面试题：Node.js TCP Socket在IoT设备安全通信及分布式系统中的深度应用

整体架构设计思路

端到端加密（TLS）：
- 在Node.js中，使用tls模块来实现TLS加密。中央服务器和设备都需要配置TLS证书。服务器端配置自己的私钥和证书，设备端配置服务器的CA证书用于验证服务器身份。这样可以确保数据在传输过程中被加密，防止中间人攻击。
- 对于设备端，在连接服务器时，通过tls.connect方法指定服务器的CA证书进行验证。
- 服务器端通过tls.createServer方法创建TLS服务器，并传入自己的私钥和证书。
连接池管理：
- 在分布式环境下，为了提高性能，使用连接池来管理与各个设备的TCP连接。可以创建一个连接池类，该类维护一个连接队列。
- 当有数据需要发送到某个设备时，先从连接池中获取一个可用连接。如果连接池为空，则创建新的连接。
- 连接使用完毕后，将其返回连接池，而不是直接关闭，以便下次复用。
- 为了防止连接长时间闲置，可以设置连接的超时时间，对于超时的连接进行清理。
节点故障处理：
- 对于设备节点故障，服务器可以通过心跳机制来检测设备是否存活。设备定期向服务器发送心跳包，服务器在一定时间内没有收到心跳包，则认为设备故障。
- 当检测到设备故障时，记录故障信息，并可以尝试重新连接设备。如果多次尝试仍无法连接，则将该设备从连接池中移除。
- 对于服务器节点故障，采用多服务器冗余架构。使用负载均衡器将设备的连接请求均匀分配到多个服务器上。当某个服务器出现故障时，负载均衡器可以将请求重定向到其他正常的服务器。
数据一致性问题：
- 在分布式系统中，数据一致性是关键。可以采用分布式数据库（如Redis Cluster、Cassandra等）来存储设备数据。
- 当设备发送数据到服务器时，服务器先将数据写入分布式数据库，确保数据的持久化。
- 为了保证数据的一致性，可以采用一些一致性协议，如Paxos、Raft等。在Node.js应用中，可以使用相关的库来实现这些协议，确保各个服务器节点的数据一致性。

关键代码片段

服务器端TLS配置：

const tls = require('tls');
const fs = require('fs');

const options = {
    key: fs.readFileSync('server-key.pem'),
    cert: fs.readFileSync('server-cert.pem'),
    ca: fs.readFileSync('ca-cert.pem')
};

const server = tls.createServer(options, (socket) => {
    console.log('A device connected');
    socket.write('Welcome to the IoT server!\n');
    socket.on('data', (data) => {
        console.log('Received from device:', data.toString());
    });
    socket.on('end', () => {
        console.log('Device disconnected');
    });
});

server.listen(8080, () => {
    console.log('Server listening on port 8080');
});

设备端TLS连接：

const tls = require('tls');
const fs = require('fs');

const options = {
    ca: fs.readFileSync('ca-cert.pem')
};

const socket = tls.connect(8080, 'server - address', options, () => {
    console.log('Connected to server');
    socket.write('Hello, server!\n');
});

socket.on('data', (data) => {
    console.log('Received from server:', data.toString());
});

socket.on('end', () => {
    console.log('Connection closed');
});

简单连接池示例：

class ConnectionPool {
    constructor(maxConnections) {
        this.maxConnections = maxConnections;
        this.pool = [];
        this.activeConnections = 0;
    }

    getConnection() {
        return new Promise((resolve, reject) => {
            if (this.pool.length > 0) {
                const connection = this.pool.pop();
                resolve(connection);
            } else if (this.activeConnections < this.maxConnections) {
                // 创建新连接
                const newConnection = tls.connect(8080, 'server - address', options, () => {
                    this.activeConnections++;
                    resolve(newConnection);
                });
                newConnection.on('error', (err) => {
                    reject(err);
                });
            } else {
                // 等待连接可用
                const interval = setInterval(() => {
                    if (this.pool.length > 0) {
                        const connection = this.pool.pop();
                        clearInterval(interval);
                        resolve(connection);
                    }
                }, 100);
            }
        });
    }

    releaseConnection(connection) {
        this.pool.push(connection);
    }
}

心跳检测示例（服务器端）：

const heartBeatInterval = 5000; // 5秒
const heartBeatTimeout = 15000; // 15秒

const deviceHeartBeats = {};

server.on('connection', (socket) => {
    const deviceId = socket.remoteAddress;
    deviceHeartBeats[deviceId] = Date.now();

    const interval = setInterval(() => {
        if (Date.now() - deviceHeartBeats[deviceId] > heartBeatTimeout) {
            console.log('Device', deviceId, 'is likely down');
            clearInterval(interval);
            socket.end();
            // 处理连接池移除等操作
        }
    }, heartBeatInterval);

    socket.on('data', (data) => {
        const message = data.toString().trim();
        if (message === 'HEARTBEAT') {
            deviceHeartBeats[deviceId] = Date.now();
        }
    });
});

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