概念
ARQ:自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest,ARQ)是OSI模型中数据链路层的错误纠正协议之一.
RTO:Retransmission TimeOut
FEC:Forward Error Correction
kcp简介
kcp是一个基于udp实现快速、可靠、向前纠错的的协议，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。查看官方文档kcp
kcp-go是用go实现了kcp协议的一个库，其实kcp类似tcp，协议的实现也很多参考tcp协议的实现，滑动窗口，快速重传，选择性重传，慢启动等。
kcp和tcp一样，也分客户端和监听端。
+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+
| Client | | Server |
+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+
|------ kcp data ------>|
|<----- kcp data -------|
kcp协议
layer model
+----------------------+
| Session |
+----------------------+
| KCP(ARQ) |
+----------------------+
| FEC(OPTIONAL) |
+----------------------+
| CRYPTO(OPTIONAL)|
+----------------------+
| UDP(Packet) |
+----------------------+
KCP header
KCP Header Format
4 1 1 2 (Byte)
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| conv |cmd|frg| wnd |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| ts | sn |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| una | len |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| |
+ DATA +
| |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
代码结构
src/vendor/github.com/xtaci/kcp-go/
├── LICENSE
├── README.md
├── crypt.go 加解密实现
├── crypt_test.go
├── donate.png
├── fec.go 向前纠错实现
├── frame.png
├── kcp-go.png
├── kcp.go kcp协议实现
├── kcp_test.go
├── sess.go 会话管理实现
├── sess_test.go
├── snmp.go 数据统计实现
├── updater.go 任务调度实现
├── xor.go xor封装
└── xor_test.go
着重研究两个文件kcp.go和sess.go
kcp浅析
kcp是基于udp实现的，所有udp的实现这里不做介绍，kcp做的事情就是怎么封装udp的数据和怎么解析udp的数据，再加各种处理机制，为了重传，拥塞控制，纠错等。下面介绍kcp客户端和服务端整体实现的流程，只是大概介绍一下函数流，不做详细解析，详细解析看后面数据流的解析。
kcp client整体函数流
和tcp一样，kcp要连接服务端需要先拨号，但是和tcp有个很大的不同是，即使服务端没有启动，客户端一样可以拨号成功，因为实际上这里的拨号没有发送任何信息，而tcp在这里需要三次握手。
DialWithOptions(raddr string, block BlockCrypt, dataShards, parityShards int)
V
net.DialUDP("udp", nil, udpaddr)
V
NewConn()
V
newUDPSession() {初始化UDPSession}
V
NewKCP() {初始化kcp}
V
updater.addSession(sess) {管理session会话，任务管理，根据用户设置的internal参数间隔来轮流唤醒任务}
V
go sess.readLoop()
V
go s.receiver(chPacket)
V
s.kcpInput(data)
V
s.fecDecoder.decodeBytes(data)
V
s.kcp.Input(data, true, s.ackNoDelay)
V
kcp.parse_data(seg) {将分段好的数据插入kcp.rcv_buf缓冲}
V
notifyReadEvent()
客户端大体的流程如上面所示，先Dial，建立udp连接，将这个连接封装成一个会话，然后启动一个go程，接收udp的消息。
kcp server整体函数流
ListenWithOptions()
V
net.ListenUDP()
V
ServerConn()
V
newFECDecoder()
V
go l.monitor() {从chPacket接收udp数据，写入kcp}
V
go l.receiver(chPacket) {从upd接收数据，并入队列}
V
newUDPSession()
V
updater.addSession(sess) {管理session会话，任务管理，根据用户设置的internal参数间隔来轮流唤醒任务}
V
s.kcpInput(data)`
V
s.fecDecoder.decodeBytes(data)
V
s.kcp.Input(data, true, s.ackNoDelay)
V
kcp.parse_data(seg) {将分段好的数据插入kcp.rcv_buf缓冲}
V
notifyReadEvent()
服务端的大体流程如上图所示，先Listen，启动udp监听，接着用一个go程监控udp的数据包，负责将不同session的数据写入不同的udp连接，然后解析封装将数据交给上层。
kcp 数据流详细解析
不管是kcp的客户端还是服务端，他们都有io行为，就是读与写，我们只分析一个就好了，因为它们读写的实现是一样的，这里分析客户端的读与写。
kcp client 发送消息
s.Write(b []byte)
V
s.kcp.WaitSnd() {}
V
s.kcp.Send(b) {将数据根据mss分段，并存在kcp.snd_queue}
V
s.kcp.flush(false) [flush data to output] {
if writeDelay==true {
flush
}else{
每隔`interval`时间flush一次
}
}
V
kcp.output(buffer, size)
V
s.output(buf)
V
s.conn.WriteTo(ext, s.remote)
V
s.conn..Conn.WriteTo(buf)
读写都是在sess.go文件中实现的，Write方法：
// Write implements net.Conn
func (s *UDPSession) Write(b []byte) (n int, err error) {
for {
...
