Sliding Window

Begriff und Grundidee

Sliding Window („Schiebefenster“) bezeichnet bei der Datenflusskontrolle in Rechnernetzen ein Fenster, das einem Sender die Übertragung einer bestimmten Menge an Daten ermöglicht, bevor er eine Bestätigung zurückerwartet. Protokolle, die dieses Verfahren verwenden, heißen Sliding-Window-Protokolle oder Schiebefensterprotokolle.

Ziel ist, die Kapazitäten der Leitung und des Empfängers optimal auszulasten und möglichst viele Datenpakete beziehungsweise Datenframes gleichzeitig zu übertragen. Das Verzögerungs-Bandbreite-Produkt beschreibt dabei die maximale Datenmenge, die sich in der Übertragung befinden kann, ohne dass auf die erste Bestätigung gewartet werden muss.

Ablauf und Fensterverwaltung

Der Sender verwaltet eine Liste aufeinanderfolgender Sequenznummern. Sie entspricht der Anzahl der Frames, die er senden darf, ohne für jedes einzelne sofort eine Bestätigung abzuwarten. Wird ein Datenpaket erfolgreich zugestellt, sendet der Empfänger eine Bestätigung, ein ACK-Signal, zurück. Dadurch darf der Sender ein weiteres Frame übertragen.

Erhält der Sender innerhalb des Timeouts kein ACK, überträgt er das betreffende Frame erneut. Ist das Verzögerungs-Bandbreite-Produkt bereits erreicht, kann bis zum Eintreffen einer Bestätigung kein neues Frame übertragen werden; es entsteht ein Stau in der „Pipe“. Das Sendefenster verschiebt sich mit jeder eingehenden Bestätigung: Das bestätigte Frame fällt aus dem Fenster heraus, und ein neu zu sendendes Frame wird aufgenommen. Deshalb enthält das Fenster immer nur unbestätigte Frames.

Da Frames während der Übertragung verloren gehen können, muss der Sender alle noch benötigten Datenpakete im Speicher behalten, damit er sie erneut übertragen kann. Auch der Empfänger verwaltet ein Schiebefenster. Sendefenster und Empfangsfenster müssen nicht gleich groß sein; ihre Größen können sich im Laufe der Zeit durch das Senden und Empfangen von Frames verändern. Die Größe des Sendefensters richtet sich nach dem vom Empfänger angegebenen Maximum und nach der Netzbelastung. Jede Bestätigung enthält außerdem einen Wert, der angibt, für welche Menge weiterer Datenpakete beim Empfänger noch Kapazität vorhanden ist.

Aufgaben und Einsatz

Der Sliding-Window-Algorithmus erfüllt in Rechnernetzen drei zentrale Aufgaben:

• Er ermöglicht die zuverlässige Zustellung von Datenpaketen über eine unzuverlässige Verbindungsleitung.
• Er sorgt für die Einhaltung der Übertragungsreihenfolge der Frames.
• Er übernimmt die Flusskontrolle. Dieser Rückmeldemechanismus verhindert, dass der Sender mehr Daten überträgt, als der Empfänger verarbeiten kann.

Das Transmission Control Protocol (TCP) verwendet das Sliding-Window-Protokoll, um Daten möglichst effizient zu übertragen. Auch das Point-to-Point Protocol (PPP) nutzt das Schiebefensterverfahren.

Unterschied zu Stop-and-Wait

Der Stop-and-Wait-Algorithmus ist ebenfalls ein ARQ-Protokoll. Nach der Übertragung eines Frames wartet der Sender auf eine Bestätigung, bevor er das nächste Frame überträgt. Bleibt die Bestätigung innerhalb der Wartezeit aus, sendet er das Frame erneut.

Stop-and-Wait gestattet nur ein ausstehendes Frame auf der Verbindungsleitung und ist dadurch ineffizient. Sliding Window kann dagegen mehrere Frames gleichzeitig übertragen. Stop-and-Wait ist ein Spezialfall des Sliding-Window-Algorithmus: Beide Verfahren arbeiten identisch, wenn die Größe des Sendefensters auf 1 Frame eingestellt ist.

Beispiel: Sliding Window im Radargerät

In einigen Radargeräten wird das Verfahren verwendet, um aus analogen Zielimpulsen ein digitales Zielsignal zu erzeugen. In einer als Plotextraktor bezeichneten Radarbaugruppe werden die Echosignale mehrerer Impulsfolgeperioden in einen Speicher geschrieben.

Anschließend werden die Signale der Impulsperioden ab der ersten Rangecell miteinander verglichen. Erreicht das Echosignal in allen Impulsperioden, also in allen parallel betrachteten Speichergruppen, einen bestimmten Schwellwert, repräsentiert die Position des Sliding Window die Koordinaten des zu ortenden Objekts.