Лабораторная 11.51 — Подтверждения: отправитель узнаёт, что потерялось¶

Идея¶

Чат Лабораторной 11.50 отправляет каждую строку один раз и надеется. На стенде курса при уровнях по умолчанию этого хватает, но стоит убавить передатчики, и строки начинают исчезать бесследно: отправитель печатает >>, другая плата не печатает ничего, и никто об этом не знает. Эта лабораторная добавляет старейшее средство канального уровня. Приёмник отвечает на каждую строку, а отправитель повторяет строку, пока не придёт ответ. Это около сотни строк на C поверх Лабораторной 11.50, в ПЛИС не меняется ничего.

Интереснее всего то, чего ответы сделать не могут. Отправитель, не получивший ответа, не может понять, потерялась его строка или ответ, и на стенде эта неоднозначность видна прямо в цифрах.

Протокол¶

отправитель                                 приёмник
строка, номер s      ------------------>    новый s?  вывести
                     <------------------    ACK, номер s         (на каждую копию, новую или нет)
нет ACK за 0,6 с: отправить строку снова, не больше 5 раз

Подтверждение это отдельный кадр. Обычный кадр packet-v1 с полезной нагрузкой в один байт, 0x06 (ASCII ACK), и номером строки, на которую он отвечает. Набранная строка никогда не начинается с этого байта, поэтому приёмник различает их без поля типа.
Приёмник подтверждает каждую копию. Если его первое подтверждение потерялось, отправитель пришлёт строку снова, и приёмник, промолчавший потому, что уже видел эту строку, заставил бы отправителя сдаться.
Приёмник выводит строку один раз. Номер отличает повтор от новой строки.
Номера начинаются со случайного значения. Иначе чат, перезапущенный на одной плате, начал бы с номеров, которые другая плата только что видела, и его первые строки отбросились бы как повторы.

Что нужно¶

Стенд Лабораторной 11.50: две платы с образом issue70-listen-window (результаты ниже сняты на issue69-listen-silent), два кабельных пути, /root/zmbox на обеих платах, собранный из blocks/block_11_integrated_sdr_project/sw/zmbox.c. Подтверждения это режим той же программы:

board-a$ ./zmbox chat --name A --arq --tx-gain -30
board-b$ ./zmbox chat --name B --arq --tx-gain -50

Канал, который теряет строки¶

Чтобы увидеть подтверждения в работе, сделайте канал плохим. На стенде курса плата A на TX −50 дБ и плата B на TX −71 дБ теряют около 40 % строк (путь B -> A идёт без сплиттера, поэтому плате B нужно на 21 дБ меньше). Обмен по сценарию на этих уровнях, записанный на стенде:

плата A                                                   плата B
>> A: hello, B here?                                      << A: hello, B here?
<< B: yes, hearing you, A                                 >> B: yes, hearing you, A   (acknowledged after a repeat)
>> A: loud and clear   (no acknowledgement after 5 tries)
<< B: what carrier?                                       >> B: what carrier?   (acknowledged after a repeat)
>> A: 915 MHz, conducted   (acknowledged after a repeat)  << A: 915 MHz, conducted
<< B: nice. signing off                                   >> B: nice. signing off
>> A: bye   (acknowledged after a repeat)                 << A: bye

(Консоли показаны рядом; строки подавал скрипт, поэтому самого набранного текста нет.) Четырём строкам понадобился повтор, и они дошли. «loud and clear» не дошла за 5 попыток, и плата A об этом сказала. В этом весь выигрыш: потерянная строка больше не теряется молча.

То же сравнение, посчитанное скриптом Лабораторной 11.50:

cd blocks/block_11_integrated_sdr_project/python
python two_board_chat.py --rounds 60 --tx-gain-a -50 --tx-gain-b -71 --json-out plain.json
python two_board_chat.py --rounds 60 --tx-gain-a -50 --tx-gain-b -71 --arq --json-out arq.json

На стенде курса, по два прогона, всего 100 раундов:

	A -> B	B -> A
без `--arq`	60 из 100	61 из 100
с `--arq`	100 из 100	99 из 100

С --arq 52 строкам платы A и 45 строкам платы B понадобился хотя бы один повтор. Ни одна строка не пришла искажённой и ни одна не была выведена дважды. При уровнях по умолчанию подтверждения почти ничего не стоят: 30 из 30 строк в каждую сторону, всего 4 повтора.

Когда теряется ответ¶

За эти 100 раундов на плохом канале отправители 8 раз сообщили «no acknowledgement after 5 tries». По-настоящему потерялась только одна из этих строк. Остальные семь дошли, а обратно не дошло подтверждение. Отправителю их не различить: в обоих случаях он просто ничего не слышит.

