一、概述

在當今互聯(lián)網(wǎng)應用中，實時性和流暢性至關重要，尤其是在網(wǎng)絡游戲、視頻會議和在線直播等場景中。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議雖然提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但其復雜的擁塞控制機制和重傳策略會導致較高的延遲，難以滿足實時應用的需求。而UDP協(xié)議雖然速度快，但缺乏可靠性，數(shù)據(jù)包丟失和亂序問題會影響應用體驗。

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二、為什么需要引入KCP

在介紹KCP前，我們先回顧下TCP和UDP的特性

TCP主要保障鏈接可靠性，但是對傳送效率不做保證。

UDP 傳送效率最大，但是對傳輸可靠性無法保證。

那么怎么才能做到既要保證可靠性又保證傳輸效率呢

三、KCP簡介

這個時候KCP協(xié)議應運而生，它旨在彌補TCP和UDP的不足，在保證可靠性的前提下，提供更低的延遲和更高的傳輸效率。

KCP協(xié)議簡介

KCP（KCP Protocol）是一種基于UDP的可靠傳輸協(xié)議，由國內開發(fā)者skywind3000于2014年開源。它借鑒了TCP協(xié)議的可靠傳輸機制，例如確認應答、超時重傳、流量控制等，但對其進行了精簡和優(yōu)化，使其更適合實時應用場景。

KCP協(xié)議的特點

?低延遲： KCP協(xié)議采用更激進的重傳策略，減少數(shù)據(jù)包重傳的等待時間，從而降低延遲。

?高吞吐量： KCP協(xié)議可以根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(tài)調整發(fā)送速率，充分利用網(wǎng)絡帶寬，提高傳輸效率。

?可靠性： KCP協(xié)議提供可靠的傳輸機制，確保數(shù)據(jù)包按序到達，并支持選擇性重傳，只重傳丟失的數(shù)據(jù)包。

?靈活性： KCP協(xié)議提供豐富的配置選項，可以根據(jù)應用場景調整參數(shù)，例如延遲、吞吐量和可靠性之間的權衡。

KCP協(xié)議的工作原理

KCP協(xié)議在UDP的基礎上實現(xiàn)了類似TCP的可靠傳輸機制，主要包括以下幾個方面：

1.確認應答（ACK）： 接收方收到數(shù)據(jù)包后，會發(fā)送ACK確認包給發(fā)送方，告知已成功接收。

2.超時重傳： 發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包后，會啟動定時器，如果在規(guī)定時間內沒有收到ACK確認包，則會重傳該數(shù)據(jù)包。

3.流量控制： KCP協(xié)議使用滑動窗口機制進行流量控制，防止發(fā)送方發(fā)送過多數(shù)據(jù)導致接收方緩沖區(qū)溢出。

4.擁塞控制： KCP協(xié)議采用簡單的擁塞控制算法，根據(jù)網(wǎng)絡狀況調整發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡擁塞。

KCP協(xié)議的應用場景

KCP協(xié)議憑借其低延遲、高吞吐量和可靠性的特點，廣泛應用于各種實時性要求較高的場景，例如：

?移動場景： KCP協(xié)議可以降低移動場景延遲，提高移動應用流暢度，為玩家提供更好的移動場景體驗。（王者榮耀，機器人實時控制）

?視頻會議： KCP協(xié)議可以減少視頻卡頓和延遲，保證視頻會議的流暢進行。

?在線直播： KCP協(xié)議可以降低直播延遲，提高直播的實時性和互動性。

?物聯(lián)網(wǎng)： KCP協(xié)議可以應用于物聯(lián)網(wǎng)設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

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KCP協(xié)議的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

?低延遲

?高吞吐量

?可靠性高

?靈活可配置

缺點：

?實現(xiàn)復雜度高于UDP

?需要額外的帶寬開銷

?對網(wǎng)絡抖動敏感

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四、如何使用

https://github.com/xtaci/kcptun

// 初始化 kcp對象，conv為一個表示會話編號的整數(shù)，和tcp的 conv一樣，通信雙
// 方需保證 conv相同，相互的數(shù)據(jù)包才能夠被認可，user是一個給回調函數(shù)的指針
ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);

   // KCP的下層協(xié)議輸出函數(shù)，KCP需要發(fā)送數(shù)據(jù)時會調用它
// buf/len 表示緩存和長度
// user指針為 kcp對象創(chuàng)建時傳入的值，用于區(qū)別多個 KCP對象
int udp_output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void *user)
{
  ....
}
// 設置回調函數(shù)
kcp->output = udp_output;

// 以一定頻率調用 ikcp_update來更新 kcp狀態(tài)，并且傳入當前時鐘（毫秒單位）
// 如 10ms調用一次，或用 ikcp_check確定下次調用 update的時間不必每次調用
ikcp_update(kcp, millisec);

// 收到一個下層數(shù)據(jù)包（比如UDP包）時需要調用：
ikcp_input(kcp, received_udp_packet, received_udp_size);

五、總結

針對移動場景下，特別是到服務器的延遲無法穩(wěn)定在2ms內，消息收發(fā)RTT無法一直穩(wěn)定在3ms的情況下。

均可以引入KCP替換TCP，實現(xiàn)1RTT消息收發(fā)。縮短用戶測app的響應時間

目前已經(jīng)引入KCP優(yōu)化用戶體驗的商業(yè)如下

?原神：米哈游的《原神》使用 KCP 降低游戲消息的傳輸耗時，提升操作的體驗。

?SpatialOS: 大型多人分布式游戲服務端引擎，BigWorld 的后繼者，使用 KCP 加速數(shù)據(jù)傳輸。

?西山居：使用 KCP 進行游戲數(shù)據(jù)加速。

?CC：網(wǎng)易 CC 使用 kcp 加速視頻推流，有效提高流暢性

?BOBO：網(wǎng)易 BOBO 使用 kcp 加速主播推流

?UU：網(wǎng)易 UU 加速器使用 KCP/KCPTUN 經(jīng)行遠程傳輸加速。

?阿里云：阿里云的視頻傳輸加速服務 GRTN 使用 KCP 進行音視頻數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化，動態(tài)加速產(chǎn)品也使用 KCP。

通過犧牲單次傳輸3~8%的額外帶寬換取延遲穩(wěn)定性，優(yōu)化消息丟包。

介于篇幅限制，將會在下篇內容中。通過循環(huán)發(fā)送500條消息隊列的情況下。分別測試tcp，kcp在不同網(wǎng)絡狀況下的性能表現(xiàn)。

審核編輯 黃宇