快速可靠网络传输协议 KCP(转)

2022-11-17 08:55:11

KCP 是一个快速可靠协议，能以比 TCP浪费10%-20%的带宽的代价，换取平均延迟降低30%-40%，且最大延迟降低三倍的传输效果。纯算法实现，并不负责底层协议（如UDP）的收发，需要使用者自己定义下层数据包的发送方式，以 callback的方式提供给 KCP。连时钟都需要外部传递进来，内部不会有任何一次系统调用。

整个协议只有 ikcp.h, ikcp.c两个源文件，可以方便的集成到用户自己的协议栈中。也许你实现了一个P2P，或者某个基于 UDP的协议，而缺乏一套完善的ARQ可靠协议实现，那么简单的拷贝这两个文件到现有项目中，稍微编写两行代码，即可使用。HTTP://www.mobanhou.COM;;;;;;;;;;https://github.com/skywind3000/kcp

技术特性

TCP是为流量设计的（每秒内可以传输多少KB的数据），讲究的是充分利用带宽。而KCP是为流速设计的（单个数据包从一端发送到一端需要多少时间），以10%-20%带宽浪费的代价换取了比 TCP快30%-40%的传输速度。TCP信道是一条流速很慢，但每秒流量很大的大运河，而KCP是水流湍急的小激流。KCP有正常模式和快速模式两种，通过以下策略达到提高流速的结果：

RTO翻倍vs不翻倍：

TCP超时计算是RTOx2，这样连续丢三次包就变成RTOx8了，十分恐怖，而KCP启动快速   模式后不x2，只是x1.5（实验证明1.5这个值相对比较好），提高了传输速度。

选择性重传 vs 全部重传：

TCP丢包时会全部重传从丢的那个包开始以后的数据，KCP是选择性重传，只重传真正   丢失的数据包。

快速重传：

发送端发送了1,2,3,4,5几个包，然后收到远端的ACK: 1, 3, 4, 5，当收到ACK3时，   KCP知道2被跳过1次，收到ACK4时，知道2被跳过了2次，此时可以认为2号丢失，不用   等超时，直接重传2号包，大大改善了丢包时的传输速度。

延迟ACK vs 非延迟ACK：

TCP为了充分利用带宽，延迟发送ACK（NODELAY都没用），这样超时计算会算出较大   RTT时间，延长了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送可以调节。

UNA vs ACK+UNA：

ARQ模型响应有两种，UNA（此编号前所有包已收到，如TCP）和ACK（该编号包已收到   ），光用UNA将导致全部重传，光用ACK则丢失成本太高，以往协议都是二选其一，而   KCP协议中，除去单独的 ACK包外，所有包都有UNA信息。

非退让流控：

KCP正常模式同TCP一样使用公平退让法则，即发送窗口大小由：发送缓存大小、接收   端剩余接收缓存大小、丢包退让及慢启动这四要素决定。但传送及时性要求很高的小   数据时，可选择通过配置跳过后两步，仅用前两项来控制发送频率。以牺牲部分公平   性及带宽利用率之代价，换取了开着BT都能流畅传输的效果。

基本使用

  1. 创建 KCP对象：

    // 初始化 kcp对象，conv为一个表示会话编号的整数，和tcp的 conv一样，通信双
    
// 方需保证 conv相同，相互的数据包才能够被认可，user是一个给回调函数的指针
    
ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);

  2. 设置回调函数：

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    // KCP的下层协议输出函数，KCP需要发送数据时会调用它
    // buf/len 表示缓存和长度
    // user指针为 kcp对象创建时传入的值，用于区别多个 KCP对象
    int udp_output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void *user)
    {
     ....
    }
    // 设置回调函数
    kcp->output = udp_output;

  3. 循环调用 update：

    1
    2
    3
    // 以一定频率调用 ikcp_update来更新 kcp状态，并且传入当前时钟（毫秒单位）
    // 如 10ms调用一次，或用 ikcp_check确定下次调用 update的时间不必每次调用
    ikcp_update(kcp, millisec);

  4. 输入一个下层数据包：

    1
    2
    // 收到一个下层数据包（比如UDP包）时需要调用：
    ikcp_input(kcp, received_udp_packet, received_udp_size);

    处理了下层协议的输出/输入后 KCP协议就可以正常工作了，使用 ikcp_send 来向远端发送数据。而另一端使用 ikcp_recv(kcp, ptr, size)来接收数据。

协议配置

协议默认模式是一个标准的 ARQ，需要通过配置打开各项加速开关：

  1. 工作模式：

    int ikcp_nodelay(ikcpcb *kcp, int nodelay, int interval, int resend, int nc)

    nodelay ：是否启用 nodelay模式，0不启用；1启用。interval ：协议内部工作的 interval，单位毫秒，比如 10ms或者 20msresend ：快速重传模式，默认0关闭，可以设置2（2次ACK跨越将会直接重传）nc ：是否关闭流控，默认是0代表不关闭，1代表关闭。普通模式：`ikcp_nodelay(kcp, 0, 40, 0, 0);极速模式： ikcp_nodelay(kcp, 1, 10, 2, 1);

  2. 最大窗口：

    1
    int ikcp_wndsize(ikcpcb *kcp, int sndwnd, int rcvwnd);

    该调用将会设置协议的最大发送窗口和最大接收窗口大小，默认为32.

