UDP
以及TCP是什麼。我們知道傳輸層中有TCP和UDP兩種網絡協議，這節就講UDP是什麼。
Internet協議集支持一個無連接的傳輸協議，該協議稱爲用戶數據報協議（UDP，User Datagram Protocol）。UDP爲應用程序提供了一種無需建立連接就可以發送封裝的IP數據包的方法。RFC 768描述了UDP。
UDP API
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TCP與UDP的不同
UDP和TCP協議的主要區別是兩者在如何實現信息的可靠傳遞方面不同。TCP協議中包含了專門的傳遞保證機制，當數據接收方收到發送方傳來的信息時，會自動向發送方發出確認消息；發送方只有在接收到該確認消息之後才繼續傳送其它信息，否則將一直等待直到收到確認信息爲止。與TCP不同，UDP協議並不提供數據傳送的保證機制。如果在從發送方到接收方的傳遞過程中出現數據包的丟失，協議本身並不能做出任何檢測或提示。因此，通常人們把UDP協議稱爲不可靠的傳輸協議。
- TCP是面向連接的傳輸控制協議，而UDP提供了無連接的數據報服務；
- TCP 具有高可靠性，確保傳輸數據的正確性，不出現丟失或亂序；UDP 在傳輸數據前不建立連接，不對數據報進行檢查與修改，無須等待對方的應答，所以會出現分組丟失、重複、亂序，應用程序需要負責傳輸可靠性方面的所有工作；
- UDP具有較好的實時性，工作效率較TCP協議高；
- UDP段結構比 TCP的段結構簡單，因此網絡開銷也小。
- TCP協議可以保證接收端毫無差錯地接收到發送端發出的字節流，爲應用程序提供可靠的通信服務。對可靠性要求高的通信系統往往使用TCP傳輸數據。
KCP
什麼是KCP
TCP優缺點：
我們知道TCP有超時重傳和滑動窗口機制提供了TCP的可靠性和流控特性，滑動窗口和擁塞控制可以使得TCP做到流量控制。但是TCP協議是從大局上考慮的，大公無私，經常犧牲自己速度來減少網絡擁塞。且TCP高度自治，很多參數沒法配置。
UDP優缺點：
UDP協議簡單，所以它更快。但是，UDP畢竟是不可靠的，應用層收到的數據可能是缺失、亂序的。
不管是端遊還是手遊，對於延時的要求都同樣重要，因爲延時直接關係到遊戲的體驗。並且不同的遊戲對延時的忍受程度不盡相同，例如：FPS延時超過了100ms體驗就不怎麼好了，Moba在這種程度卻覺得很好，MMO甚至到了200ms還可以愉快玩耍，但不管什麼遊戲，延時越低，體驗就越好。
TCP的特性導致網絡在不好的時候，延遲會變的很高。UDP的延遲很低，但是不可靠，亂序。
KCP是一種網絡傳輸協議(A Fast and Reliable ARQ Protocol)，純算法實現，並不負責底層協議（如UDP）的收發，需要使用者自己定義下層數據包的發送方式，以callback的方式提供給KCP。連時鐘都需要外部傳遞進來，內部不會有任何一次系統調用。本文傳輸協議只考慮UDP的情況。
KCP基於UDP協議，在儘可能保留UDP快的前提下，借鑑了TCP的機制來保證可靠。KCP相比TCP浪費了10%~20%的帶寬代價，換取了平均延遲降低30%~40%，且最大延遲降低三倍的傳輸效果。
KCP是自私的，它只顧自己的傳輸效率，從不管整個網絡的擁塞情況。舉個例子，TCP檢測到丟包的時候，首先想到的是網絡擁塞了，要放慢自己的速度別讓網絡更糟，而KCP想到的趕緊重傳別耽誤事。
對比KCP和TCP：
- KCP儘可能保留UDP快的特點下，保證可靠；TCP保證網絡絕對的可靠，所以設計複雜，速度慢。
