UDP的可靠性传输

文章目录
UDP和TCP的区别
TCP
UDP
为什么要使用UDP传输可靠性数据
如何使用UDP传输可靠性数据
KCP的使用方式
kcp配置模式
kcp的协议头
UDP和TCP的区别
Tcp和udp都是属于TCP/IP协议(传输层协议)。

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TCP
TCP;Transmission Control Protocol;传输控制协议;是面向连接的协议;也就是说;在收发数据前;必须和对方建立可靠的连接。 一个TCP连接必须要经过三次握手;断开连接时需要四次挥手。

TCP的可靠性主要体现在什么方面呢?
1. 应用数据被分割成TCP认为最合适发送的数据块。
这个和UDP完全不同;应用程序将产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段。最大报文段(MSS)表示TCP传往另一端的最大块数据的长度。连接建立时;双方都需要通告自己的MSS。默认情况下MSS的值为536字节(可以加上20字节的IP首部和20字节的TCP首部)。对于一个以太网;最大的MSS可达到1460字节(1500(MTU) - 20(IP) - 20(TCP))。

2. 当TCP发出一个段之后;它启动一个定时器;等待目的端确认收到这个报文段;如果不能及时收到一个确认;将重发这个报文段。
3. 当TCP收到另一端的数据;他将发送一个确认。这个确认不是立即发送;而是延迟几分之一秒。
4. TCP将保持它首部和数据的校验和。这个是一个端到端的检测;目的是检测数据在传输时的任何变化;如果有收到段的检验和有差错;tcp将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
5. 既然tcp报文段作为ip数据报来传输;而ip数据报的到达可能会失序;因此tcp报文段的到达可能会失序。如果必要;tcp将对收到的数据进行重新排序。
6. ip数据报会发生重复;tcp的接收端必须丢弃重复的数据。
7. TCP提供流量控制。

 UDP
UDP;UserDatagramProtocol;是一个简单的面向消息的传输层协议;尽管UDP提供标头和有效负载的完整性验证;通过校验和;;但它不保证向上层协议提供消息传递;并且UDP层在发送后不会保留UDP 消息的状态。因此;UDP有时被称为不可靠的数据报协议。如果需要传输可靠性;则必须在用户应用程序中实现。

 

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为什么要使用UDP传输可靠性数据
UDP(User Datagram Protocol)传输与IP传输非常类似;它的传输方式也是;Best Effort;的;所以UDP协议也是不可靠的。我们知道TCP就是为了解决IP层不可靠的传输层协议;既然UDP是不可靠的;为什么不直接使用IP协议而要额外增加一个UDP协议呢?

一个重要的原因是IP协议中并没有端口(port)的概念。IP协议进行的是IP地址到IP地址的传输;这意味者两台计算机之间的对话。但每台计算机中需要有多个通信通道;并将多个通信通道分配给不同的进程使用。一个端口就代表了这样的一个通信通道。UDP协议实现了端口;从而让数据包可以在送到IP地址的基础上;进一步可以送到某个端口。
对于一些简单的通信;我们只需要“Best Effort”式的IP传输就可以了;而不需要TCP协议复杂的建立连接的方式(特别是在早期网络环境中;如果过多的建立TCP连接;会造成很大的网络负担;而UDP协议可以相对快速的处理这些简单通信;
在使用TCP协议传输数据时;如果一个数据段丢失或者接收端对某个数据段没有确认;发送端会重新发送该数据段。TCP重新发送数据会带来传输延迟和重复数据;降低了用户的体验。对于迟延敏感的应用;少量的数据丢失一般可以被忽略;这时使用UDP传输将能够提升用户的体验。
UDP将数据从源端发送到目的端时;无需事先建立连接;没有使用TCP中的确认技术或滑动窗口机制;因此UDP不能保证数据传输的可靠性;也无法避免接收到重复数据的情况。

UDP传输的可靠性由应用层负责;由应用程序根据需要提供报文ACK机制、重传机制、序号机制、重排机制和窗口机制。这些TCP已经都具备了。

如何使用UDP传输可靠性数据
这里我们主要介绍一种开源UDP的可靠性方案KCP;https://github.com/skywind3000/kcp
KCP主要的优势体现在以下方面:

以10%-20%带宽浪费的代价换取了比 TCP快30%-40%的传输速度。
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;跳过多少个包马上重传;;如果使用了快速重传;可以不考虑RTO;;
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。
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。
名词说明;
用户数据;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

KCP的使用方式
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);

 kcp配置模式
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;单位为包。
最大传输单元; int ikcp_setmtu(ikcpcb *kcp, int mtu);
kcp协议并不负责探测 MTU;默认 mtu是1400字节
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的协议头

 conv:连接号。 UDP是无连接的; conv用于表示来自于哪个
客户端。对连接的一种替代
cmd:命令字。如; IKCP_CMD_ACK确认命令;
IKCP_CMD_WASK接收窗口大小询问命令;
IKCP_CMD_WINS接收窗口大小告知命令;
frg:分片;用户数据可能会被分成多个KCP包;发送出去
wnd:接收窗口大小;发送方的发送窗口不能超过接收方
给出的数值
ts:时间序列
sn:序列号
una:下一个可接收的序列号。其实就是确认号;收到
sn=10的包; una为11
len;数据长度
data:用户数据
test kcp代码: https://github.com/birate-wz/wz_utils/tree/main/kcp