一、简介
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。
二、相关概念
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_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
RTT(Round-Trip Time):?往返时延。在计算机网络中它是一个重要的性能指标，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认），总共经历的时延。
MSS:（Maximum Segment Size，最大报文长度。
拥塞窗口:指某一源端数据流在一个RTT内可以最多发送的数据包数, 拥塞窗口（cwnd）会随着网络状态的变化而变化。
接收窗口：rcv_nxt（待接收消息序号），rcv_nxt + rcv_wnd（接收窗口大小）
快速重传机制：假如开启KCP的快速重传机制，并且设置了当重复的ACK个数大于resend时候，直接进行重传。 当发送端发送了1,2,3,4,5五个包，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，当收到ACK4的时候，KCP知道2被跳过2次，当次数大于等于设置的resend的值的时候，不用等到超时，可直接重传2号包。这就是KCP的快速重传机制。
拥塞窗口:指某一源端数据流在一个RTT内可以最多发送的数据包数, 拥塞窗口（cwnd）会随着网络状态的变化而变化。
慢启动机制:慢启动也就是控制拥塞窗口从0开始增长，在每收到一个报文段确认后，把拥塞窗口加1。是为了防止拥塞窗口过大引起网络阻塞，还需要设置一个慢机制的的门限（ssthresh即拥塞窗口的阈值）。当拥塞窗口增长到阈值以后，就减慢增长速度，缓慢增长。
三、kcp源码工作流程图
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1.首先通过ikcp_create创建一个kcp传输对象，创建时需要传入会话ID和用户ID，conv为一个表示会话编号的整数，用来标记本次传输会话。用户ID，用户ID作用不大，估计就是标记一下KCP对象是由哪个用户创建，可以传入用户对象，方便内部使用，没有用到可以传0.
2.设置回调函数，kcp→output，kcp数据封装好以后，需要发送到网络上时会调用该接口，如果使用的是UDP传输，就是调用系统接口sendto
3.周期循环调用ikcp_update,ikcp_update是任务处理的中心，主要处理需要发送的数据队列，更新kcp上下文状态，拥塞控制，重传控制。一般是10ms循环调用一次ikcp_update
4.收到一个下层UDP包以后，通过ikcp_input喂给kcp对象进行解析。然后通过 ikcp_recv获取解析后的原始数据。
5.通过 ikcp_send 进行发送数据，kcp对象会自动进行封装和编号，放入待发送的数据队列，当调用ikcp_update时进行发送。
注意：多线程调用KCP对象时，需要考虑线程的安全性。
四、KCP配置
1.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）
普通模式：?ikcp_nodelay(kcp, 0, 40, 0, 0);
极速模式： ikcp_nodelay(kcp, 1, 10, 2, 1);
2、最大窗口设置
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.?这个可以理解为?TCP的?SND_BUF?和?RCV_BUF，只不过单位不一样?SND/RCV_BUF?单位是字节，这个单位是包。
3、最大传输单元：
纯算法协议并不负责探测?MTU，默认?mtu是1400字节，可以使用ikcp_setmtu来设置该值。该值将会影响数据包归并及分片时候的最大传输单元。
4、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;
五、工作原理
1、协议头解析
0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 ? ? ?5 ? ? 6 ? ? ?8 (BYTE)
+-------------------+----+----+----+?
| ? ? ?conv ? ? ?| cmd | frg | ?wnd |?
+-------------------+----+----+----+ ? 8
| ? ? ? ? ts ? ? ? ? | ? ? ? ? ? ? sn ? ? ? ? ? |?