- KCP是爲流速設計的，重點是降低應用網絡延遲；TCP是爲流量設計的，可以充分利用帶寬。
- KCP是應用層協議，底層是UDP；TCP是傳輸層協議。
用個比喻來形容就是TCP是條流速較慢但是流量很大的運河，而KCP是條水流湍急的小激流。
KCP協議只有 ikcp.h, ikcp.c兩個源文件，可以方便的集成到用戶自己的協議棧中。
圖片來自網絡：
KCP工作流程
KCP的工作流程如下圖所示：
圖中的send_queue是發送隊列，send_buf是發送緩衝區，rcv_buf是接收緩衝區，rcv_queue是接收隊列。隊列和緩衝區的實現都是雙向循環列表，通過宏定義來實現。queue和buff的結點就是一個kcp報文。
- ikcp_update：循環定時調用
發送工作流程：
- ikcp_send: 將用戶待發送的數據填充成KCP報文段，放入snd_queue。
- ikcp_flush: 調用輸出回調將發送緩衝區中的數據發送出去。Ikcp_send不會將數據直接發送出去，只會將報文段放入snd_queue，等待下一次ikcp_update來調用ikcp_flush，將數據從snd_queue中移動到snd_buf後再發送數據。具體哪些報文可以發送，需要通過滑動窗口來控制，避免一次性發送太多的數據導致擁塞。
通過發送工作流程，可以發現發送數據需要等待flush，有發送延遲問題。普遍的解決方案是send之後立即調用一次update，但這樣做會帶來較大的系統開銷。
接收工作流程：
- ikcp_input： 接收傳輸層數據，包括用戶數據報文段以及ACK報文；接收完後放入rcv_buff，等到接收完一段完整有序的報文之後，纔會移動到rcv_queue中供接收方處理。
- ikcp_recv：從rcv_queue中讀取數據，觸發接收邏輯。
可靠性
ARQ協議(Automatic Repeat-reQuest)，即自動重傳請求，是傳輸層的錯誤糾正協議之一，它通過使用確認和超時兩個機制，在不可靠的網絡上實現可靠的信息傳輸。TCP就是使用的ARQ協議來保證了數據的可靠。
ARQ協議有兩種模式：
- ACK模式（停等ARQ協議），同步請求響應模式，基於超時重傳保證可靠。
- UNA模式（連續ARQ協議），可以連續發送多個分組，而不必每發完一個分組就停下來等待對方確認，TCP就是如此。連續ARQ協議不會響應每個數據段，而是僅僅響應編號最大的這個數據段，表示之前的數據都收到了。
KCP的ARQ：光用UNA如果丟包將導致全部重傳，光用ACK則丟失成本太高。以往協議都是二選其一，而KCP有單獨ACK包，且數據包和ACK包都帶UNA信息，有效降低ACK丟失成本。
確認與重傳
KCP 確認重傳實現機制：ACK+UNA；超時重傳+快速重傳；選擇重傳
- 在TCP中，有超時重傳機制，KCP中設置快速模式，可控制RTO成*1.5。
- 由於KCP的ARQ模式是ACK+UNA，所以KCP除了超時重傳還有選擇重傳機制
- 選擇重傳：返回的ACK中包含rcv_nxt和sn。rcv_nxt代表收到的所有連續的包，sn代表哪些不連續的包收到了，那麼根據這兩個參數可以計算出來沒有收到的包的序號。發送方接收到接收方發過來的數據時，首先解析rcv_nxt，把所有小於rcv_nxt序號的包從發送緩存隊列中移除。然後再解析sn（大於rcv_nxt），遍歷發送緩存隊列，找到所有序號小於sn的包，就是被選擇重傳的包。
