介紹一種基于UDP快速可靠的KCP協(xié)議

Labs 導(dǎo)讀

KCP是一種基于UDP的快速可靠協(xié)議，能以比TCP浪費(fèi)10%-20%的帶寬的代價(jià)，換取平均延遲降低30%-40%，且最大延遲可以降低70%的傳輸效果，是一種純算法的二進(jìn)制協(xié)議。

Part 01 ●什么是KCP協(xié)議●

KCP是一個(gè)開源的快速可靠ARQ協(xié)議，能以比TCP浪費(fèi)10%-20%的帶寬的代價(jià)，換取平均延遲降低30%-40%，且最大延遲降低三倍的傳輸效果。KCP是一層純算法實(shí)現(xiàn)，并不負(fù)責(zé)底層協(xié)議（如UDP）的收發(fā)，用戶自己定義下層數(shù)據(jù)包的發(fā)送方式，以callback的方式提供給KCP。內(nèi)部不會(huì)有任何一次系統(tǒng)調(diào)用，包括時(shí)鐘也需要外部傳遞進(jìn)來。

KCP整個(gè)協(xié)議只有ikcp.h、ikcp.c兩個(gè)源文件，可以方便用戶根據(jù)自己的需要集成到用戶自己的協(xié)議棧中。

所以可以把KCP協(xié)議看做應(yīng)用層協(xié)議，底層采用UDP協(xié)議。但是在嚴(yán)格意義上講KCP并不是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，它是為UDP寫的可靠傳輸算法，它是把TCP的主要可靠傳輸機(jī)制移植到了UDP身上，讓UDP變的可靠了起來。

Part 02 ●KCP的協(xié)議特性●

TCP是為流量（每秒內(nèi)可以傳輸多少KB的數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)的，講究的是充分利用帶寬。而KCP是為流速（單個(gè)數(shù)據(jù)包從一端發(fā)送到一端需要多少時(shí)間）設(shè)計(jì)的，以10%-20%帶寬浪費(fèi)的代價(jià)換取了比TCP快30%-40%的傳輸速度。如果將TCP信道比喻為一條流速很慢，但每秒流量很大的大運(yùn)河，那么KCP就是水流湍急的小激流。KCP有正常模式和快速模式兩種，通過以下策略達(dá)到提高流速的結(jié)果。

1、RTO不翻倍

RTO(Retransmission TimeOut)重傳超時(shí)時(shí)間，TCP超時(shí)計(jì)算是RTOx2，這樣連續(xù)丟三次包就變成RTO×8了，而KCP啟動(dòng)快速模式后不x2，只是x1.5，提高了傳輸速度。

2、選擇重傳

TCP丟包時(shí)會(huì)全部重傳從丟包開始以后的數(shù)據(jù)，而KCP是選擇性重傳，只重傳真正丟失的數(shù)據(jù)包。

3、快速重傳

TCP重傳模式超時(shí)重傳：超過規(guī)定的時(shí)間RTO則重傳。

快速重傳：收到3個(gè)冗余ACK，不去等待RTO，直接重傳。比如發(fā)送端發(fā)送了1、2、3、4、5...幾個(gè)包后，然后收到遠(yuǎn)端的ACK：1、3、4，當(dāng)收到ACK3時(shí)，KCP知道2被跳過1次，收到ACK4時(shí)，知道2被跳過2次，收到Ack5時(shí)，此時(shí)可以認(rèn)為2已丟失，不用等待RTO，直接進(jìn)行重傳2，大大改善了丟包時(shí)的傳輸速度。

4、延遲ACK vs 非延遲ACK

TCP在連續(xù)ARQ協(xié)議中，不會(huì)將一連串的每個(gè)數(shù)據(jù)都響應(yīng)一次，而是延遲發(fā)送ACK，目的是為充分利用帶寬，這樣延遲發(fā)送ACK導(dǎo)致RTT時(shí)間較大，延長(zhǎng)了丟包時(shí)的判斷過程；而KCP的ACK是否延遲發(fā)送可以調(diào)節(jié)。

5、UNA vs ACK+UNA

ARQ模型響應(yīng)有兩種，UNA（此編號(hào)前所有包已收到，如TCP）和ACK（該編號(hào)包已收到），光用UNA將導(dǎo)致全部重傳，光用ACK則丟失成本太高，以往協(xié)議都是二選其一，TCP使用UNA模式，有丟包全部重傳問題；KCP有單獨(dú)ACK，且數(shù)據(jù)包和ACK包都帶UNA信息，有效降低ACK丟失成本。

6、非退讓流控

KCP正常模式同TCP一樣使用公平退讓法則，即發(fā)送窗口大小由發(fā)送緩存大小、接收端剩余接收緩存大小、丟包退讓及慢啟動(dòng)這四要素決定。但傳送及時(shí)性要求很高的小數(shù)據(jù)時(shí)，可選擇通過配置跳過后兩步，僅用前兩項(xiàng)來控制發(fā)送頻率。以犧牲部分公平性及帶寬利用率為代價(jià)，換取流暢傳輸?shù)男Ч?/p>

Part 03 ●KCP應(yīng)用案例●

KCP協(xié)議的商業(yè)案例：

明日帝國(guó)：Game K17的《明日帝國(guó)》（Google Play），使用KCP加速游戲消息，讓全球玩家流暢聯(lián)網(wǎng)。

仙靈大作戰(zhàn)：4399的MOBA游戲，使用KCP優(yōu)化游戲同步。

CC：網(wǎng)易CC使用kcp加速視頻推流，有效提高流暢性。

BOBO：網(wǎng)易BOBO使用kcp加速主播推流。

云帆加速：使用KCP加速文件傳輸和視頻推流，優(yōu)化了臺(tái)灣主播推流的流暢度。

SpatialOS：大型多人分布式游戲服務(wù)端引擎，BigWorld的后繼者，使用KCP加速數(shù)據(jù)傳輸。

KCP的優(yōu)勢(shì)在丟包率高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下才會(huì)顯示出來。如果無丟包，TCP和KCP的效率差別打不，可能只是少了建立/關(guān)閉連接。一般來講，在公網(wǎng)上傳輸?shù)膽?yīng)用均可使用，特別是對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的程序，如客戶端與服務(wù)端交互很頻繁的游戲。

審核編輯：劉清