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快速可靠网络传输协议 KCP(转)

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,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。HTTP://www.mobanhou.COM;;;;;;;;;;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。

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:

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    // 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:

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    3
    // 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. 输入一个下层数据包:

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    // 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。

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 20msresend :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:

    1
    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.

  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:

    1
    kcp->rx_minrto = 10;

最佳实践

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);

前向纠错注意

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%。

 

相关应用

  • dog-tunnel: GO开发的网络隧道,使用 KCP极大的改进了传输速度,并移植了一份 GO版本 KCP
  • lua-kcp:KCP的 Lua扩展,用于 Lua服务器
  • asio-kcp: 使用 KCP的完整 UDP网络库,完整实现了基于 UDP的链接状态管理,会话控制,KCP协议调度等
  • KCP协议开源地址:https://github.com/skywind3000/kcp

协议比较

如果永远不丢包那么 KCP和 TCP性能差不多,但网络会卡,造成卡的原因就是丢包和抖动。在内网里直接比较,大家都差不多,但是放到公网上,放到3G/4G网络情况下,或者使用内网丢包模拟,差距就很明显了。公网在高峰期有平均接近10%的丢包,wifi/3g/4g下更糟糕,这正是造成各种网络卡顿的元凶。

感谢 asio-kcp 的作者 zhangyuan 对 KCP 与 enet, udt做过的一次横向评测,结论如下:

  • ASIO-KCP has good performace in wifi and phone network(3G, 4G).
  • Extra using 20% ~ 50% network flow for speed improvement.
  • The kcp is the first choice for realtime pvp game.
  • The lag is less than 1 second when network lag happen. 3 times better than enet when lag happen.
  • The enet is a good choice if your game allow 2 second lag.
  • UDT is a bad idea. It always sink into badly situation of more than serval seconds lag. And the recovery is not expected.
  • enet has the problem of lack of doc. And it has lots of functions that you may intrest.
  • kcp's doc is chinese. Good thing is the function detail which is writen in code is english. And you can use asio_kcp which is a good wrap.
  • The kcp is a simple thing. You will write more code if you want more feature.
  • UDT has a perfect doc. UDT may has more bug than others as I feeling.
posted on 2018-06-22 09:15 思月行云 阅读(102) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: C\C++

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