谈谈网络游戏中的延迟解决方案

咱们日常玩的不少网络游戏，好比英雄联盟/王者荣耀/PUBG等，你感受到卡顿每每不是由于你的网速问题，而是由于网络延时致使的，好比说LOL美服的游戏服务器在美国，而你在中国的华中地区玩着美服LOL，那么你的延迟可能会在300ms左右，由于网络请求从美国到中国华中地区须要通过不少的路由，这里面会消耗掉不少时间，若是发生了丢包，那么重发须要的延迟更是会加倍增加，而延迟每每在150ms以上时每每就会影响到你的游戏体验了。

市面上会有一些游戏加速器，它们会在国外安置服务器，搭建一条线路，来保证你的请求可以迅速的被处理，来下降游戏的延迟。

如今不少的游戏以及直播等低延迟需求的应用，通常都不会再使用原生的TCP或者UDP来进行传输，而是在二者的基础上进行扩展修改，取其优异，好比TCP的传输可靠，UDP的传输速度。

仔细想一想之前在计算机网络课程中学习TCP/UDP时，就对TCP的所谓可靠传输感受很怪异，真的是可靠到太过慎重了，说到慎重就不得不提这个月的一部新番《这个勇者明明超强却过度慎重 》。

昨天看了第一话，吹爆！

说回TCP，当时以为它的超时重传RTO时间每次都会翻倍，若是一个包屡次超时，那下次重发这个包不是须要好久，延迟这不就上来了？ 还有它的重传，丢了一个包就须要重传以后全部的包，过度的慎重，虽说能够保证可靠性，可是这对于咱们毫秒级即时通信之类的应用确实不太友好。

在此前提下，有了不少基于TCP或是UDP的改良，专门针对网络游戏以及音视频通话中的延迟，本篇要说的就是KCP协议。

KCP协议是什么

KCP是一个快速可靠协议，能以比 TCP浪费10%-20%的带宽的代价，换取平均延迟下降 30%-40%，且最大延迟下降三倍的传输效果。

纯算法实现，并不负责底层协议（如UDP）的收发，须要使用者本身定义下层数据包的发送方式，以 callback的方式提供给 KCP。

连时钟都须要外部传递进来，内部不会有任何一次系统调用。

有一种叫KCPtun的实现，能够把咱们的TCP请求转化成KCP+UDP在公网上传输。

KCP与TCP的比较

TCP是为流量设计的（每秒内能够传输多少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须要多少时间），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，经过如下策略达到提升流速的结果：

• RTO翻倍vs不翻倍(RTO超时重传)：

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（实验证实1.5这个值相对比较好），提升了传输速度。

• 选择性重传 vs 所有重传：

TCP丢包时会所有重传从丢的那个包开始之后的数据，KCP是选择性重传，只重传真正丢失的数据包。

• 快速重传：

发送端发送了1,2,3,4,5几个包，而后收到远端的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，此时能够认为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，延长了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送能够调节。

• UNA vs ACK+UNA：

ARQ模型响应有两种，UNA（此编号前全部包已收到，如TCP）和ACK（该编号包已收到），光用UNA将致使所有重传，光用ACK则丢失成本过高，以往协议都是二选其一，而 KCP协议中，除去单独的 ACK包外，全部包都有UNA信息。

• 非退让流控：

KCP正常模式同TCP同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，可选择经过配置跳事后两步，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。

若是网络永远不卡，那 KCP/TCP 表现相似，可是网络自己就是不可靠的，丢包和抖动没法避免（不然还要各类可靠协议干吗）。在内网这种几乎理想的环境里直接比较，你们都差很少，可是放到公网上，放到3G/4G网络状况下，或者使用内网丢包模拟，差距就很明显了。公网在高峰期有平均接近10%的丢包，wifi/3g/4g下更糟糕，这些都会让传输变卡。

可能你玩的不少游戏，或者说使用的加速器，都是利用了KCP来下降延迟。

如何使用

下面是KCP在GitHub上的地址，只须要将其中ikcp.c，ikcp.h两个文件导入你的协议栈中就可使用了。

https://github.com/skywind3000/kcp

建立 KCP对象：

// 初始化 kcp对象，conv为一个表示会话编号的整数，和tcp的 conv同样，通讯双
// 方需保证 conv相同，相互的数据包才可以被承认，user是一个给回调函数的指针
ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);

设置回调函数：

// KCP的下层协议输出函数，KCP须要发送数据时会调用它
// buf/len 表示缓存和长度
// user指针为 kcp对象建立时传入的值，用于区别多个 KCP对象
int udp_output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void *user)
{
  ....
}
// 设置回调函数
kcp->output = udp_output;

循环调用 update：

// 以必定频率调用 ikcp_update来更新 kcp状态，而且传入当前时钟（毫秒单位）
// 如 10ms调用一次，或用 ikcp_check肯定下次调用 update的时间没必要每次调用
ikcp_update(kcp, millisec);

输入一个下层数据包：

// 收到一个下层数据包（好比UDP包）时须要调用：
ikcp_input(kcp, received_udp_packet, received_udp_size);

处理了下层协议的输出/输入后 KCP协议就能够正常工做了，使用 ikcp_send 来向 远端发送数据。而另外一端使用 ikcp_recv(kcp, ptr, size)来接收数据。