X、Y、ZMODEM协议

X、Y、ZMODEM协议今天可能比较少见了，在学习Bootloader的时候可能会遇到，最早1977年XMODEM协议被提出，后续陆续发展出了YMODEM协议和ZMODEM协议。

XMODEM协议

XMODEM协议是一种串口通信中广泛用到的异步文件传输协议，诞生于上世纪70年代末。它由工程师Ward Christensen在1977年开发，最初用于个人计算机通过调制解调器（Modem，即“猫”）进行文件交换。

XMODEM协议的核心工作模式是“接收方驱动”的停-等（Stop-and-Wait）机制，可以理解为一种“一问一答”的对话，他是接收方主动发起的：

接收方主动发起：当接收方准备好接收文件时，它会先向发送方发送一个特定的启动字符，表明自己“已就位”。
发送方切块发送：发送方收到启动信号后，会把原始文件切割成一个个固定大小的“数据包（Packet）”，然后一次发送一个包。
接收方确认与反馈：接收方收到一个数据包后，会立即进行校验。如果校验无误，就回复一个“确认（ACK，Acknowledgment）”信号；如果发现数据在传输过程中出错，就回复一个“否认（NAK，Negative Acknowledgment）”信号。
发送方继续或重发：发送方收到“确认”后，才会继续发送下一个数据包；若收到“否认”，则会重新发送上一个出错的包。

图示：

发送方(Sender)                    接收方(Receiver)
    |                                  |
    |<------- 'C' (请求CRC模式) -------|
    |                                  |
    |---- 包1(SOH, 序号1, 数据, CRC) -->|
    |                                  | 校验包1正确
    |<---------- ACK(0x06) ------------|
    |                                  |
    |---- 包2(SOH, 序号2, 数据, CRC) -->|
    |                                  | 校验包2正确
    |<---------- ACK(0x06) ------------|
    |                                  |
    |---- 包3(SOH, 序号3, 数据, CRC) -->|
    |                                  | 校验包3正确
    |<---------- ACK(0x06) ------------|
    |                                  |
    |---------- EOT(0x04) ------------>| 发送方宣布结束
    |                                  | 接收方确认结束
    |<---------- ACK(0x06) ------------|
    |                                  |

如果某个包出错（例如包2丢失或校验错误）：

发送方(Sender)                    接收方(Receiver)
    |                                  |
    |---- 包2(SOH, 序号2, 数据, CRC) -->|
    |                                  | 校验错误
    |<---------- NAK(0x15) ------------| 请求重传
    |                                  |
    |---- 包2(重传, 同上) ------------>|
    |                                  | 校验正确
    |<---------- ACK(0x06) ------------|

其数据包结构：

+--------+----------+-------------+---------------------+--------+
| 帧头   | 包序号   | 序号反码   | 数据区              | 校验值  |
| (1字节)| (1字节)  | (1字节)     | (128字节)           | (1或2字节)|
+--------+----------+-------------+---------------------+--------+

关键控制字符：

字符	十六进制	方向	含义
SOH	0x01	发送→接收	128字节数据包开始
STX	0x02	发送→接收	1024字节数据包开始
EOT	0x04	发送→接收	文件传输结束
ACK	0x06	接收→发送	确认，请求下一个包
NAK	0x15	接收→发送	否认，请求重传上一个包
CAN	0x18	双向	取消传输（通常连续发送两次）
'C'	0x43	接收→发送	请求使用CRC校验模式

虽然它实现了可靠传输，但相比于后续发展的TCP协议，这个协议确实是比较简陋的，效率不高。

信息

我们先对比一下XMODEM协议和TCP协议的区别：

特性	XMODEM	TCP
流水线	不支持，一次只发一个包	滑动窗口，可同时发送多个段
确认方式	每个包独立确认	累积确认，一个ACK可确认多个段
窗口自适应	无	有（拥塞窗口、接收窗口）
头部开销	3~5字节/包	20字节/段，但可通过大段传输摊薄
带宽利用	极低（高延迟下）	高（管道填满）
适用场景	低速、简单串口	高速、复杂网络

XMODEM之所以效率不高，根源在于XMODEM中，发送方每发送一个包，都要等接收方确认才能继续发送（"停-等"流水线模型），这是低效的。TCP则使用了滑动窗口机制，即发送方可以发送多个包，而接收方只需要确认一个包即可，发送方的效率就提高了。（这也能让我们理解为什么TCP高效）

信道利用率 ≈ (数据包发送时间) / (数据包发送时间 + 2×信号往返延迟 + 处理延迟), 当往返延迟（RTT）接近或超过发送一个包的时间时，利用率会跌破50%，甚至更低。

XMODEM使用固定的重传计时器（通常3~10秒），不会根据网络状况动态调整。而TCP拥有慢启动、拥塞避免、快速重传等机制，能充分利用带宽。

算校验和也是，虽然累加和或CRC-16计算本身很快，但每次都要在接收方完成后才能回复ACK，无法边收边处理。

XMODEM协议本质上是一个“一问一答”的对话模型，没有将确认信息与反向数据合并（如TCP的延迟确认），进一步增加了交互次数。

典型握手启动（CRC模式）

接收方启动时不会直接发送NAK（因为NAK会触发累加和模式），而是每隔一段时间发送一次 'C' 字符，直到收到发送方的第一个数据包或超时退出。

时间轴
接收方:   'C'  'C'  'C' ... (每3秒)
            |
发送方:     等待第一个'C'后，立即发送包1

XMODEM协议​

典型握手启动（CRC模式）​

YMODEM协议​

XMODEM协议

典型握手启动（CRC模式）

YMODEM协议