- 快速重傳：根據我們設置的快速重傳的門限，對每個分片維護一個快速重傳的計數。每收到一個ACK解析sn後找到了一個分片，就把該分片的快速重傳的計數加一。如果該計數達到了快速重傳門限，那麼就認爲該分片已經丟失，可以觸發快速重傳。
- KCP在發生快速重傳且數據包亂序時，採用的是TCP快恢復的策略。控制窗口調整爲已經發送沒有接收到ack的數據包數目的一半+resent。
流量控制
流量控制有兩機制：滑動窗口和擁塞控制。
滑動窗口的接收方告知發送方自己可以接收緩衝區的大小，通常與連續ARQ協議配合使用。滑動窗口就是TCP頭部的16位大小窗口字段，而UDP沒有這個字段。
擁塞控制的關鍵是四個算法：慢開始、擁塞避免、快速重傳、快速恢復。
KCP滑動窗口：
滑動窗口默認大小爲32，即可以接收最大爲32*MTU=43.75kB。KCP採用update的方式，更新間隔爲10ms，那麼KCP限定了你最大傳輸速率爲4375kB/s，在高網速傳輸大內容的情況下需要調用ikcp_wndsize調整接收與發送窗口。建議從應用側更好的控制發送流量與網絡速度持平，避免緩存堆積延遲。
KCP擁塞控制：
KCP的擁塞控制可以關閉。KCP的優勢在於可以完全關閉擁塞控制，非常自私的進行發送。KCP採用的擁塞控制策略爲TCP最古老的策略，無任何優勢。完全關閉擁塞控制，也不是一個最優策略，它全是會造成更爲擁堵的情況。
KCP VS TCP
- TCP的RTO是直接翻倍，但是試驗測試發現RTO*=1.5比RTO*=2要好，所以KCP選擇了RTO*=1.5，提高了丟包時的傳輸速度。
- 快速重傳：發送端發送了1,2,3,4,5幾個包，然後收到遠端的ACK: 1, 3, 4, 5，當收到ACK3時，KCP知道2被跳過1次，收到ACK4時，知道2被跳過了2次，此時可以認爲2號丟失，不用等超時，直接重傳2號包，大大改善了丟包時的傳輸速度。
- 延遲ACK vs 非延遲ACK ：TCP爲了充分利用帶寬，延遲發送ACK（NODELAY都沒用），這樣超時計算會算出較大RTT時間，延長了丟包時的判斷過程。KCP的ACK是否延遲發送可以調節。
- UNA vs ACK+UNA ：TCP使用的UNA模式，有丟包全部重傳問題；KCP有單獨ACK，且數據包和ACK包都帶UNA信息，有效降低ACK丟失成本。
- TCP丟包時會全部重傳從丟的那個包開始以後的數據；由於KCP使用了ACK+UNA模式，KCP是選擇性重傳，只重傳真正丟失的數據包。
- 非退讓流控：KCP正常模式同TCP一樣使用公平退讓法則，即發送窗口大小由：發送緩存大小、接收端剩餘接收緩存大小、丟包退讓及慢啓動這四要素決定。但傳送及時性要求很高的小數據時，可選擇通過配置跳過後兩步，僅用前兩項來控制發送頻率。以犧牲部分公平性及帶寬利用率之代價，換取了開着BT都能流暢傳輸的效果。（KCP非退讓流控可以理解爲對及時性要求很高的小數據只考慮滑動窗口，看你發送窗口和接收窗口是否允許我傳輸）
其他
- 當用戶數據很大，大於一個UDP包能承擔的範圍時(大於mss)，KCP會將用戶數據分片存儲在多個KCP包中。因此每個KCP包稱爲一個分片。
- 用戶控制：擁塞控制可以取消、ACK回覆可以設置成無延遲ACK回覆、KCP的RTO可以控制成*1.5
- KCP只是一套基於無連接的數據報文之上的連接和擁塞控制協議，對底層無連接的數據報文沒有具體的限制，可以基於UDP，也可以基於僞造的 TCP/ICMP等，也可以基於某些特殊環境的非internet網絡（比如各種現場通信總線）