基于UDP的可靠性传输协议-KCP简介
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。
if (kcp->nodelay == 0) {
segment->rto += _imax_(segment->rto, (IUINT32)kcp->rx_rto);
} else {
IINT32 step = (kcp->nodelay < 2)?
((IINT32)(segment->rto)) : kcp->rx_rto;
segment->rto += step / 2;
}
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：
设置快速重传次数 fastresend 为2。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，知道数据包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。
else if (segment->fastack >= resent) { //3 segment的累计被跳过次数大于快速重传设定，需要重传
if ((int)segment->xmit <= kcp->fastlimit ||
kcp->fastlimit <= 0) {
needsend = 1;
segment->xmit++;
segment->fastack = 0; // 收到ack时计算该分片被跳过的累计次数,此字段用于快速重传,自定义需要几次确认开始快速重传
segment->resendts = current + segment->rto; // 充值重传时间
change++;
}
}
if (needsend) {
int need;
segment->ts = current;
segment->wnd = seg.wnd; // 剩余接收窗口大小(接收窗口大小-接收队列大小), 告诉对方目前自己的接收能力
segment->una = kcp->rcv_nxt; // 待接收的下一个包序号, 即是告诉对方una之前的包都收到了, 你不用再发送发送缓存了
size = (int)(ptr - buffer);
need = IKCP_OVERHEAD + segment->len;
if (size + need > (int)kcp->mtu) { // 小包封装成大包取发送 500 500 ， 按1000发
ikcp_output(kcp, buffer, size);
ptr = buffer;
}
......
}
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。
struct IKCPSEG
{
struct IQUEUEHEAD node;
IUINT32 conv; // 会话编号,和TCP的con一样,确保双方需保证conv相同,相互的数据包才能被接收.conv唯一标识一个会话
IUINT32 cmd; // 区分不同的分片.IKCP_CMD_PUSH数据分片;IKCP_CMD_ACK:ack分片;IKCP_CMD_WASK:请求告知窗口大小;IKCP_CMD_WINS:告知窗口大小
IUINT32 frg; // 标识segment分片ID,用户数据可能被分成多个kcp包发送
IUINT32 wnd; // 剩余接收窗口大小(接收窗口大小-接收队列大小),发送方的发送窗口不能超过接收方给出的数值
IUINT32 ts; // 发送时刻的时间戳
IUINT32 sn; // 分片segment的序号,按1累加递增
IUINT32 una; // 待接收消息序号(接收滑动窗口左侧).对于未丢包的网络来说,una是下一个可接收的序号,如收到sn=10的包,una为11
IUINT32 len; // 数据长度
IUINT32 resendts; // 下次超时重传时间戳
IUINT32 rto; //该分片的超时等待时间,其计算方法同TCP
IUINT32 fastack; // 收到ack时计算该分片被跳过的累计次数,此字段用于快速重传,自定义需要几次确认开始快速重传
IUINT32 xmit; // 发送分片的次数,每发一次加1.发送的次数对RTO的计算有影响,但是比TCP来说,影响会小一些.
char data[1];
};
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协议在网络分层模型的位置
KCP的设计者有意识的把KCP依赖的网络通讯给解耦了。KCP是纯算法实现，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的形式提供给 KCP。
KCP特征总结：
1、非延迟ACK
2、快速重传（TCP协议也有）
3、非退让流控(拥塞控制，和TCP实现类同 )
4、FEC(Forward Error Correction)前向纠错
KCP数据包如下：
conv :连接号。 UDP是非连接的， conv用于表示来自于哪个客户端。对连接的一种替代, 因为有 conv , 所
以KCP也是支持多路复用的。
cmd :命令类型，只有四种
frg :分片，用户数据可能会被分成多个KCP包，发送出去
在 xtac i / kcp- go 的实现中，这个字段始终为 0，以及没有意义了 , 详情issues/1 21
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, （其实是接收窗⼝的剩余大小，这个
大小是动态变化的)
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=1 0的包， una为 11
len :数据长度(DATA的⻓度)
data :用户数据
CMD的四种类型
其中，IKCP_CMD_PUSH 和 IKCP_CMD_ACK 关联，IKCP_CMD_WASK 和 IKCP_CMD_WINS 关联
kCP协议提供了⼀种能⼒把不同的 消息 (应用程序)划分在不同的KCP包中。KCP定义 MSS 的默认大小为1400 bytes， MSS (maximum segment size)表示最大段大小，它本身是
TCP中的概念，表示包含TCP header，整个数据包的最大大小。在KCP协议中，概念类似，表示包含
KCP header在内，整个KCP包的最大大小。
超过 MSS 的数据将会被拆分到成多个KCP包。根据是否拆包将会分成2种情况。
1）不拆包
3条消息 Msg1 , Msg2 , Msg3 分别包含在 sn 为 90、91、92的KCP包中
- 拆包
假定这个消息是个图片消息，比较大，大小为3252 bytes
Msg被拆成了3部分，包含在3个KCP包中。注意, frg 的序号是从大到小的，一直到0为止。这样接收端
收到KCP包时，只有拿到 frg 为0的包，才会进行组装并交付给上层应用程序。由于 frg 在header中占1
个字节，也就是最大能支持（1400 – 24） * 256 / 1024 = 344kB的消息
总结：在消息模式下，每个KCP包最多包含一个上层应用的消息。
- 流模式
消息模式减少了上层应⽤从流中拆解出消息的麻烦，但是它对⽹络的利⽤率较低。Payload(有效载荷)少，