// api flow control
if s.kcp.WaitSnd() < int(s.kcp.snd_wnd) {
n = len(b)
for {
if len(b) <= int(s.kcp.mss) {
s.kcp.Send(b)
break
} else {
s.kcp.Send(b[:s.kcp.mss])
b = b[s.kcp.mss:]
}
}
if !s.writeDelay {
s.kcp.flush(false)
}
s.mu.Unlock()
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.BytesSent, uint64(n))
return n, nil
}
...
// wait for write event or timeout
select {
case <-s.chWriteEvent:
case <-c:
case <-s.die:
}
if timeout != nil {
timeout.Stop()
}
}
}
假设发送一个hello消息，Write方法会先判断发送窗口是否已满，满的话该函数阻塞，不满则kcp.Send(“hello”),而Send函数实现根据mss的值对数据分段，当然这里的发送的hello，长度太短，只分了一个段，并把它们插入发送的队列里。
func (kcp *KCP) Send(buffer []byte) int {
...
for i := 0; i < count; i++ {
var size int
if len(buffer) > int(kcp.mss) {
size = int(kcp.mss)
} else {
size = len(buffer)
}
seg := kcp.newSegment(size)
copy(seg.data, buffer[:size])
if kcp.stream == 0 { // message mode
seg.frg = uint8(count - i - 1)
} else { // stream mode
seg.frg = 0
}
kcp.snd_queue = append(kcp.snd_queue, seg)
buffer = buffer[size:]
}
return 0
}
接着判断参数writeDelay，如果参数设置为false，则立马发送消息，否则需要任务调度后才会触发发送，发送消息是由flush函数实现的。
// flush pending data
func (kcp *KCP) flush(ackOnly bool) {
var seg Segment
seg.conv = kcp.conv
seg.cmd = IKCP_CMD_ACK
seg.wnd = kcp.wnd_unused()
seg.una = kcp.rcv_nxt
buffer := kcp.buffer
// flush acknowledges
ptr := buffer
for i, ack := range kcp.acklist {
size := len(buffer) - len(ptr)
if size+IKCP_OVERHEAD > int(kcp.mtu) {
kcp.output(buffer, size)
ptr = buffer
}
// filter jitters caused by bufferbloat
if ack.sn >= kcp.rcv_nxt || len(kcp.acklist)-1 == i {
seg.sn, seg.ts = ack.sn, ack.ts
ptr = seg.encode(ptr)
}
}
kcp.acklist = kcp.acklist[0:0]
if ackOnly { // flash remain ack segments
size := len(buffer) - len(ptr)
if size > 0 {
kcp.output(buffer, size)
}
return
}
// probe window size (if remote window size equals zero)
if kcp.rmt_wnd == 0 {
current := currentMs()
if kcp.probe_wait == 0 {
kcp.probe_wait = IKCP_PROBE_INIT
kcp.ts_probe = current + kcp.probe_wait
} else {
if _itimediff(current, kcp.ts_probe) >= 0 {
if kcp.probe_wait < IKCP_PROBE_INIT {
kcp.probe_wait = IKCP_PROBE_INIT
}
kcp.probe_wait += kcp.probe_wait / 2
if kcp.probe_wait > IKCP_PROBE_LIMIT {
kcp.probe_wait = IKCP_PROBE_LIMIT
}
kcp.ts_probe = current + kcp.probe_wait
kcp.probe |= IKCP_ASK_SEND
}
}
} else {
kcp.ts_probe = 0
kcp.probe_wait = 0
}
// flush window probing commands
if (kcp.probe & IKCP_ASK_SEND) != 0 {
seg.cmd = IKCP_CMD_WASK
size := len(buffer) - len(ptr)
if size+IKCP_OVERHEAD > int(kcp.mtu) {
kcp.output(buffer, size)
ptr = buffer
}
ptr = seg.encode(ptr)
}
// flush window probing commands
if (kcp.probe & IKCP_ASK_TELL) != 0 {
seg.cmd = IKCP_CMD_WINS
size := len(buffer) - len(ptr)
if size+IKCP_OVERHEAD > int(kcp.mtu) {
kcp.output(buffer, size)
ptr = buffer
}
ptr = seg.encode(ptr)
}
kcp.probe = 0
// calculate window size
cwnd := _imin_(kcp.snd_wnd, kcp.rmt_wnd)
if kcp.nocwnd == 0 {
cwnd = _imin_(kcp.cwnd, cwnd)
}
