面试题：网络编程之Socket协议优化与安全

Question

在一个基于Socket的实时通信系统中，使用自定义协议进行消息传输。目前系统出现消息偶尔丢失和延迟过高的问题，同时面临数据被篡改的风险。请从协议设计层面提出优化方案，如何解决消息丢失和延迟问题，并增强协议的安全性以防止数据篡改。

Answer 1

解决消息丢失和延迟问题

1. 确认与重传机制
   • 在自定义协议中添加消息序列号。发送方为每个发送的消息分配一个唯一序列号，并记录已发送但未确认的消息。接收方在接收到消息后，回复一个包含该消息序列号的确认消息（ACK）。发送方在设定的超时时间内若未收到ACK，重发该消息。例如，发送方每发送一条消息，启动一个定时器，若定时器超时未收到ACK，重发该消息并重置定时器。
   • 可以采用滑动窗口协议，发送方可以在未收到ACK的情况下连续发送多个消息，窗口大小根据网络状况动态调整。接收方按序列号顺序接收消息，若收到乱序消息，缓存起来等待正确顺序的消息到达，减少不必要的重传。
2. 流量控制
   • 接收方在ACK消息中携带自身接收缓冲区的剩余容量信息。发送方根据接收方反馈的缓冲区剩余容量，动态调整发送速率。当接收方缓冲区快满时，发送方降低发送速度，避免因接收方来不及处理而导致消息丢失。
   • 可以使用令牌桶算法实现流量控制。发送方有一个令牌桶，以固定速率生成令牌。每次发送消息需要从令牌桶获取一个令牌，若令牌桶中没有令牌，则等待令牌生成或丢弃消息，以此限制发送速率。
3. 心跳机制
   • 定期（如每隔一定时间间隔）发送心跳消息，用于检测连接状态。若接收方长时间未收到心跳消息，则判定连接可能中断，主动关闭连接并尝试重新连接。例如，客户端和服务器端每隔30秒互相发送心跳消息。
   • 心跳消息可以设计得非常简单，只包含必要的标识信息，以减少网络开销。同时，心跳消息的超时时间应根据网络状况合理设置，避免误判。

增强协议安全性防止数据篡改

1. 消息认证码（MAC）
   • 在消息中添加MAC字段。发送方使用共享密钥和消息内容计算出MAC值，将其附加在消息末尾。接收方接收到消息后，使用相同的共享密钥和接收到的消息内容重新计算MAC值，并与接收到的MAC字段进行比对。若两者一致，则认为消息未被篡改；否则，丢弃该消息。例如，使用HMAC（Hash - based Message Authentication Code）算法，常见的有HMAC - SHA256，它结合了哈希函数（如SHA256）和共享密钥来生成MAC值。
2. 数字签名
   • 发送方使用自己的私钥对消息内容进行签名。签名过程可以是对消息的哈希值进行加密，然后将签名附加在消息上。接收方使用发送方的公钥验证签名，若验证成功，则说明消息来自合法发送方且未被篡改。例如，使用RSA算法进行数字签名，发送方用私钥对消息哈希值加密生成签名，接收方用公钥解密签名并与重新计算的消息哈希值比对。
3. 加密传输
   • 对整个消息体进行加密。可以选择对称加密算法（如AES），发送方和接收方使用相同的密钥对消息进行加密和解密，加密后的消息在网络上传输，防止中途被窃取和篡改。若采用非对称加密算法（如RSA），发送方用接收方的公钥加密消息，接收方用自己的私钥解密，虽然非对称加密性能相对较低，但在密钥交换等场景中有优势。也可以采用混合加密方式，先用非对称加密交换对称加密的密钥，然后用对称加密算法加密消息体，兼顾安全性和性能。