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谈谈网络游戏中的延迟解决方案

我们平常玩的很多网络游戏,比如英雄联盟/王者荣耀/PUBG等,你感觉到卡顿往往不是因为你的网速问题,而是因为网络延时导致的,比如说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,因为网络请求从美国到中国华中地区需要经过很多的路由,这里面会消耗掉很多时间,如果发生了丢包,那么重发需要的延迟更是会加倍增长,而延迟往往在150ms以上时往往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,来保证你的请求能够迅速的被处理,来降低游戏的延迟。

现在很多的游戏以及直播等低延迟需求的应用,一般都不会再使用原生的TCP或者UDP来进行传输,而是在两者的基础上进行扩展修改,取其优异,比如TCP的传输可靠,UDP的传输速度。

仔细想想以前在计算机网络课程中学习TCP/UDP时,就对TCP的所谓可靠传输感觉很怪异,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分慎重 》。

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昨天看了第一话,吹爆!

说回TCP,当时觉得它的超时重传RTO时间每次都会翻倍,如果一个包多次超时,那下次重发这个包不是需要很久,延迟这不就上来了? 还有它的重传,丢了一个包就需要重传之后所有的包,过分的慎重,虽然说可以保证可靠性,但是这对于我们毫秒级即时通讯之类的应用确实不太友好。

在此前提下,有了很多基于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。

有一种叫KCPtun的实现,可以把我们的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(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:

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,延长了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送可以调节。

  • 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。

如果网络永远不卡,那 KCP/TCP 表现类似,但是网络本身就是不可靠的,丢包和抖动无法避免(否则还要各种可靠协议干嘛)。在内网这种几乎理想的环境里直接比较,大家都差不多,但是放到公网上,放到3G/4G网络情况下,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。

可能你玩的很多游戏,或者说使用的加速器,都是利用了KCP来降低延迟。

如何使用

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

创建 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一样,通信双
// 方需保证 conv相同,相互的数据包才能够被认可,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需要发送数据时会调用它
// buf/len 表示缓存和长度
// user指针为 kcp对象创建时传入的值,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:

// 以一定频率调用 ikcp_update来更新 kcp状态,并且传入当前时钟(毫秒单位)
// 如 10ms调用一次,或用 ikcp_check确定下次调用 update的时间不必每次调用
ikcp_update(kcp, millisec);

输入一个下层数据包:

// 收到一个下层数据包(比如UDP包)时需要调用:
ikcp_input(kcp, received_udp_packet, received_udp_size);

处理了下层协议的输出/输入后 KCP协议就可以正常工作了,使用 ikcp_send 来向 远端发送数据。而另一端使用 ikcp_recv(kcp, ptr, size)来接收数据。

posted @ 2019-10-06 14:39  AntzUhl 阅读( ...) 评论( ...) 收藏
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谈谈网络游戏中的延迟解决方案

我们平常玩的很多网络游戏,比如英雄联盟/王者荣耀/PUBG等,你感觉到卡顿往往不是因为你的网速问题,而是因为网络延时导致的,比如说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,因为网络请求从美国到中国华中地区需要经过很多的路由,这里面会消耗掉很多时间,如果发生了丢包,那么重发需要的延迟更是会加倍增长,而延迟往往在150ms以上时往往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,来保证你的请求能够迅速的被处理,来降低游戏的延迟。

现在很多的游戏以及直播等低延迟需求的应用,一般都不会再使用原生的TCP或者UDP来进行传输,而是在两者的基础上进行扩展修改,取其优异,比如TCP的传输可靠,UDP的传输速度。

仔细想想以前在计算机网络课程中学习TCP/UDP时,就对TCP的所谓可靠传输感觉很怪异,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分慎重 》。

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昨天看了第一话,吹爆!

说回TCP,当时觉得它的超时重传RTO时间每次都会翻倍,如果一个包多次超时,那下次重发这个包不是需要很久,延迟这不就上来了? 还有它的重传,丢了一个包就需要重传之后所有的包,过分的慎重,虽然说可以保证可靠性,但是这对于我们毫秒级即时通讯之类的应用确实不太友好。

在此前提下,有了很多基于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。

有一种叫KCPtun的实现,可以把我们的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(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:

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,延长了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送可以调节。

  • 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。

如果网络永远不卡,那 KCP/TCP 表现类似,但是网络本身就是不可靠的,丢包和抖动无法避免(否则还要各种可靠协议干嘛)。在内网这种几乎理想的环境里直接比较,大家都差不多,但是放到公网上,放到3G/4G网络情况下,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。

可能你玩的很多游戏,或者说使用的加速器,都是利用了KCP来降低延迟。

如何使用

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

创建 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一样,通信双
// 方需保证 conv相同,相互的数据包才能够被认可,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需要发送数据时会调用它
// buf/len 表示缓存和长度
// user指针为 kcp对象创建时传入的值,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:

// 以一定频率调用 ikcp_update来更新 kcp状态,并且传入当前时钟(毫秒单位)
// 如 10ms调用一次,或用 ikcp_check确定下次调用 update的时间不必每次调用
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输入一个下层数据包:

// 收到一个下层数据包(比如UDP包)时需要调用:
ikcp_input(kcp, received_udp_packet, received_udp_size);

处理了下层协议的输出/输入后 KCP协议就可以正常工作了,使用 ikcp_send 来向 远端发送数据。而另一端使用 ikcp_recv(kcp, ptr, size)来接收数据。

posted @ 2019-10-06 14:39  AntzUhl 阅读( ...) 评论( ...) 收藏