KCP头占用过大。
在流模式下，KCP试图让每个KCP包尽可能装满。一个KCP包中可能包含多个 消息 。在上图中，Msg1 、 Msg2 、 Msg3 的一部分被包含在 sn 为234的KCP包中。 上层应用需要自己来判断每个消息的边界。
在实际实现中每⼀个需要保护的点，都有与之对应的参数，先上结论
（1）使用发送端的发送窗⼝( snd_wnd )保护本机的发送缓冲区
（2）使用拥塞窗⼝( cwnd )来保护发送端与接收端之间的链路
（3）使用接收端的接收窗⼝( rmt_wnd , 表示接收窗⼝的空闲大小）保护接收端的接收缓冲区。rmt_wnd 对应KCP协议的 wnd , 由接收端汇报
wireshark抓包KCP的插件：
https://download.csdn.net/download/qq_23350817/86506443
打开wireshark安装目录，将kcp_dissector.lua文件放到wireshark安装目录下
修改init.lua文件，末尾增加dofile(DATA_DIR.."kcp_dissector.lua")--add this line
然后将KCP的客户端和服务器的端口配置成8081。
慢启动、拥塞避免、拥塞发生、快速重传的相关代码！！！！！！！
Client代码
#include "ikcp.h"
#include
#include
#include
#include
#include
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define RECV_BUF 1500
#define DELAY_TEST2_N 100
#define DELAY_BODY_SIZE 1300
#define UDP_RECV_BUF_SIZE 1500
std::atomic_char32_t number;
int recv_objs = 0;
SOCKET socketfd;
struct sockaddr_in clientAddr; //存放客户机信息的结构体
int udp_output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void *user)
{
int n = sendto(socketfd, buf, len, 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, sizeof(struct sockaddr_in));
if (n >= 0)
{
//会重复发送，因此牺牲带宽
printf("send: %d bytes\n", n); //24字节的KCP头部
return n;
}
else
{
printf("error: %d bytes send, error\n", n);
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
int port = 8081;
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
printf("Failed to load Winsock.\n"); //Winsock 初始化错误
return -1;
}
socketfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //创建UDP套接字
if (socketfd == INVALID_SOCKET)
{
printf("socket() Failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
clientAddr.sin_family = AF_INET; //初始化服务器地址信息
clientAddr.sin_port = htons(port); //端口转换为网络字节序
clientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //IP 地址转换为网络字节序
printf("udp init ok\n");
ikcpcb *pkcp = ikcp_create(0x1, NULL); //创建kcp对象把send传给kcp的user变量
ikcp_setmtu(pkcp, 1400);
pkcp->output = udp_output; //设置kcp对象的回调函数
ikcp_nodelay(pkcp, 0, 10, 0, 0);//(kcp1, 0, 10, 0, 0); 1, 10, 2, 1
ikcp_wndsize(pkcp, 128, 128);
ikcp_setmtu(pkcp, 1400);
/
int len = sizeof(struct sockaddr_in);
int n, ret;
//接收到第一个包就开始循环处理
int recv_count = 0;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
ikcp_update(pkcp, GetTickCount64());
int i = 0;
while (1)
{
Sleep(1000);
uint16_t seqno = i++;
int64_t send_time = GetTickCount64();
uint8_t body[DELAY_BODY_SIZE] = "Hello World!";
ret = ikcp_send(pkcp, (char *)&body, sizeof(body));
if (ret < 0)
{
printf("send %d seqno:%u failed, ret:%d\n", i, seqno, ret);
return -1;
}
ikcp_update(pkcp, GetTickCount64());//不是调用一次两次就起作用，要loop调用
char recvBuf[DELAY_BODY_SIZE] = { 0 };
int n = recvfrom(socketfd, recvBuf, UDP_RECV_BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *) &clientAddr, &len);
if (n < 0) {//检测是否有UDP数据包
// isleep(1);
continue;
}
ret = ikcp_input(pkcp, recvBuf, n); // 从 linux api recvfrom先扔到kcp引擎
if (ret < 0)//检测ikcp_input是否提取到真正的数据
{
//printf("ikcp_input ret = %d\n",ret);
continue; // 没有读取到数据
}
ret = ikcp_recv(pkcp, (char *)&recvBuf, sizeof(recvBuf)); //从 buf中 提取真正数据，返回提取到的数据大小
if (ret < 0)
{ // 没有检测ikcp_recv提取到的数据
//isleep(1);
printf("ikcp_recv1 ret = %d\n", ret);
continue;
}
