引言
上一篇文章TCP和UDP协议详解，我们学习了TCP和UDP协议。了解了UDP是不可靠的传输协议，尽最大能力交付。今天我们就来聊聊如何实现UDP的可靠传输。
一、TCP是如何实现可靠传输的？
在网络中，我们认为传输是不可靠的，而在很多场景下我们需要的是可靠的数据。所谓可靠，指的是数据能够正常收到，且能够顺序收到，于是就有了ARQ协议，TCP之所以可靠就是基于此。
1.1 ARQ协议
定义：ARQ协议(Automatic Repeat-reQuest)，即自动重传请求，是传输层的错误纠正协议之一，它通过使用确认和超时两个机制，在不可靠的网络上实现可靠的信息传输。
模式：ARQ协议主要有3种模式：
- 停等协议(stop-and-wait)
1、发送方发送数据包，等待对方回复ACK，并且开始计时。
2、在等待对方回复过程中，停止发送新的数据包。
3、若在等待时间内收到对方ACK确认，开始发送下个数据包；如果没有收到，会再次发送该数据包，直到收到从接收方发送的ACK。。
存在问题：发送方在未收到上个包的确认不会发送下个数据包，效率太低，基本不用。
- 回退n帧(go-back-n)
为了克服停等协议长时间等待ACK的缺陷，连续ARQ协议会连续发送一组数据包，然后再等待这些数据包的ACK。回退N帧协议允许发送方在等待超时期间，可以继续发送分组。所有发送的分组，都带有序号。
在回退N帧协议中，发送方需响应以下三种事件：
1、上层调用send()时，发送方首先要检查发送窗口是否已满。
2、接收ACK。在该协议中，对序号为n的分组的确认采取累积确认的方式，表明接收方已正确接收到序号n以前(包括n)的所有分组。
3、超时。若出现超时，发送方将重传所有已发出但还未被确认的分组。对于接收方来说，若一个序号为n的分组被正确接收，并且按序，则接收方会为该分组返回一个ACK给发送方，并将该分组中的数据交付给上层。在其他情况下，接收方都会丢弃分组。若分组n已接收并交付，那么所有序号比n小的分组也已完成了交付。发送方在发完一个窗口里的所有分组后，会检查最大的有效确认，然后从最大有效确认的后一个分组开始重传。
分析：如上图所示，序号为2的分组丢失，因此分组2及之后的分组都将被重传。
总结：GBN采用的技术包括序号、累积确认、检验和以及计时/重传。 - 选择性重传(selective repeat，SR)
虽然GBN改善了停等协议中时间等待较长的缺陷，但它依旧存在着性能问题。特别是当窗口长度很大的时候，会使效率大大降低。而SR协议通过让发送方仅重传在接收方丢失或损坏了的分组，从而避免了不必要的重传，提高了效率。
在SR协议下，发送方需响应以下三种事件：
1、从上层收到数据。当从上层收到数据后，发送方需检查下一个可用于该分组的序号。若序号在窗口中则将数据发送。
2、接收ACK。若收到ACK，且该分组在窗口内，则发送方将那个被确认的分组标记为已接收。若该分组序号等于基序号，则窗口序号向前移动到具有最小序号的未确认分组处。若窗口移动后并且有序号落在窗口内的未发送分组，则发送这些分组。
3、超时。若出现超时，发送方将重传已发出但还未确认的分组。与GBN不同的是，SR协议中的每个分组都有独立的计时器。
1.2 RTT和RTO
- RTO（Retransmission TimeOut）即重传超时时间。
- RTT(Round-Trip Time)： 往返时延。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。
1.3 流量控制
◼ 双方在通信的时候，发送方的速率与接收方的速率是不一定相等，如果发送方的发送速率太快，会导致接收方处理不过来，这时候接收方只能把处理不过来的数据存在缓存区里（失序的数据包也会被存放在缓存区里）。
◼ 如果缓存区满了发送方还在疯狂着发送数据，接收方只能把收到的数据包丢掉，大量的丢包会极大着浪费网络资源，因此，我们需要控制发送方的发送速率，让接收方与发送方处于一种动态平衡才好。
◼ 对发送方发送速率的控制，称之为流量控制。
1.4 拥塞控制
二、UDP如何可靠传输？
UDP是传输层协议，本身就是不可靠的，所以只能在应用层来实现了。实现的方式可以参照TCP可靠性传输的方式，只是实现不在传输层，实现转移到了应用层。
2.1 KCP协议
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。
KCP力求在保证可靠性的情况下提高传输速度。
KCP没有规定下层传输协议，但通常使用UDP来实现，至于原因，非常有必要说明，如果不清楚，就不能够真正地了解KCP。
补充：传输层的数据叫作段(segment)，网络层的数据叫作包(packet)，数据链路层的数据叫作帧(frame)，物理层的数据叫作流(stream)。
三、KCP协议的特征
在谈KCP协议的特征前，还是先贴一下KCP协议的数据段格式。
KCP格式
- RTO不翻倍
RTO(Retransmission-TimeOut)即重传超时时间,TCP是基于ARQ协议实现的可靠性，KCP也是基于ARQ协议实现的可靠性，但TCP的超时计算是RTO2，而KCP的超时计算是RTO1.5，也就是说假如连续丢包3次，TCP是RTO8，而KCP则是RTO3.375，意味着可以更快地重新传输数据。通过4字节ts计算RTT(Round-Trip-Time)即往返时延，再通过RTT计算RTO，ts(timestamp)即当前segment发送时的时间戳。
- 选择性重传
TCP中实现的是连续ARQ协议，再配合累计确认重传数据，只不过重传时需要将最小序号丢失的以后所有的数据都要重传，而KCP则只重传真正丢失的数据。
- 快速重传
与TCP相同，都是通过累计确认实现的，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ACK = 3时，KCP知道2被跳过1次，收到ACK = 4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。1字节cmd = 81时，sn相当于TCP中的seq，cmd = 82 时，sn相当于TCP中的ack。cmd相当于WebSocket协议中的openCode，即操作码。
- 非延迟ACK
TCP在连续ARQ协议中，不会将一连串的每个数据都响应一次，而是延迟发送ACK，即上文所说的UNA模式，目的是为了充分利用带宽，但是这样会计算出较大的RTT时间，延长了丢包时的判断过程，而KCP的ACK是否延迟发送可以调节。
- UNA + ACK
UNA模式参考特征2和特征4，ACK模式可以参考特征3。4字节una表示cmd = 81时，当前已经收到了小于una的所有数据。
- 非退让流控
在传输及时性要求很高的小数据时，可以通过配置忽略上文所说的窗口协议中的拥塞窗口机制，而仅仅依赖于滑动窗口。2字节wnd与TCP协议中的16位窗口大小意义相同，值得一提的是，KCP协议的窗口控制还有其它途径，当cmd = 83时，表示询问远端窗口大小，当cmd = 84时，表示告知远端窗口大小。
4字节conv表示会话匹配数字，为了在KCP基于UDP实现时，让无连接的协议知道哪个是哪个，相当于WEB系统HTTP协议中的SessionID。
1字节frg表示拆数据时的编号，4字节len表示整个数据的长度，相当于WebSocket协议中的len。
