面试题：网络编程中Socket双向通信的可靠性保障与异常处理

Question

在复杂网络环境（如不稳定网络、高延迟、高丢包率）下，实现Socket客户端与服务器端双向通信的高可靠性传输。请设计一套完整的可靠性保障机制，包括但不限于重传策略、拥塞控制、错误检测与恢复，同时说明如何优雅地处理各种网络异常情况，确保通信的稳定性和数据的完整性。

Answer 1

1. 重传策略

• 超时重传：
  • 在客户端和服务器端发送数据时，启动一个定时器。例如，设定初始超时时间为1秒。如果在超时时间内未收到对方的确认（ACK），则重传该数据包。
  • 每次重传后，适当增加超时时间，如按照指数退避算法，每次超时时间翻倍，以应对网络延迟的变化。例如，第一次超时1秒，第二次2秒，第三次4秒等。
• 快速重传：
  • 当接收方收到乱序的数据包时，立即发送重复的ACK给发送方。发送方如果收到一定数量（如3个）的重复ACK，就认为后续数据包可能丢失，不等超时就重传丢失的数据包。

2. 拥塞控制

• 慢启动：
  • 发送方初始发送窗口（拥塞窗口）设为一个较小的值，如1个最大段大小（MSS）。每收到一个ACK，拥塞窗口就增加1个MSS。这样逐渐探测网络的承载能力。
  • 当拥塞窗口达到慢启动门限（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。
• 拥塞避免：
  • 在这个阶段，每收到一个ACK，拥塞窗口增加1 / cwnd 个MSS（cwnd为当前拥塞窗口大小）。增长速度比慢启动阶段慢，避免网络拥塞。
  • 当发生超时重传时，慢启动门限设为当前拥塞窗口的一半，拥塞窗口重新设为1个MSS，重新进入慢启动阶段。
• 快速恢复：
  • 当收到3个重复ACK触发快速重传后，慢启动门限设为当前拥塞窗口的一半，拥塞窗口设为慢启动门限加上3个MSS（因为收到3个重复ACK意味着有3个数据包离开了网络），然后进入拥塞避免阶段，而不是重新进入慢启动阶段。

3. 错误检测与恢复

• 校验和：
  • 在数据包的头部添加校验和字段。发送方在发送数据包前，根据数据包的内容计算校验和并填充到该字段。
  • 接收方收到数据包后，重新计算校验和并与收到的校验和字段比较。如果不一致，说明数据包在传输过程中出现错误，丢弃该数据包，并要求发送方重传。
• 序列号：
  • 为每个发送的数据包分配一个唯一的序列号。接收方根据序列号对数据包进行排序，发现缺失序列号的数据包时，向发送方请求重传。
  • 发送方维护一个已发送但未确认的数据包列表，根据接收方的重传请求，重传对应的数据包。

4. 处理网络异常情况

• 网络中断：
  • 客户端和服务器端都设置心跳机制，定期（如每10秒）发送心跳包给对方。如果一段时间（如30秒）内未收到心跳响应，判定网络中断。
  • 网络中断后，客户端尝试重新连接服务器。可以设定一个重连间隔，如从1秒开始，每次重连失败后翻倍，直到达到一个最大重连间隔（如60秒）。
• 高延迟：
  • 通过调整超时重传时间和拥塞控制策略来适应高延迟网络。例如，适当增大初始超时时间，在拥塞避免阶段更缓慢地增加拥塞窗口。
• 高丢包率：
  • 加强重传机制，如降低快速重传的重复ACK阈值，使得发送方更快地检测到丢包并进行重传。同时，在接收方设置缓存机制，缓存乱序到达的数据包，等待丢失的数据包重传后进行排序组装。