KCP-快速的可靠网络传输协议

KCP简介

KCP是一个快速可靠的协议，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。

KCP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。

KCP与TCP

TCP与UDP都是传输层的协议，比较两者的区别主要应该是说TCP比UDP多了什么？

面向连接：TCP接收方与发送方维持了一个状态（建立连接，断开连接），双方知道对方还在。
可靠的：发送出去的数据对方一定能够接收到，而且是按照发送的顺序收到的。
流量控制与拥塞控制：TCP靠谱通过滑动窗口确保，发送的数据接收方来得及收。TCP无私，发生数据包丢失的时候认为整个网络比较堵，自己放慢数据发送速度。

TCP协议的可靠与无私让使用TCP开发更为简单，同时它的这种设计也导致了慢的特点。UDP协议简单，所以它更快。但是，UDP毕竟是不可靠的，应用层收到的数据可能是缺失、乱序的。

KCP协议就是在保留UDP快的基础上，提供可靠的传输，应用层使用更加简单。TCP可靠简单，但是复杂无私，所以速度慢。KCP尽可能保留UDP快的特点下，保证可靠。

使用方式

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. 设置传输回调函数（如UDP的send函数）：

// 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：

// 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. 输入一个应用层数据包（如UDP收到的数据包）：

// 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。KCP的流程图如下：
在这里插入图片描述
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 20ms
resend ：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：

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. 这个可以理解为 TCP的 SND_BUF 和 RCV_BUF，只不过单位不一样SND/RCV_BUF 单位是字节，这个单位是包。

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：

kcp->rx_minrto = 10;

KCP原理

KCP是一个可靠的传输协议，UDP本身是不可靠的，所以需要额外信息来保证传输数据的可靠性。因此，我们需要在传输的数据上增加一个包头。用于确保数据的可靠、有序。

0                         4      5     6      8 (BYTE)

+-------------------+----+----+----+ 

|      conv      | cmd | frg |  wnd | 

+-------------------+----+----+----+   8

|         ts         |             sn           | 

+-------------------+----------------+  16

|       una       |             len          |

+-------------------+----------------+   24

|                                                   |

|            DATA (optional)          |

|                                                   |

+-------------------------------------+

conv:连接号。UDP是无连接的，conv用于表示来自于哪个客户端。对连接的一种替代
cmd:命令字。如，IKCP_CMD_ACK确认命令，IKCP_CMD_WASK接收窗口大小询问命令，IKCP_CMD_WINS接收窗口大小告知命令
frg:分片，用户数据可能会被分成多个KCP包，发送出去
wnd:接收窗口大小，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的数值 ts:时间序列
sn:序列号
una:下一个可接收的序列号。其实就是确认号，收到sn=10的包，una为11
len：数据长度
data:用户数据

讲解主要以极速模式： ikcp_nodelay(kcp, 1, 10, 2, 1)为主，启用nodelay设置，刷新间隔控制在10ms，开启快速重传模式，关闭流量控制。

数据发送过程

用户发送数据的函数为ikcp_send。ikcp_send(ikcpcb kcp, const char buffer, int len)。该函数的功能非常简单，把用户发送的数据根据MSS进行分片。放入到名为snd_queue的待发送队列中。

注：流模式情况下，kcp会把两次发送的数据衔接为一个完整的kcp包。非流模式下，用户数据%MSS的包，也会作为一个包发送出去。

MTU，数据链路层规定的每一帧的最大长度，超过这个长度数据会被分片。通常MTU的长度为1500字节，IP协议规定所有的路由器均应该能够转发（512数据+60IP首部+4预留=576字节）的数据。

MSS，最大输出大小（双方的约定），KCP的大小为MTU-kcp头24字节。IP数据报越短，路由器转发越快，但是资源利用率越低。传输链路上的所有MTU都一至的情况下效率最高，应该尽可能的避免数据传输的工程中，再次被分。UDP再次被分的后（通常1分为2），只要丢失其中的任意一份，两份都要重新传输。因此，合理的MTU应该是保证数据不被再分的前提下，尽可能的大。

以太网的MTU通常为1500字节-IP头（20字节固定+40字节可选）-UDP头8个字节=1472字节。KCP会考虑多传输协议，但是在UDP的情况下，设置为1472字节更为合理。

实际发送

KCP会不停的进行update更新最新情况，数据的实际发送在update时进行。发送过程如下图所示：
在这里插入图片描述

待发送队列移至发送队列
KCP会把snd_queue待发送队列中的kcp包，移至snd_buf发送队列。移动的包的数量不会超过snd_una+cwnd-snd_nxt，确保发送的数据不会让接收方的接收队列溢出。该功能类似于TCP协议中的滑动窗口。cwnd=min(snd_wnd,rmt_wnd,kcp->cwnd)的最小值决定，snd_wnd，rmt_wnd比较好理解可发送的数据，可发送的数据最大值，应该是发送方可以发送的数据和接收方可以接收的数据的最小值。kcp->cwnd是拥塞控制的一个值，跟网络状况相关，网络状况差的时候，KCP认为应该降低发送的数据，后面会有详细的介绍。

如上图中，snd_queue待发送队列中有4个KCP包等待发送，这个时候snd_nxt下一个发送的kcp包序列号为11，snd_una下一个确认的KCP包为9（8已经确认，9，10已经发送但是还没得到接收方的确认）。因为cwnd=5，发送队列中还有2个发送了但是还未得到确认，所以可以从待发送队列中取前面的3个KCP包放入到发送队列中，序列号分别设置为11,12,13。
发送发送队列的数据

发送队列中包含两种类型的数据，已发送但是尚未被接收方确认的数据，没被发送过的数据。没发送过的数据比较好处理，直接发送即可。重点在于已经发送了但是还没被接收方确认的数据，该部分的策略直接决定着协议快速、高效与否。KCP主要使用两种策略来决定是否需要重传KCP数据包，超时重传、快速重传、选择重传。
超时重传

TCP超时计算是RTOx2，这样连续丢三次包就变成RTOx8了，而KCP非快速模式下每次+RTO，急速模式下+0.5RTO（实验证明1.5这个值相对比较好），提高了传输速度。
在这里插入图片描述

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。TCP有快速重传算法，TCP包被跳过3次之后会进行重传。
注：可以通过统计错误重传（重传的包实际没丢，仅乱序），优化该设置。

选择重传

老的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。但是，目前大部分的操作系统，linux与android手机均是支持SACK选择重传的。

数据发送

通过判定，kcp包是否需要发送，如果需要发送的kcp包则通过，kcp_setoutput设置的发送接口进行发送，UDP通常为sendto。步骤3，会对较小的kcp包进行合并，一次性发送提高效率

KCP-快速的可靠网络传输协议

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