网络编程-UDP可靠传输(KCP)_udp可靠性传输实现代码-优快云博客

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KCP是一种快速可靠的协议，旨在通过牺牲10%-20%的带宽来换取比TCP快30%-40%的传输速度。它适用于实时应用如音视频通话、游戏和物联网。KCP提供了灵活的配置模式，如nodelay模式，以减少延迟。KCP的发送和接收流程涉及数据分片、拥塞控制和重传机制，确保数据的正确传输。与TCP不同，KCP的拥塞控制和流控更注重速度而非流量。此外，KCP的数据结构和工作原理，包括IKCPSEG和IKCPCB，使得它能够实现高效的数据管理和传输。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

引言

UDP与TCP如何选择?

选项	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）游戏行业、物联网行业	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

udp场景总结：

实时性要求，例如音视频通话、游戏
节省资源的要求：嵌入式设备(电池供电)，手机日志上报

如果做到可靠性传输?

ACK机制
重传机制
序号机制
重排机制
窗口机制

tcp不需要我们管，因为tcp自带这些机制，保证数据可靠性。

upd要实现这5种机制必须要用户层处理。

kcp简介

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，那么简单的拷⻉这两个⽂件到现有项⽬中，稍微编写两⾏代码，即可使⽤。

名词说明(源码字段)：

⽤户数据(mss)：应⽤层发送的数据，如⼀张图⽚2Kb的数据
MTU：最⼤传输单元。即每次发送的最⼤数据
RTO：Retransmission TimeOut，重传超时时间。
cwnd:congestion window，拥塞窗⼝，表示发送⽅可发送多少个KCP数据包。与接收⽅窗⼝有关，与⽹络状况（拥塞控制）有关，与发送窗⼝⼤⼩有关。
rwnd:receiver window,接收⽅窗⼝⼤⼩，表示接收⽅还可接收多少个KCP数据包
snd_queue:待发送KCP数据包队列
snd_nxt:下⼀个即将发送的kcp数据包序列号
snd_una:下⼀个待确认的序列号

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。（TCP同样有选择重传SACK，但有区别，后续⽂章再介绍）。

快速重传（跳过x个包立刻重传）：

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，延⻓了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送可以调节。kcp的ack是一个list。

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

逻辑流程图

使用方式

创建 KCP对象： ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);
设置传输回调函数（如UDP的send函数）

kcp->output = udp_output;

真正发送数据需要调用sendto
循环调用 update： ikcp_update(kcp, millisec);
输入一个应用层数据包（如UDP收到的数据包）

ikcp_input(kcp,received_udp_packet,received_udp_size);

我们要使用recvfrom接收，然后扔到kcp里面做解析
发送数据： ikcp_send(kcp1, buffer, 8); 用户层接口
接收数据： hr = ikcp_recv(kcp2, buffer, 10);

发送流程:：kcp_send -> kcp_update(loop) -> sendto(kcp分片header + 用户数据)

接受流程：recvfrom -> kcp_input(放到snd_buf)-> kcp_recv(真正的用户数据)

KCP的配置模式

这部分KCP⽂档有介绍，理解KCP协议⽆需过于关注。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。

example：
// 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32/128. 这个可以理解为 TCP的 SND_BUF和 RCV_BUF，只不过单位不⼀样 SND/RCV_BUF 单位是字节，这个单位是包。

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，快速模式下为30ms，可以⼿动更改该值：
kcp->rx_minrto = 10;

KCP数据结构

数据包结构(IKCPSEG)

KCP中只有⼀种数据包格式，不管是数据还是信令，都使⽤相同的结构与头。KCP头中每⼀个字段的意义如下：

Conv，32bit，4Byte

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接受。conv唯⼀标识⼀个会话，但通信双⽅可以同时存在多个会话。