Это не ошибка чата. По каналу, который может терять кадры в обе стороны, никакой конечный обмен сообщениями не даёт обеим сторонам уверенности в одном и том же: каждому подтверждению понадобилось бы своё подтверждение. Поэтому протокол выбирает, что он может обещать. Этот обещает, что строка, которую отправитель назвал подтверждённой, дошла, и что потерянная строка никогда не теряется молча. Он не обещает, что «нет подтверждения» значит «не доставлено».

Нужны оба направления¶

То же сравнение на разных уровнях, плата B всегда на 21 дБ ниже платы A, 40 строк на точку:

Доля доставленных строк в зависимости от уровня, с подтверждениями и без

До −50 дБ у платы A подтверждения доставляют каждую строку, там, где простой чат теряет до половины. Шагом ниже, на −53/−74 дБ, появляется новое. Плата B вывела 26 из 40 строк платы A, а плата A назвала 36 своих строк неподтверждёнными. Подтверждения на строки платы A идут от B к A, а на этом уровне направление B -> A само доставляло 2 строки из 40. Протокол, который держится на ответах, хорош ровно настолько, насколько хорошо худшее из двух его направлений.

Что попробовать¶

Наберите строки на обеих платах одновременно. Модем полудуплексный: пока плата передаёт и слышит собственную пачку, она не может принимать, так что первые попытки сталкиваются. На стенде курса это стоило почти каждой строке платы B одного повтора, но ни одна строка не потерялась, а случайная добавка к ожиданию перед повтором (zmbox добавляет до 0,5 с; ZMBOX_ARQ_BACKOFF=0 её отключает) не дала заметной разницы: после первого столкновения платы уже не идут в ногу. Запуск: two_board_chat.py --arq --b-offset 0.
Поменяйте ARQ_TRIES или ARQ_WAIT_S в zmbox.c. Меньше попыток теряет больше строк; более короткое ожидание шлёт повтор раньше, чем подтверждение могло бы прийти (ему нужно не меньше 140 мс ожидания из Лабораторной 11.50 плюс сама пачка).

Задания¶

Зачем приёмник подтверждает строку, которую уже вывел?
Что пошло бы не так, если бы каждый чат начинал с номера 1?
Отправитель сообщает «no acknowledgement after 5 tries». Что он может заключить о строке, а что нет?
Повторы идут с постоянным интервалом. Почему две платы, говорящие одновременно, могут раз за разом терять строки друг друга, и как это обычно лечат?

Ответы

Потому что потеряться могло его подтверждение. Отправитель знает только, что ничего не услышал, и шлёт строку снова; если бы приёмник молчал о строках, которые у него уже есть, отправитель повторял бы, пока не сдастся, и затем назвал бы доставленную строку потерянной.
После перезапуска одной платы её первые строки несли бы номера, которые другая плата только что вывела, и приёмник отбросил бы их как повторы. Случайное начальное значение делает это маловероятным. Протокол, которому нужно исключить это совсем, договаривается о нумерации в начале сеанса.
Только то, что подтверждение не вернулось. Строка могла потеряться, а могла дойти, и потерялись все подтверждения; на стенде так было в 7 случаях из 8. Положиться можно на обратный случай: подтверждённая строка дошла.
Каждая плата перестаёт слушать, пока передаёт. Если обе начинают строку примерно в один момент и повторяют в одном ритме 0,6 с, каждый повтор может попадать туда, где передаёт другая плата. Обычное лекарство это случайная задержка: перед каждым повтором ждать случайное время, чтобы ритмы двух плат разошлись. На стенде курса ритмы расходились сами после первого столкновения, и задержка разницы не дала; на более загруженном канале она понадобится.

Подтверждения¶

two-board-arq-20261017.md: протокол, односторонняя база и прогоны на плохом канале;
two-board-link-layer-20261017.md: доставка в зависимости от уровня, одновременный набор, дробление и скорость;
two-board-chat-20261016.md: чат без подтверждений.

Что лабораторная показывает и чего не показывает¶

Она показывает канальный уровень, который превращает канал, теряющий около 40 % кадров, в канал, доставляющий 199 строк из 200 и сообщающий об остальных, без изменений в ПЛИС. Надёжной связи в строгом смысле она не показывает: «нет подтверждения» не значит «потеряно», ей нужны оба направления, а потери на стенде не разделены по причинам. Одна пара плат, одна несущая, кабельные пути, по два прогона на строку таблицы.

Лабораторная 11.52 отправляет сообщения длиннее одного пакета подтверждаемыми кусками и измеряет, куда уходит время этого канала «отправил и жди».