面试题：网络编程中，设计一个基于应用层协议优化高并发场景下数据传输的方案

Question

假设你处于一个高并发的网络应用场景，用户请求频繁且数据量较大。请结合TCP/IP协议栈中的应用层协议，设计一个优化数据传输的方案，需要阐述方案涉及的应用层协议选择理由、数据传输流程、如何解决可能出现的拥塞及可靠性问题等。

Answer 1

应用层协议选择

1. HTTP/2：
   • 理由：
     • 多路复用：它允许在一个连接上同时发送多个请求和响应，避免了HTTP/1.1中的队头阻塞问题，大大提高了并发性能。在高并发场景下，多个用户请求可以更高效地传输，提升用户体验。
     • 头部压缩：HTTP/2使用HPACK算法对头部进行压缩，减少了传输的数据量，尤其在数据量较大时，能有效降低网络带宽占用。
     • 服务器推送：服务器可以主动向客户端推送资源，减少客户端额外的请求次数，加快页面加载速度，适合频繁请求的场景。

数据传输流程

1. 客户端发起请求：
   • 客户端构建HTTP/2请求，将用户请求数据封装在请求体中，并设置相关的请求头信息，如目标URL、请求方法等。
   • 通过TCP连接将请求发送到服务器。
2. 服务器处理请求：
   • 服务器接收到请求后，解析HTTP/2请求头和请求体，获取用户请求的具体内容。
   • 根据请求处理业务逻辑，生成响应数据。
   • 将响应数据封装在HTTP/2响应体中，并设置响应头信息，如状态码、内容类型等。
   • 通过TCP连接将响应发送回客户端。
3. 客户端处理响应：
   • 客户端接收到响应后，解析HTTP/2响应头和响应体，获取服务器返回的数据。
   • 根据响应数据进行相应的展示或后续处理。

拥塞解决

1. TCP拥塞控制机制：
   • 慢启动：在连接建立初期，拥塞窗口（cwnd）初始化为一个较小的值（通常为1个MSS，即最大段长度）。每收到一个确认（ACK），cwnd就增加1个MSS，使数据发送速率逐渐增加。
   • 拥塞避免：当cwnd达到慢启动门限（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。此时每收到一个ACK，cwnd增加1/cwnd个MSS，使数据发送速率增长变缓，避免网络拥塞。
   • 快速重传和快速恢复：如果连续收到3个重复的ACK，说明可能有数据包丢失，但网络尚未完全拥塞。此时执行快速重传，无需等待超时就重传丢失的数据包，并将ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd设置为ssthresh + 3个MSS，然后进入拥塞避免阶段，继续发送数据。
2. HTTP/2流量控制：
   • HTTP/2在每个流上进行流量控制，客户端和服务器都可以设置接收窗口大小（rwnd），通过WINDOW_UPDATE帧来通知对方自己的接收窗口变化。发送方根据接收方的rwnd来控制数据发送速率，避免接收方缓冲区溢出，从而间接缓解网络拥塞。

可靠性问题解决

1. TCP可靠性保证：
   • 校验和：TCP在发送数据时会计算校验和，并将其放入TCP首部。接收方收到数据后，重新计算校验和并与首部中的校验和进行比较，若不一致则丢弃该数据包，确保数据在传输过程中没有损坏。
   • 序列号和确认机制：每个TCP数据包都有一个序列号，接收方通过确认（ACK）机制告知发送方已成功接收的数据。发送方根据ACK确认号和序列号来判断哪些数据需要重传，保证数据的有序到达和不丢失。
2. HTTP/2可靠性增强：
   • 错误处理：HTTP/2定义了一系列错误码，当发生错误时，服务器或客户端可以通过发送RST_STREAM帧来终止一个流，并在帧中携带错误码，告知对方错误原因，便于进行错误排查和处理，保证数据传输的可靠性。