可靠性保障机制
- 拥塞控制
- 原理：通过监测网络拥塞情况，动态调整发送速率。当网络出现拥塞时，降低发送速率，避免进一步加重拥塞；当网络状况好转时，逐渐增加发送速率。
- 实现方式：可以借鉴TCP拥塞控制算法中的一些思想，如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。在UDP中没有像TCP那样的内置拥塞控制，需要在应用层实现类似机制。例如，维护一个拥塞窗口（cwnd），初始时cwnd设置为一个较小值（如1个MSS - 最大段大小）。每次成功收到确认（ACK），cwnd增加，若超时重传，则将cwnd减半。
- 自适应重传
- 原理：根据网络状况动态调整重传超时时间（RTO）。如果RTO设置过短，可能会导致不必要的重传；如果设置过长，在丢包时会导致较长的等待时间。
- 实现方式：采用Karn算法和Jacobson算法。Karn算法建议在计算RTO时，不考虑重传的报文段的往返时间（RTT）测量值。Jacobson算法则是根据已有的RTT测量值，动态调整RTO。例如，维护一个平滑的RTT（SRTT）和RTT的偏差（RTTVAR），RTO = SRTT + 4 * RTTVAR。每次收到ACK时，根据新的RTT测量值更新SRTT和RTTVAR。
- 数据校验与确认
- 原理：在发送端对每个数据包添加校验和（如CRC - 循环冗余校验），接收端收到数据包后进行校验。同时，接收端向发送端发送确认消息（ACK），告知发送端数据包已正确接收。
- 实现方式：在数据包结构体中添加校验和字段，发送前计算校验和并填充。接收端收到后重新计算校验和并与接收到的校验和比较。对于ACK，可以采用单独的ACK数据包，也可以在应用层协议允许的情况下，将ACK信息嵌入到其他响应数据包中。
- 序列号与排序
- 原理：为每个发送的数据包分配一个唯一的序列号，接收端根据序列号对数据包进行排序，以确保数据的正确顺序。在存在网络抖动的情况下，数据包可能会乱序到达，序列号可以解决这个问题。
- 实现方式：在数据包结构体中添加序列号字段，发送端每次发送新数据包时，序列号递增。接收端维护一个缓冲区，将接收到的数据包按序列号排序后再传递给上层应用。
利用Linux系统网络函数进行参数调优
- setsockopt函数
- SO_RCVBUF和SO_SNDBUF
- 作用：这两个选项分别用于设置接收缓冲区和发送缓冲区的大小。在复杂网络环境下，适当增大缓冲区大小可以减少丢包。例如，对于高带宽且高延迟的网络，较大的缓冲区可以在等待ACK的过程中存储更多已发送的数据。
- 设置方法：
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
int rcvbuf = 65536; // 设置接收缓冲区大小为64KB
int sndbuf = 65536; // 设置发送缓冲区大小为64KB
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &rcvbuf, sizeof(rcvbuf));
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sndbuf, sizeof(sndbuf));
- IP_TOS
- 作用：设置服务类型（Type of Service）字段，可以为数据包标记优先级。例如，对于实时性要求较高的可靠通信数据，可以设置较高的优先级，让路由器在转发时优先处理。
- 设置方法：
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
int tos = IPTOS_LOWDELAY; // 设置为低延迟服务类型
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_TOS, &tos, sizeof(tos));
- SO_REUSEADDR
- 作用：允许套接字绑定到一个已在使用中的地址。在服务器重启时，如果绑定的地址还处于TIME - WAIT状态，设置该选项可以避免地址被占用的错误，快速重新启动服务。
- 设置方法：
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));
- 其他相关函数
- fcntl函数：可以用于设置套接字为非阻塞模式。在复杂网络环境下，非阻塞模式可以让应用程序在等待数据时不会被阻塞，继续处理其他任务，提高整体性能。
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
不同机制之间的冲突与协调方式
- 拥塞控制与自适应重传
- 冲突：拥塞控制通过降低发送速率来缓解网络拥塞，而自适应重传在一定程度上会增加网络流量（重传数据包）。如果重传过于频繁，可能会加重网络拥塞，影响拥塞控制的效果。
- 协调方式：在自适应重传时，结合拥塞控制的状态。例如，当拥塞窗口处于慢启动阶段，重传的次数和速率应相对保守；当进入拥塞避免阶段，重传策略可以适当放宽，但也要根据当前的网络拥塞程度进行调整。同时，在拥塞控制算法中，对重传事件给予更高的权重，当重传频繁发生时，更激进地降低发送速率。
- 数据校验与确认和拥塞控制
- 冲突：大量的确认消息（ACK）可能会增加网络流量，加重网络拥塞。尤其是在高延迟网络中，ACK的传输延迟可能导致发送端长时间等待，影响发送速率。
- 协调方式：可以采用累积确认机制，即接收端不必对每个数据包都发送ACK，而是在一定时间间隔或接收一定数量的数据包后发送一个累积ACK，告知发送端已正确接收的最高序列号。这样可以减少ACK的数量，降低对网络拥塞的影响。同时，发送端在等待ACK时，结合拥塞控制算法，在拥塞窗口允许的情况下，适当发送新数据包，而不是完全等待ACK。
- 序列号与排序和自适应重传
- 冲突：在重传数据包时，可能会导致序列号重复或混乱，影响接收端的排序。如果重传策略不合理，可能会导致接收端缓冲区溢出，丢弃部分数据包。
- 协调方式：发送端在重传时，确保重传数据包的序列号与原始数据包一致。接收端在处理重传数据包时，根据序列号和接收状态进行正确的处理，避免重复处理或丢弃正确的重传数据包。同时，合理调整接收缓冲区大小和重传间隔，确保在高丢包率情况下，接收端能够有效处理重传数据包，而不会因缓冲区溢出丢失数据。