cmd，8bit，1Byte

⽤来区分分⽚的作⽤。

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。

frag，8bit，1Byte

⽤户数据可能会被分成多个KCP包发送，frag标识segment分⽚ID（在message中的索引，由⼤到⼩，0表示最后⼀个分⽚）。

wnd，16bit，2Byte

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。

ts，32bit，4Byte

message发送时刻的时间戳

sn，32bit，4Byte

message分⽚segment的序号，按1累次递增。

una，32bit，4Byte

待接收消息序号(接收滑动窗⼝左端)。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。

len，32bit，4Byte

数据⻓度。

除了上述的包结构的字段外，还定义了⼏个⾮常重要的变量：

resendts

下次超时重传的时间戳。

该分⽚的超时重传等待时间，其计算⽅法同TCP。

fastack

收到ack时计算的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。

xmit

发送分⽚的次数，每发送⼀次加⼀。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，计算思想类似

IKCPCB结构

IKCPCB是KCP中最重要的结构，也是在会话开始就创建的对象，代表着这次会话，所以这个结构体体现了⼀个会话所需要涉及到的所有组件。

conv：标识这个会话；
mtu：最⼤传输单元，默认数据为1400，最⼩为50；
mss：最⼤分⽚⼤⼩，不⼤于mtu；
state：连接状态（0xFFFFFFFF表示断开连接）；
snd_una：第⼀个未确认的包；
snd_nxt：下⼀个待分配的包的序号；
rcv_nxt：待接收消息序号。为了保证包的顺序，接收⽅会维护⼀个接收窗⼝，接收窗⼝有⼀个起始序
rcv_nxt（待接收消息序号）以及尾序号 rcv_nxt + rcv_wnd（接收窗⼝⼤⼩）；
ssthresh：拥塞窗⼝阈值，以包为单位（TCP以字节为单位）；
rx_rttval：RTT的变化量，代表连接的抖动情况；
rx_srtt：smoothed round trip time，平滑后的RTT；
rx_rto：由ACK接收延迟计算出来的重传超时时间；
rx_minrto：最⼩重传超时时间；
snd_wnd：发送窗⼝⼤⼩；
rcv_wnd：接收窗⼝⼤⼩；
rmt_wnd：远端接收窗⼝⼤⼩；
cwnd：拥塞窗⼝⼤⼩；
probe：探查变量，IKCP_ASK_TELL表示告知远端窗⼝⼤⼩。IKCP_ASK_SEND表示请求远端告知窗⼝⼤⼩；
interval：内部flush刷新间隔，对系统循环效率有⾮常重要影响；
ts_flush：下次flush刷新时间戳；
xmit：发送segment的次数，当segment的xmit增加时，xmit增加（第⼀次或重传除外）；
rcv_buf：接收消息的缓存；
nrcv_buf：接收缓存中消息数量；
snd_buf：发送消息的缓存；
nsnd_buf：发送缓存中消息数量；
rcv_queue：接收消息的队列
nrcv_que：接收队列中消息数量；
snd_queue：发送消息的队列；
nsnd_que：发送队列中消息数量；
nodelay：是否启动⽆延迟模式。⽆延迟模式rtomin将设置为0，拥塞控制不启动；
updated：是否调⽤过update函数的标识；
ts_probe：下次探查窗⼝的时间戳；
probe_wait：探查窗⼝需要等待的时间；
dead_link：最⼤重传次数，被认为连接中断；
incr：可发送的最⼤数据量；
acklist：待发送的ack列表；
ackcount：acklist中ack的数量，每个ack在acklist中存储ts，sn两个量；
ackblock：2的倍数，标识acklist最⼤可容纳的ack数量；
user：指针，可以任意放置代表⽤户的数据，也可以设置程序中需要传递的变量；
buffer：存储消息字节流；
fastresend：触发快速重传的重复ACK个数；
nocwnd：取消拥塞控制；
stream：是否采⽤流传输模式；
logmask：⽇志的类型，如IKCP_LOG_IN_DATA，⽅便调试；
output udp：发送消息的回调函数；
writelog：写⽇志的回调函数。

kcp发送/接收数据过程

发送

引出问题：

为什么需要send_queue？
为什么需要snd_buf？

send_queue用于告诉kcp要上传哪些分片，kcp_update就是从send_queue获取分片，然后执行send callback。

snd_buf主要用于暂时保存发送的数据，数据发送时从send_queue放入buf中。发送完成后获取ack时，如果需要重传，从snd_buf中找到指定的分片，进行重传。已经确认被收到的分片数据会从snd_buf删除。btw，ack确认的优先级是先确认una，再确认ack。

接收

引出问题：

为什么需要rcv_buf?
为什么需要rcv_queue?

rcv_buf保存的数据是从recv_from中获取的数据，这个数据是原始数据，kcp通过将接收的数据暂时保存在rcv_buf中，方便做数据过滤与清洗，以及重排序等操作。

rcv_queue主要保存已经排好序且过滤好以后的数据。是返回给用户的真实数据。