面试题：自定义网络协议基于TCP/IP协议栈的设计与实现

Question

假设你要设计一个适用于实时数据传输的自定义网络协议，基于TCP/IP协议栈，描述该协议的整体架构、数据格式、交互流程，同时说明如何保证数据的可靠性、实时性以及如何处理可能出现的网络拥塞和丢包问题。

Answer 1

整体架构

1. 应用层：定义特定于实时数据传输的业务逻辑，如音视频流的编解码处理，根据业务需求对数据进行分块等操作，调用自定义协议接口将数据传递给传输层。
2. 传输层：基于TCP，利用其可靠传输特性确保数据无差错到达，但TCP的拥塞控制机制可能对实时性有一定影响，所以需对其进行优化。在TCP头部基础上自定义一些字段，用于标识实时数据的优先级等信息。
3. 网络层：使用IP协议进行寻址和路由，将数据封装在IP数据包中在网络中传输。
4. 数据链路层：负责将IP数据包封装成帧，通过物理介质传输，常见的如以太网协议。

数据格式

1. 自定义头部：
   • 版本号：标识协议版本，便于协议升级和兼容性处理。
   • 数据类型：区分音频、视频、控制指令等不同类型数据。
   • 优先级：定义数据的实时性优先级，高优先级数据优先处理和传输。
   • 序列号：为每个数据包编号，用于数据的排序和重传。
   • 校验和：对头部和数据部分进行校验，确保数据完整性。
2. 数据部分：根据数据类型填充实际的音视频数据、控制指令等内容。

交互流程

1. 连接建立：客户端和服务器通过TCP三次握手建立连接，之后在应用层进行自定义协议的初始化，如协商版本号、数据格式等参数。
2. 数据传输：
   • 发送端应用层将实时数据按自定义格式封装，交给传输层，传输层加上TCP头部后传递给网络层。
   • 接收端按协议栈顺序逐层解封装，网络层将数据交给传输层，传输层验证TCP头部及自定义头部的校验和等，无误后将数据交给应用层，应用层根据序列号对数据进行排序重组。
3. 连接关闭：数据传输完毕，通过TCP四次挥手关闭连接。

保证数据可靠性

1. 序列号与确认机制：发送端为每个数据包分配序列号，接收端接收到数据包后，通过ACK确认消息告知发送端已正确接收。若发送端在一定时间内未收到确认，重传该数据包。
2. 校验和：在自定义头部和数据部分计算校验和，接收端通过重新计算校验和验证数据是否在传输过程中损坏，若校验和不一致则丢弃该数据包并要求重传。

保证实时性

1. 优先级调度：根据自定义头部中的优先级字段，在发送端和网络设备中对高优先级实时数据优先处理和转发，减少排队等待时间。
2. 减少缓冲：在接收端和发送端尽量减少数据缓冲，快速处理和转发数据，降低端到端延迟。
3. 自适应码率调整：根据网络状况实时调整数据发送码率，避免因网络带宽不足导致数据积压和延迟。

处理网络拥塞和丢包问题

1. 拥塞控制：
   • 优化TCP拥塞控制算法：如采用更适合实时数据的拥塞控制算法，像BBR（Bottleneck Bandwidth and Round - trip propagation time），它能更准确地探测网络带宽和延迟，避免过度拥塞。
   • 反馈机制：接收端通过反馈消息告知发送端网络状况，如丢包率、带宽利用率等，发送端根据反馈动态调整发送速率。
2. 丢包处理：
   • 快速重传：当接收端连续收到多个重复序列号的数据包时，认为中间数据包丢失，立即发送重复ACK，发送端收到一定数量重复ACK后，不等超时就重传丢失的数据包。
   • 前向纠错（FEC）：发送端在数据中添加冗余纠错码，接收端根据这些冗余信息恢复丢失的数据包，减少重传次数，提高实时性。