std::cout << "recv buf:" << recvBuf << std::endl;
}
closesocket(socketfd);
ikcp_release(pkcp);
getchar();
return 0;
}
server代码：
#include "ikcp.h"
#include
#include
#include
#include
#include
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define RECV_BUF 1500
std::atomic_char32_t number;
UINT64 first_recv_time = 0;
int clientfd;
struct sockaddr_in CientAddr; //存放客户机信息的结构体
int udp_output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void *user)
{
int n = sendto(clientfd, buf, len, 0, (struct sockaddr *)&CientAddr, sizeof(struct sockaddr_in));
if (n >= 0)
{
//会重复发送，因此牺牲带宽
printf("send: %d bytes, t:%lld\n", n, GetTickCount64() - first_recv_time); //24字节的KCP头部
return n;
}
else
{
printf("error: %d bytes send, error\n", n);
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
/
char buff[RECV_BUF] = { 0 };
char Msg[] = "Server:Hello!"; //与客户机后续交互
memcpy(buff, Msg, sizeof(Msg));
ikcpcb *pkcp = ikcp_create(0x1, (void *)&send); //创建kcp对象把send传给kcp的user变量
ikcp_setmtu(pkcp, 1400);
pkcp->output = udp_output; //设置kcp对象的回调函数
ikcp_nodelay(pkcp, 1, 10, 0, 0); //1, 10, 2, 1
ikcp_wndsize(pkcp, 128, 128);
///
int port = 8081;
struct sockaddr_in server;
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
printf("Failed to load Winsock.\n"); //Winsock 初始化错误
return -1;
}
server.sin_family = AF_INET; //初始化服务器地址信息
server.sin_port = htons(port); //端口转换为网络字节序
server.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //IP 地址转换为网络字节序
clientfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //创建UDP套接字
if (clientfd == INVALID_SOCKET)
{
printf("socket() Failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
if (!bind(clientfd, (LPSOCKADDR)&server, sizeof(server)) == SOCKET_ERROR)
{
printf("绑定IP和端口\n");
return 0;
}
printf("udp init ok\n");
/
int len = sizeof(struct sockaddr_in);
int n, ret;
//接收到第一个包就开始循环处理
int recv_count = 0;
//isleep(1);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
ikcp_update(pkcp, GetTickCount64());
char buf[RECV_BUF] = { 0 };
while (1)
{
//isleep(1);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
ikcp_update(pkcp, GetTickCount64());
//处理收消息
n = recvfrom(clientfd, buf, RECV_BUF, 0, (struct sockaddr *)&CientAddr, &len);
if (n > 0)
{
printf("UDP recv[%d] size= %d \n", recv_count++, n);
//预接收数据:调用ikcp_input将裸数据交给KCP，这些数据有可能是KCP控制报文，并不是我们要的数据。
//kcp接收到下层协议UDP传进来的数据底层数据buffer转换成kcp的数据包格式
ret = ikcp_input(pkcp, buf, n);
if (ret < 0)
{
continue;
}
//kcp将接收到的kcp数据包还原成之前kcp发送的buffer数据
ret = ikcp_recv(pkcp, buf, n); //从 buf中 提取真正数据，返回提取到的数据大小
if (ret < 0)
{ // 没有检测ikcp_recv提取到的数据
//isleep(1);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
std::cout << "ikcp_recv failed" << std::endl;
continue;
}
int send_size = ret;
//ikcp_send只是把数据存入发送队列，没有对数据加封kcp头部数据
//应该是在kcp_update里面加封kcp头部数据
//ikcp_send把要发送的buffer分片成KCP的数据包格式，插入待发送队列中。
ret = ikcp_send(pkcp, buf, send_size);
printf("Server reply -> bytes[%d], ret = %d, buf:%s\n", send_size, ret, buf);
ikcp_flush(pkcp); // 快速flush一次 以更快让客户端收到数据
number++;
}
else if (n == 0)
{
printf("finish loop\n");
break;
}
else
{
printf("n:%d\n", n);
}
}
/
getchar();
return 0;
}
wireshark抓包如下
推荐一个零声学院免费公开课程，个人觉得老师讲得不错，分享给大家：Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK等技术内容，立即学习