// sliding window, controlled by snd_nxt && sna_una+cwnd
newSegsCount := 0
for k := range kcp.snd_queue {
if _itimediff(kcp.snd_nxt, kcp.snd_una+cwnd) >= 0 {
break
}
newseg := kcp.snd_queue[k]
newseg.conv = kcp.conv
newseg.cmd = IKCP_CMD_PUSH
newseg.sn = kcp.snd_nxt
kcp.snd_buf = append(kcp.snd_buf, newseg)
kcp.snd_nxt++
newSegsCount++
kcp.snd_queue[k].data = nil
}
if newSegsCount > 0 {
kcp.snd_queue = kcp.remove_front(kcp.snd_queue, newSegsCount)
}
// calculate resent
resent := uint32(kcp.fastresend)
if kcp.fastresend <= 0 {
resent = 0xffffffff
}
// check for retransmissions
current := currentMs()
var change, lost, lostSegs, fastRetransSegs, earlyRetransSegs uint64
for k := range kcp.snd_buf {
segment := &kcp.snd_buf[k]
needsend := false
if segment.xmit == 0 { // initial transmit
needsend = true
segment.rto = kcp.rx_rto
segment.resendts = current + segment.rto
} else if _itimediff(current, segment.resendts) >= 0 { // RTO
needsend = true
if kcp.nodelay == 0 {
segment.rto += kcp.rx_rto
} else {
segment.rto += kcp.rx_rto / 2
}
segment.resendts = current + segment.rto
lost++
lostSegs++
} else if segment.fastack >= resent { // fast retransmit
needsend = true
segment.fastack = 0
segment.rto = kcp.rx_rto
segment.resendts = current + segment.rto
change++
fastRetransSegs++
} else if segment.fastack > 0 && newSegsCount == 0 { // early retransmit
needsend = true
segment.fastack = 0
segment.rto = kcp.rx_rto
segment.resendts = current + segment.rto
change++
earlyRetransSegs++
}
if needsend {
segment.xmit++
segment.ts = current
segment.wnd = seg.wnd
segment.una = seg.una
size := len(buffer) - len(ptr)
need := IKCP_OVERHEAD + len(segment.data)
if size+need > int(kcp.mtu) {
kcp.output(buffer, size)
current = currentMs() // time update for a blocking call
ptr = buffer
}
ptr = segment.encode(ptr)
copy(ptr, segment.data)
ptr = ptr[len(segment.data):]
if segment.xmit >= kcp.dead_link {
kcp.state = 0xFFFFFFFF
}
}
}
// flash remain segments
size := len(buffer) - len(ptr)
if size > 0 {
kcp.output(buffer, size)
}
// counter updates
sum := lostSegs
if lostSegs > 0 {
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.LostSegs, lostSegs)
}
if fastRetransSegs > 0 {
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.FastRetransSegs, fastRetransSegs)
sum += fastRetransSegs
}
if earlyRetransSegs > 0 {
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.EarlyRetransSegs, earlyRetransSegs)
sum += earlyRetransSegs
}
if sum > 0 {
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.RetransSegs, sum)
}
// update ssthresh
// rate halving, https://tools.ietf.org/html/rfc6937
if change > 0 {
inflight := kcp.snd_nxt - kcp.snd_una
kcp.ssthresh = inflight / 2
if kcp.ssthresh < IKCP_THRESH_MIN {
kcp.ssthresh = IKCP_THRESH_MIN
}
kcp.cwnd = kcp.ssthresh + resent
kcp.incr = kcp.cwnd * kcp.mss
}
// congestion control, https://tools.ietf.org/html/rfc5681
if lost > 0 {
kcp.ssthresh = cwnd / 2