+-------------------+----------------+ ?16
| ? ? ? una ? ? ? | ? ? ? ? ? ? len ? ? ? ? ?|
+-------------------+----------------+ ? 24
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? |
| ? ? ? ? ? ?DATA (optional) ? ? ? ? ?|
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? |
+-------------------------------------+
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，IKCP_CMD_PUSH，发送数据命令
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
2、数据发送
2.1数据发送准备
ikcp_send(ikcpcb?kcp, const char?buffer, int len)
该接口把用户发送的数据根据MSS进行分片。如上图，用户发送1900字节的数据，MTU为1400byte。因此，该函数会把1900byte的用户数据分成两个包，一个数据大小为1400，头frg设置为1，len设置为1400；第二个包，头frg设置为0，len设置为500。切好KCP包之后，放入到名为snd_queue的待发送队列中。以太网的MTU通常为1500字节-IP头（20字节固定+40字节可选）-UDP头8个字节=1472字节。KCP会考虑多传输协议，但是在UDP的情况下，设置为1472字节更为合理。
2.2数据实际发送
KCP会不停的进行update更新最新情况，数据的实际发送在update时进行。发送过程如下图所示：
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步骤1：待发送队列移至发送队列
KCP会把snd_queue待发送队列中的kcp包，移至snd_buf发送队列。移动的包的数量不会超过snd_una+cwnd-snd_nxt，确保发送的数据不会让接收方的接收队列溢出。该功能类似于TCP协议中的滑动窗口。cwnd=min(snd_wnd,rmt_wnd,kcp->cwnd)的最小值决定，snd_wnd，rmt_wnd比较好理解可发送的数据，可发送的数据最大值，应该是发送方可以发送的数据和接收方可以接收的数据的最小值。kcp->cwnd是拥塞控制的一个值，跟网络状况相关，网络状况差的时候，KCP认为应该降低发送的数据，后面会有详细的介绍。
如上图中，snd_queue待发送队列中有4个KCP包等待发送，这个时候snd_nxt下一个发送的kcp包序列号为11，snd_una下一个确认的KCP包为9（8已经确认，9，10已经发送但是还没得到接收方的确认）。因为cwnd=5，发送队列中还有2个发送了但是还未得到确认，所以可以从待发送队列中取前面的3个KCP包放入到发送队列中，序列号分别设置为11,12,13。
步骤2：发送发送队列的数据
发送队列中包含两种类型的数据，已发送但是尚未被接收方确认的数据，没被发送过的数据。没发送过的数据比较好处理，直接发送即可。重点在于已经发送了但是还没被接收方确认的数据，该部分的策略直接决定着协议快速、高效与否。KCP主要使用两种策略来决定是否需要重传KCP数据包，超时重传、快速重传、选择重传。
1、超时重传
TCP超时计算是RTOx2，这样连续丢三次包就变成RTOx8了，而KCP非快速模式下每次+RTO，急速模式下+0.5RTO（实验证明1.5这个值相对比较好），提高了传输速度。
2、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。TCP有快速重传算法，TCP包被跳过3次之后会进行重传。
注：可以通过统计错误重传（重传的包实际没丢，仅乱序），优化该设置。
3、选择重传
老的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。但是，目前大部分的操作系统，linux与android手机均是支持SACK选择重传的。
步骤3：数据发送
通过步骤2判定，kcp包是否需要发送，如果需要发送的kcp包则通过，kcp_setoutput设置的发送接口进行发送，UDP通常为sendto。步骤3，会对较小的kcp包进行合并，一次性发送提高效率
2.3数据接收过程
KCP的接收过程是将UDP收到的数据进行解包，重新组装顺序的、可靠的数据后交付给用户。
2.3.1 KCP数据包接收
kcp_input输入UDP收到的数据包。kcp包对前面的24个字节进行解压，包括conv、?frg、?cmd、?wnd、?ts、?sn、?una、?len。根据una，会删除snd_buf中，所有una之前的kcp数据包，因为这些数据包接收者已经确认。根据wnd更新接收端接收窗口大小。根据不同的命令字进行分别处理。数据接收后，更新流程如下所示：
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1、IKCP_CMD_PUSH数据发送命令
a、KCP会把收到的数据包的sn及ts放置在acklist中，两个相邻的节点为一组，分别存储sn和ts。update时会读取acklist，并以IKCP_CMD_ACK的命令返回确认包。如下图中，收到了两个kpc包，acklist中会分别存放10,123,11,124。
b、kcp数据包放置rcv_buf队列。丢弃接收窗口之外的和重复的包。然后将rcv_buf中的包，移至rcv_queue。原来的rcv_buf中已经有sn=10和sn=13的包了，sn=10的kcp包已经在rcv_buf中了，因此新收到的包会直接丢弃掉，sn=11的包放置至rcv_buf中。
c、把rcv_buf中前面连续的数据sn=11，12，13全部移动至rcv_queue，rcv_nxt也变成14。rcv_queue的数据是连续的，rcv_buf可能是间隔的
d、kcp_recv函数，用户获取接收到数据（去除kcp头的用户数据）。该函数根据frg，把kcp包数据进行组合返回给用户。
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2、IKCP_CMD_ACK数据确认包
两个使命：1、RTO更新，2、确认发送包接收方已接收到。
正常情况：收到的sn为11,una为12。表示sn为11的已经确认，下一个等待接收的为12。发送队列中，待确认的一个包为11，这个时候snd_una向后移动一位，序列号为11的包从发送队列中删除。
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异常情况：如下图所示，sn!=11的情况均为异常情况。sn<11表示，收到重复确认的包，如本来以为丢失的包重新又收到了，所以产生重复确认的包；sn>17，收到没发送过的序列号，概率极低，可能是conv没变重启程序导致的；112，则启动快速重传
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[ KCP快速确认?]
