在网络中狂奔：KCP协议

在网络中狂奔：KCP协议

一、概述

TCP保证数据准确交付，UDP保证数据快速到达，KCP则是两种协议的一个折中。

KCP的设计目标是为了解决在网络拥堵的情况下TCP传输速度慢的问题。

下面是来自于官网的介绍：

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。

KCP力求在保证可靠性的情况下提高传输速度。

KCP没有规定下层传输协议，但通常使用UDP来实现，至于原因，非常有必要说明，如果不清楚，就不能够真正地了解KCP。

二、传输协议

在TCP/IP五层模型协议中，传输协议处在第四层，提供端到端的接口，所以不论是TCP还是UDP，其数据段中都包含了端口号。

在了解KCP之前，需要先大概清楚TCP和UDP的工作流程，这里从数据段开始讨论，下面是两种协议的数据段格式：

TCP格式 UDP格式

补充：传输层的数据叫作段(segment)，网络层的数据叫作包(packet)，数据链路层的数据叫作帧(frame)，物理层的数据叫作流(stream)。

在网络中，我们认为传输是不可靠的，而在很多场景下我们需要的是可靠的数据，所谓的可靠，指的是数据能够正常收到，且能够顺序收到，于是就有了ARQ协议，TCP之所以可靠就是基于此。

ARQ协议(Automatic Repeat-reQuest)，即自动重传请求，是传输层的错误纠正协议之一，它通过使用确认和超时两个机制，在不可靠的网络上实现可靠的信息传输。

ARQ协议有两种模式：

1.停等ARQ协议

同步请求响应模式，基于超时重传保证可靠。

停等ARQ协议传输过程

1>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

2>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

3>B收到数据，将会返回一个确认，该确认也有自己的编号

4>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

3>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

4>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。

2.连续ARQ协议

可以连续发送多个分组，而不必每发完一个分组就停下来等待对方确认。

连续ARQ协议传输过程

是不是想到了HTTP1.1中的管道模式与HTTP1.0停等模式，但这里有些许区别，HTTP1.1是中服务器按照顺序响应客户端请求，但连续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。

现在已经能够在不可靠的网络中传输可靠的数据，但这不意味着可以随意发送数据，带宽是有限的，接收方的负载也是有限的，所以引入了窗口协议，做流量控制。

窗口协议中有两种：

1.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。与拥塞控制相关的有慢启动、退半避让、快重传、快恢复等。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。

2.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。

TCP协议中的16位窗口大小就是为窗口协议提供支持的。而UDP协议的目标是尽最大努力交付，不管你收到没有，所以没有该字段。

TCP协议是面向连接的协议，在数据传输前通过三次握手建立连接，传输完成后通过四次挥手断开连接，整个过程表示一次完整的数据传输，所以需要4位头长告知哪些是正在传输的数据。

UDP协议是无连接的，两次数据传输没有任何联系，所以需要16位长度告知本次传输的数据有多少。同时注意，UDP协议每次传输的数据量并不是2^16 - 1 - 8 - 20（8表示UDP头长，20表示IP头长），而是与MTU有关，即数据链路层的最大传输单元(Maximum Transmission Unit)，值是1500。

TCP协议中的8位标志位表示不同的功能，例如当SYN = 1时表示建立连接时让ack = seq + 1而不做任何验证，当URG = 1时16位紧急指针生效，紧急指针表示正常数据的起始位置，而之前的数据则表示额外的紧要数据，可以被尽快处理。

当清楚TCP和UDP的工作流程，KCP就很容易理解了。

三、KCP协议的特征

在谈KCP协议的特征前，还是先贴一下KCP协议的数据段格式。

KCP格式

1. RTO不翻倍

RTO(Retransmission-TimeOut)即重传超时时间,TCP是基于ARQ协议实现的可靠性，KCP也是基于ARQ协议实现的可靠性，但TCP的超时计算是RTO*2，而KCP的超时计算是RTO*1.5，也就是说假如连续丢包3次，TCP是RTO*8，而KCP则是RTO*3.375，意味着可以更快地重新传输数据。通过4字节ts计算RTT(Round-Trip-Time)即往返时延，再通过RTT计算RTO，ts(timestamp)即当前segment发送时的时间戳。

2.选择性重传

TCP中实现的是连续ARQ协议，再配合累计确认重传数据，只不过重传时需要将最小序号丢失的以后所有的数据都要重传，而KCP则只重传真正丢失的数据。

3.快速重传

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。1字节cmd = 81时，sn相当于TCP中的seq，cmd = 82 时，sn相当于TCP中的ack。cmd相当于WebSocket协议中的openCode，即操作码。

4.非延迟ACK

TCP在连续ARQ协议中，不会将一连串的每个数据都响应一次，而是延迟发送ACK，即上文所说的UNA模式，目的是为了充分利用带宽，但是这样会计算出较大的RTT时间，延长了丢包时的判断过程，而KCP的ACK是否延迟发送可以调节。

5. UNA + ACK

UNA模式参考特征2和特征4，ACK模式可以参考特征3。4字节una表示cmd = 81时，当前已经收到了小于una的所有数据。

6.非退让流控

在传输及时性要求很高的小数据时，可以通过配置忽略上文所说的窗口协议中的拥塞窗口机制，而仅仅依赖于滑动窗口。2字节wnd与TCP协议中的16位窗口大小意义相同，值得一提的是，KCP协议的窗口控制还有其它途径，当cmd = 83时，表示询问远端窗口大小，当cmd = 84时，表示告知远端窗口大小。

4字节conv表示会话匹配数字，为了在KCP基于UDP实现时，让无连接的协议知道哪个是哪个，相当于WEB系统HTTP协议中的SessionID。

1字节frg表示拆数据时的编号，4字节len表示整个数据的长度，相当于WebSocket协议中的len。

四、总结

至于通常使用UDP来实现KCP的原因，我想大家已经有答案了。第一个是UDP的头部相对于TCP的头部来说更小，第二个是KCP相对于TCP来说有太多的冗余功能，这样白白导致了很多不必要的开销。

KCP协议在视频加速、直播推流、MOBA游戏等场景中更是大放异彩。

下一篇文章中我会详细讲一下KCP的具体工作流程，且使用一套java版本的kcp代码来具体说明。有任何问题或者发现文章中的错误之处，欢迎私信或者邮箱过来，谢谢。

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公众号：以镒称铢

出自<孙子兵法 · 军形>，故胜兵若以镒称铢，败兵若以铢称镒。胜者之战民也，若决积水于千仞之溪者，形也。

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