if kcp.ssthresh < IKCP_THRESH_MIN {
kcp.ssthresh = IKCP_THRESH_MIN
}
kcp.cwnd = 1
kcp.incr = kcp.mss
}
if kcp.cwnd < 1 {
kcp.cwnd = 1
kcp.incr = kcp.mss
}
}
flush函数非常的重要，kcp的重要参数都是在调节这个函数的行为，这个函数只有一个参数ackOnly，意思就是只发送ack，如果ackOnly为true的话，该函数只遍历ack列表，然后发送，就完事了。 如果不是，也会发送真实数据。 在发送数据前先进行windSize探测，如果开启了拥塞控制nc=0，则每次发送前检测服务端的winsize，如果服务端的winsize变小了，自身的winsize也要更着变小，来避免拥塞。如果没有开启拥塞控制，就按设置的winsize进行数据发送。
接着循环每个段数据，并判断每个段数据的是否该重发，还有什么时候重发：
1. 如果这个段数据首次发送，则直接发送数据。 2. 如果这个段数据的当前时间大于它自身重发的时间，也就是RTO，则重传消息。 3. 如果这个段数据的ack丢失累计超过resent次数，则重传，也就是快速重传机制。这个resent参数由resend参数决定。 4. 如果这个段数据的ack有丢失且没有新的数据段，则触发ER，ER相关信息ER
最后通过kcp.output发送消息hello，output是个回调函数，函数的实体是sess.go的：
func (s *UDPSession) output(buf []byte) {
var ecc [][]byte
// extend buf's header space
ext := buf
if s.headerSize > 0 {
ext = s.ext[:s.headerSize+len(buf)]
copy(ext[s.headerSize:], buf)
}
// FEC stage
if s.fecEncoder != nil {
ecc = s.fecEncoder.Encode(ext)
}
// encryption stage
if s.block != nil {
io.ReadFull(rand.Reader, ext[:nonceSize])
checksum := crc32.ChecksumIEEE(ext[cryptHeaderSize:])
binary.LittleEndian.PutUint32(ext[nonceSize:], checksum)
s.block.Encrypt(ext, ext)
if ecc != nil {
for k := range ecc {
io.ReadFull(rand.Reader, ecc[k][:nonceSize])
checksum := crc32.ChecksumIEEE(ecc[k][cryptHeaderSize:])
binary.LittleEndian.PutUint32(ecc[k][nonceSize:], checksum)
s.block.Encrypt(ecc[k], ecc[k])
}
}
}
// WriteTo kernel
nbytes := 0
npkts := 0
// if mrand.Intn(100) < 50 {
for i := 0; i < s.dup+1; i++ {
if n, err := s.conn.WriteTo(ext, s.remote); err == nil {
nbytes += n
npkts++
}
}
// }
if ecc != nil {
for k := range ecc {
if n, err := s.conn.WriteTo(ecc[k], s.remote); err == nil {
nbytes += n
npkts++
}
}
}
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.OutPkts, uint64(npkts))
atomic.AddUint64(&DefaultSnmp.OutBytes, uint64(nbytes))
}
output函数才是真正的将数据写入内核中，在写入之前先进行了fec编码，fec编码器的实现是用了一个开源库github.com/klauspost/reedsolomon，编码以后的hello就不是和原来的hello一样了，至少多了几个字节。 fec编码器有两个重要的参数reedsolomon.New(dataShards, parityShards, reedsolomon.WithMaxGoroutines(1))，dataShards和parityShards，这两个参数决定了fec的冗余度，冗余度越大抗丢包性就越强。
kcp的任务调度器
其实这里任务调度器是一个很简单的实现，用一个全局变量updater来管理session，代码文件为updater.go。其中最主要的函数
func (h *updateHeap) updateTask() {
var timer <-chan time.Time
for {
select {
case <-timer:
case <-h.chWakeUp:
}
h.mu.Lock()
hlen := h.Len()
now := time.Now()
if hlen > 0 && now.After(h.entries[0].ts) {
for i := 0; i < hlen; i++ {
entry := heap.Pop(h).(entry)
if now.After(entry.ts) {
entry.ts = now.Add(entry.s.update())
heap.Push(h, entry)
} else {
heap.Push(h, entry)
break
}
}
}
if hlen > 0 {
timer = time.After(h.entries[0].ts.Sub(now))
}
h.mu.Unlock()
}
}
任务调度器实现了一个堆结构，每当有新的连接，session都会插入到这个堆里，接着for循环每隔interval时间，遍历这个堆，得到entry然后执行entry.s.update()。而entry.s.update()会执行s.kcp.flush(false)来发送数据。
总结
这里简单介绍了kcp的整体流程，详细介绍了发送数据的流程，但未介绍kcp接收数据的流程，其实在客户端发送数据后，服务端是需要返回ack的，而客户端也需要根据返回的ack来判断数据段是否需要重传还是在队列里清除该数据段。处理返回来的ack是在函数kcp.Input()函数实现的。具体详细流程下次再介绍。