  3. 最大传输单元：

    纯算法协议并不负责探测 MTU，默认 mtu是1400字节，可以使用ikcp_setmtu来设置该值。该值将会影响数据包归并及分片时候的最大传输单元。

  4. 最小RTO：

    不管是 TCP还是 KCP计算 RTO时都有最小 RTO的限制，即便计算出来RTO为40ms，由于默认的 RTO是100ms，协议只有在100ms后才能检测到丢包，快速模式下为30ms，可以手动更改该值：

    1
    kcp->rx_minrto = 10;

最佳实践

内存分配器

默认KCP协议使用 malloc/free进行内存分配释放，如果应用层接管了内存分配，可以  用ikcp_allocator来设置新的内存分配器，注意要在一开始设置：

ikcp_allocator(my_new_malloc, my_new_free);

前向纠错注意

为了进一步提高传输速度，下层协议也许会使用前向纠错技术。需要注意，前向纠错会根据冗余信息解出原始数据包。相同的原始数据包不要两次input到KCP，否则将会导致kcp以为对方重发了，这样会产生更多的ack占用额外带宽。

比如下层协议使用最简单的冗余包：单个数据包除了自己外，还会重复存储一次上一个数据包，以及上上一个数据包的内容：

Fn = (Pn, Pn-1, Pn-2)

P0 = (0, X, X)

P1 = (1, 0, X)

P2 = (2, 1, 0)

P3 = (3, 2, 1)

这样几个包发送出去，接收方对于单个原始包都可能被解出3次来（后面两个包任然会重复该包内容），那么这里需要记录一下，一个下层数据包只会input给kcp一次，避免过多重复ack带来的浪费。

管理大规模连接

如果需要同时管理大规模的 KCP连接（比如大于3000个），比如你正在实现一套类 epoll的机制，那么为了避免每秒钟对每个连接调用大量的调用 ikcp_update，我们可以使用ikcp_check来大大减少 ikcp_update调用的次数。 ikcp_check返回值会告诉你需要在什么时间点再次调用 ikcp_update（如果中途没有 ikcp_send, ikcp_input的话，否则中途调用了 ikcp_send, ikcp_input的话，需要在下一次interval时调用 update）

标准顺序是每次调用了 ikcp_update后，使用 ikcp_check决定下次什么时间点再次调用ikcp_update，而如果中途发生了 ikcp_send, ikcp_input的话，在下一轮 interval 立马调用 ikcp_update和 ikcp_check。 使用该方法，原来在处理2000个 kcp连接且每个连接每10ms调用一次update，改为 check机制后，cpu从 60%降低到 15%。

相关应用

  • dog-tunnel: GO开发的网络隧道，使用 KCP极大的改进了传输速度，并移植了一份 GO版本 KCP
  • lua-kcp：KCP的 Lua扩展，用于 Lua服务器
  • asio-kcp: 使用 KCP的完整 UDP网络库，完整实现了基于 UDP的链接状态管理，会话控制，KCP协议调度等
  • KCP协议开源地址:https://github.com/skywind3000/kcp

协议比较

如果永远不丢包那么 KCP和 TCP性能差不多，但网络会卡，造成卡的原因就是丢包和抖动。在内网里直接比较，大家都差不多，但是放到公网上，放到3G/4G网络情况下，或者使用内网丢包模拟，差距就很明显了。公网在高峰期有平均接近10%的丢包，wifi/3g/4g下更糟糕，这正是造成各种网络卡顿的元凶。

感谢 asio-kcp 的作者 zhangyuan 对 KCP 与 enet, udt做过的一次横向评测，结论如下：

  • ASIO-KCP has good performace in wifi and phone network(3G, 4G).
  • Extra using 20% ~ 50% network flow for speed improvement.
  • The kcp is the first choice for realtime pvp game.
  • The lag is less than 1 second when network lag happen. 3 times better than enet when lag happen.
  • The enet is a good choice if your game allow 2 second lag.
  • UDT is a bad idea. It always sink into badly situation of more than serval seconds lag. And the recovery is not expected.
  • enet has the problem of lack of doc. And it has lots of functions that you may intrest.
  • kcp's doc is chinese. Good thing is the function detail which is writen in code is english. And you can use asio_kcp which is a good wrap.
  • The kcp is a simple thing. You will write more code if you want more feature.
  • UDT has a perfect doc. UDT may has more bug than others as I feeling.
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