如何检测丢包？常用这两种方式

丢包重传是数据通信应用里面一项非常重要的功能，特别是在无线通信中是一项决定通信协议先进程度的指标。今天主要着重介绍如何检测丢包，之后再介绍重传机制。

 

如何检测丢包？

要想丢包重传，首先必须得检测到丢包，没有丢包就没有重传。在无线通信中，对于丢包的检测通常有两种方式：载波监听和应答机制。

 

01

载波侦听

载波侦听是一种常见的丢包检测方法，而在载波侦听基础之上又发展出CSMA/CA。CSMA/CA也可以看做一种重传机制，我们经常使用的Wi-Fi和ZigBee就采用了这种机制。通信设备在发送消息前，会打开接收并维持一段很短的时间。在这个很短的时间内，无线单元会检测同频段是否有其它的干扰信号，例如ZigBee设备在做载波侦听时，既要检测是否有Wi-Fi、蓝牙在发射信号，又会检测是否有其它的ZigBee在发射信号。如果干扰信号来自Wi-Fi或者蓝牙，ZigBee设备会测量它的功率有没有自己大，功率没自己大就压过去，功率比自己大就果断丢包；而ZigBee设备在载波侦听时如果遇到其它的ZigBee设备，不管对方功率是否比自己大，都会主动丢包，即让别人先走。

 

02

应答机制

判断丢包的另一个方法是增加应答机制，通常通信协议都会有OSI七层模型。七层协议中从链路层开始，每一层都可以添加应答机制。层级越低越接近硬件，应答机制的响应就越快。

OSI七层模型

 

我们还是以ZigBee的应答机制为例。ZigBee的OSI模型，具有应答机制的目前仅限MAC层（数据链路层）和APS层（传输层）。但是在实际应用中，很多时候还会为应用层添加应答机制。MAC层的应答是响应最快的，也叫做MAC-ACK，通常都在ZigBee的无线收发单元中硬件自动产生。接收端设备收到ZigBee数据帧后120微秒以广播的方式发出来。同时MAC-ACK也是ZigBee中最短的帧，帧长只有5字节，加上帧前导码和同步帧累计11字节。按照ZigBee的250kbps传输速率每个字节需要32微秒，一个MAC-ACK帧的占空时间352微秒。也就意味着发送端在发送一个MAC帧后，会在120+352=472微秒后收到该MAC帧对应的MAC-ACK。同样ZigBee的MAC层也规定发送端如果在540微秒内没有收到对应的MAC-ACK则认为是丢包。

 

MAC-ACK采用广播发送，首先可以减少MAC-ACK帧中表示地址的字段，减少帧长度，让ACK帧占空时间更短，发送端可以根据MAC-ACK帧中的帧序号来判断是否自己的MAC-ACK；其次MAC-ACK采用广播的方式，也可以提醒其它的ZigBee设备自己正在通信，其它的ZigBee设备如果这个时候也在进行载波侦听，就能主动避让正在通信的设备。在ZigBee的MAC层，载波侦听和MAC-ACK是双管齐下，这样能保证丢包检测的准确性。另外ZigBee的广播消息是不会产生MAC-ACK的。

ZigBee参考模型

 

多元化的丢包检测机制

ZigBee除了MAC层有应答机制，传输层和应用层也有应答机制。ZigBee是一个多跳的Mesh网络，而MAC层的传输只能满足单跳传输，因此ZigBee在传输层也做了应答，也叫做APS-ACK。ZigBee发送端把一个消息传输给ZigBee接收端，中间会经过多个ZigBee路由器节点的转发。接收端收到消息后，会通过相同的路由路径，把APS-ACK发给发送端，发送端收到APS-ACK就认为发送消息到达了接收端。如果发送端在6秒（默认值）后没有收到APS-ACK则会认为数据丢包。

 

ZigBee的系统中通常都只对应用层开放接口，在应用层开放的接口中最常见的就是一个叫做“AF Data Confirm”的检测接口，它综合了MAC层丢包（含MAC-ACK丢包和载波侦听丢包）、网络层丢包及传输层丢包等底层丢包信息。ZigBee的顶层应用中可以知道当前发送的消息是否丢包。

 

应用层的应答

MAC层和传输层的丢包检测，都属于系统层的丢包。还有一种丢包就是应用层的丢包，比如一个调光开关给一个空调设备发了一条“把亮度调到50%”的指令。这条指令如果不丢包，会有什么结果？肯定是空调会去执行“把亮度调到50%”，但是空调只有温度没有亮度，也就是说这条指令发给了不该发的目标。这个时候就需要应用层的应答来解决这个问题。比如空调收到了“把亮度调到50%”后，可以向发送端回复应用层应答“看清楚我不是灯泡”。