KCP协议浅析

概述

KCP协议结合了TCP和UDP协议的特点，是一个快速可靠的协议。

引述官方介绍：

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。

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。

传统的TCP/UDP协议见参考链接。

协议格式

| 4bit conv | 1bit cmd | 1bit frg | 2bit wnd |

| 4bit ts | 4bit sn |

| 4bit una | 4bit len |

| anybit 数据 |

• conv：会话序号，通信双方一致
• cmd：报文类型
  • IKCP_CMD_ACK 确认
  • IKCP_CMD_PUSH 数据推送
  • IKCP_CMD_WASK 接收窗口查询大小
  • IKCP_CMD_WINS 接收窗口大小告知
• wnd: 己方可用接收窗口大小，接收窗口大小 - 接收队列大小
• frg：包分片(数量)
• sn: 包分片序号
• ts: 时间戳，用于计算RTO和RTT
• una：待接收的序列号（确认号），表示该序列号之前的所有报文都收到了，可以删除
• len：用户数据长度
• 数据：用户数据

特点

RTO不翻倍

RTO(Retransmission-TimeOut)即重传超时时间,TCP和KCP是基于ARQ协议实现的可靠性，但TCP的超时计算是RTO2，而KCP的超时计算是RTO1.5，也就是说假如连续丢包3次，TCP是RTO8，而KCP则是RTO3.375，意味着可以更快地重新传输数据。

选择性重传

tcp 丢包时会全部重传从该包开始以后的数据，而 kcp 选择性重传，只重传真正丢失的数据包。

快速重传

收到fastresend（配置）个失序报文后，不等待超时，直接重传，减少丢包等待时间。

而TCP重传模式：

• 超时重传：超过规定的时间 RTO 则重传
• 快速重传：收到三个冗余ACK，不去等待 RTO ，直接重传

与TCP相同，都是通过累计确认实现的，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ACK = 3时，KCP知道2被跳过1次，收到ACK = 4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。

非延迟 ACK

停等ARQ协议

• A会为每个即将发送的数据编号，编号的目的是为了标识数据和给数据排序
• A发送完数据之后，会给这次发送的数据设置一个超时计时器
• B收到数据，将会返回一个确认，该确认也有自己的编号
• A收到确认，将删除副本且取消超时计时器，保留副本的原因是传输可能出错
• B收到错误的数据，或者数据在传输过程中出错，总之就是说B没有收到想要的数据
• A在超时计时器的设置时间内没有收到确认，此时重发数据

所以可靠的TCP有32位序列号和32位确认号，TCP和UDP都有16位校验和。

连续ARQ协议

连续ARQ协议不会响应每个数据段，而是仅仅响应编号最大的这个数据段，表示之前的数据都收到了，这个叫做UNA模式，而停等ARQ协议可以看作是ACK模式

ACK + UNA

ARQ （自动重传请求，Automatic Repeat-reQuest）模型响应有两种方式：

• UNA：此编号前所有包已收到
• ACK：该编号包已收到

只用 UNA 将导致全部重传，只用 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（精确）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、慢启动这四要素决定，慢启动是在刚开始发送数据时让窗口缓慢扩张，退半避让是在网络拥堵时窗口大小减半，快重传是在网络恢复时及时给予响应，与之配合的就是快恢复。但传送及时性要求很高的小数据时，可选择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，换取了流畅传输的效果。KCP 实时性好，但带宽利用率较低，因为:

• 非退让流控，不断尝试发送数据，有效包不多
• 每个包应答，占用一定的带宽

窗口协议中有两种：

• 拥塞窗口：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器 和链路不至于过载。
• 滑动窗口：接收方告知发送方自己可以接收缓冲区的大小，通常与连续ARQ协议配合使用。

结构

大概流程如图示，若是想深入探索底层实现，请参考源码或者参考链接中的详解

参考链接

• 跳转链接：KCP官方Github
• 跳转链接：《TCP协议详解》 by王先生架构
• 跳转链接： UDP协议详解 by QingLiXueShi
• 跳转链接：KCP协议详解 by知乎-摸鱼呀