本仿真通过独立的计时器和接收端缓存机制，实现了仅重传出错或超时帧的高效传输策略，并在仿真结束后提供可视化的性能分析报告。

功能特性

• 完整的 SR-ARQ 逻辑实现：实现了发送窗口和接收窗口的双向滑动机制，支持乱序接收和缓存。
• 离散事件驱动仿真：采用基于时间步（Ticks）的仿真引擎，精确模拟传输延迟（RTT）、超时判定和事件触发。
• 参数化信道模型：支持自定义数据帧总数、窗口大小、误帧率（Frame Loss Probability）、ACK 丢失率以及超时阈值。
• 独立计时器管理：发送端为每个已发送但未确认的帧维护独立的逻辑计时器，精确控制重传。
• 动态可视化分析：仿真结束后自动生成时序图，展示发送、重传、ACK 确认及丢包的详细过程，并统计每帧的传输次数。
• 性能统计：自动计算信道利用率（Goodput）和总传输开销。

系统要求

• MATLAB R2016a 或更高版本（代码不依赖特定工具箱，使用基础 MATLAB 语法）。
• 标准图形化显示环境（用于绘制结果图表）。

核心算法与实现逻辑

本项目模拟的核心逻辑主要包含以下四个部分，严格对应源码中的处理流程：

1. 发送端逻辑：窗口管理与新帧发送

系统维护一个发送窗口 [send_base, send_base + N - 1]。在每个仿真时间步，程序首先检查窗口是否有空闲空间（即 next_seq_num 是否在窗口范围内）。

• 若窗口未满且还有待发数据，系统生成新帧，记录当前发送时间作为该帧的计时起点。
• 通过随机数生成器模拟信道丢包：如果判定为丢包，该帧直接被标记为传输失败（不进入信道队列）；否则，将帧加入信道事件队列，设定到达时间为 当前时间 + RTT/2。

2. 发送端逻辑：超时检测与重选重传

这是 SR 协议区别于 GBN 的关键之处。代码不使用单一计时器，而是遍历当前窗口内所有已发送但未收到 ACK 的帧：

• 对每个未确认帧，检查 当前时间 - 发送时间 是否超过 TIMEOUT_TICKS。
• 一旦发现超时，仅重传该特定帧，重置其计时器，并将重传计数加一。
• 重传过程同样经过信道丢包模拟。

3. 信道模型：事件队列处理

仿真使用一个矩阵作为事件队列，模拟物理传输延迟。

• 队列存储格式为 [事件类型, 帧序号, 到达时间]。
• 在每个时间步，系统扫描队列，提取出 到达时间 <= 当前时间 的所有事件进行处理。这模拟了数据帧到达接收端或 ACK 到达发送端的过程。

4. 接收端逻辑：缓存与确认

接收端维护接收窗口和缓存状态 rcv_buffer。当收到数据帧时：

• 窗口内帧：如果帧序号在接收窗口内，将其标记为已缓存（rcv_buffer 对应位置置 True）。无论是否是重复帧，接收端都会发送 ACK。
• 窗口前帧：如果收到小于当前接收窗口基序号的帧（通常是 ACK 丢失导致的重传），接收端会识别为旧帧，但仍会重新发送 ACK 以同步发送端状态。
• 窗口滑动：接收端检查窗口基序号（rcv_base）对应的帧是否已缓存。如果是，则连续向上层交付数据，并移动窗口基序号，直到遇到未接收的帧为止。

5. ACK 处理与发送窗口滑动

当发送端收到 ACK 时：

• 将对应帧标记为已确认（ack_received 置 True）。
• 检查 ACK 的序号是否等于发送窗口基序号（send_base）。如果是，则发送窗口向前滑动，直到遇到第一个未确认的帧。这释放了窗口空间，允许发送后续新帧。

使用方法

1. 打开 MATLAB 环境。
2. 将包含源码的 .m 文件设置为当前工作目录。
3. 直接运行主函数。
4. 观察命令行输出的实时日志，了解每一步的发送、接收、丢包和滑动窗口状态。
5. 仿真结束后，查看自动弹出的分析图表。

仿真结果图表说明

运行结束后，系统会生成一个包含两个子图的分析窗口：

1. 帧传输时序图 (上图)

• X轴：仿真时间 (Ticks)。
• Y轴：帧序号。
• 蓝色茎叶图：表示帧的首次发送。
• 红色茎叶图：表示帧的超时重传，红色的多寡直观反映了信道质量。
• 绿色三角形：表示发送端成功收到了 ACK。
• 红色 X 标记：表示数据帧在传输过程中丢失。

2. 传输统计直方图 (下图)

• 展示每个数据帧（Frame #1 to #N）实际被传输的次数。
• 理论最少传输次数为 1。柱状图高度超过 1 的部分代表发生了重传。
• 红色虚线标示了本次仿真的平均传输次数，用于衡量当前网络环境下的传输效率。

关键参数说明

在代码顶部可以调整以下参数来观察不同环境下的协议表现：

• TOTAL_FRAMES: 计划传输的总帧数。
• WINDOW_SIZE: 协议的窗口大小（影响流水线效率）。
• FRAME/ACK_LOSS_PROB: 模拟信道的丢包率。
• TIMEOUT_TICKS: 触发重传的等待时间阈值。
• RTT_TICKS: 模拟的往返时延。
• SIMULATION_SPEED: 设置日志打印速度（设为 0 可瞬间完成仿真）。