• 清风明月   2015/9/4 0:53:00
  • 还在用TCP协议?赶快来看看最新的KCP协议吧!
  • 关键字: KCP协议 TCP协议 网络协议
  • 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,并以 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。

    URL: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会导致丢包时全部重传,光用 ACK又会导致 ACK丢失成本太高。KCP有单独ACK,且数据包和ACK包都带UNA信息,有效降低ACK丢失成本。
    • 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,通信双方需要
      // 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:
      // 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,并且传入当前的时钟(毫秒单位)。
      // 比如 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:
      // 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(kcp, ptr, size)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:

    • 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);

    • 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.

    • 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。

    • 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,快速模式下该值为30ms,可以手动更改该值:

      kcp->rx_minrto = 10;

    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

     

    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%。

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