确认包发送，接收到的包会全部放在acklist中，以IKCP_CMD_ACK包发送出去
3、流量控制和拥塞控制
3.1RTO计算（与TCP完全一样）
RTT：一个报文段发送出去，到收到对应确认包的时间差。
SRTT(kcp->rx_srtt)：RTT的一个加权RTT平均值，平滑值。
RTTVAR(kcp->rx_rttval)：RTT的平均偏差，用来衡量RTT的抖动。
3.2流量控制
流量控制是点对点的通信量的控制，是一个端到端的问题。总结起来，就是发送方的速度要匹配接收方接收（处理）数据的速度。发送方要抑制自身的发送速率，以便使接收端来得及接收。
KCP的发送机制采用TCP的滑动窗口方式，可以非常容易的控制流量。KCP的头中包含wnd，即接收方目前可以接收的大小。能够发送的数据即为snd_una与snd_una+wnd之间的数据。接收方每次都会告诉发送方我还能接收多少，发送方就控制下，确保自己发送的数据不多于接收端可以接收的大小。
KCP默认为32，即可以接收最大为32*MTU=43.75kB。KCP采用update的方式，更新间隔为10ms，那么KCP限定了你最大传输速率为4375kB/s，在高网速传输大内容的情况下需要调用ikcp_wndsize调整接收与发送窗口。
KCP的主要特色在于实时性高，对于实时性高的应用，如果发生数据堆积会造成延迟的持续增大。建议从应用侧更好的控制发送流量与网络速度持平，避免缓存堆积延迟。（详见参考资料）
3.3拥塞控制（KCP可关闭）
KCP的优势在于可以完全关闭拥塞控制，非常自私的进行发送。KCP采用的拥塞控制策略为TCP最古老的策略，无任何优势。完全关闭拥塞控制，也不是一个最优策略，它全是会造成更为拥堵的情况。
网络中链路的带宽，与整条网络中的交换节点（路由器、交换机、基站等）有关。如果，所有使用该链路的流量超出了，该链路所能提供的能力，就会发生拥塞。车多路窄，就会堵车，车越多堵的越厉害。因此，TCP作为一个大公无私的协议，当网络上发送拥堵的时候会降低自身发送数据的速度。拥塞控制是整个网络的事情，流量控制是发送和接收两方的事情。
当发送方没有按时接收到确认包，就认为网络发生了拥堵行为。TCP拥塞控制的方式，归结为慢开始、拥塞避免，如下图所示
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [ 拥塞控制算法?]
KCP发生丢包的情况下的拥塞控制策略与TCP Tahoe版本的策略一致。TCP Reno版本已经使用快恢复策略。因此，丢包的情况下，其实KCP拥塞控制策略比TCP更为苛刻。
KCP在发生快速重传，数据包乱序时，采用的是TCP快恢复的策略。控制窗口调整为已经发送没有接收到ack的数据包数目的一半+resent。
注：目前kernel 3.2以上的linux，默认采用google改进的拥塞控制算法，Proportional Rate Reduction for TCP。该算法的主要特点为，的cwnd如下图所示：
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