2.2.3 TCP—UDP-QUIC

[小李小李快乐不已]

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2.2.3 TCP—UDP-QUIC

1. TCP如何做到可靠性传输

1. ACK机制

接收方在成功接收到数据后，会向发送方发送一个确认信号（ACK），告知发送方数据已正确接收。通过ACK机制，发送方可以确认数据是否成功到达接收方，从而决定是否需要重传。

2. 重传机制

重传机制是TCP确保数据可靠传输的核心。当发送方未收到ACK或检测到数据丢失时，会触发重传。主要包括：

• ​超时重传：发送方为每个数据段设置重传计时器（RTO），超时未收到ACK则重传。
• ​快速重传：发送方收到3个重复ACK后，立即重传丢失的数据段，无需等待超时。

3. 序号机制

TCP通过序号机制为每个数据段分配唯一的序列号（Sequence Number），接收方根据序号对数据段进行排序和重组。序号机制确保数据的有序性和完整性，避免数据丢失或乱序。

4. 窗口机制

窗口机制用于控制发送方的数据发送速率，避免接收方缓冲区溢出。主要包括：

• ​接收窗口（RWND）​：接收方告知发送方当前可接收的数据量。
• ​拥塞窗口（CWND）​：发送方根据网络拥塞情况动态调整发送速率。
• ​滑动窗口：发送方在窗口范围内连续发送数据，提高传输效率。

5. 流量机制

流量机制通过控制数据发送速率，避免网络拥塞和接收方过载。主要包括：

• ​流量控制：根据接收方的缓冲区大小动态调整发送速率。
• ​拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法，动态调整发送速率，避免网络拥塞。

6. 带宽机制

带宽机制用于优化网络资源利用率，确保数据传输的高效性。主要包括：

• ​带宽分配：根据网络状况和优先级合理分配带宽。
• ​带宽限制：通过流量整形和速率限制，避免带宽滥用。
• ​带宽监测：实时监测网络带宽使用情况，动态调整传输策略。

2. tcp和udp如何选择

1. tcp 面向字节流
   TCP将数据视为连续的字节流，而不是独立的数据包。发送方和接收方之间建立连接后，数据以字节流的形式传输，接收方按顺序接收并重组数据。
   类似打电话

2. udp 面向报文
   UDP将数据视为独立的数据报（报文），每个数据报都有明确的边界。发送方和接收方之间无需建立连接，数据报直接发送。
   类似发短信，每个信息之间是独立的

1. tcp和udp格式对比

​特性	​TCP	​UDP
​头部长度	20字节（不含选项）	8字节
​可靠性	可靠传输（确认、重传、排序机制）	不可靠传输（无确认、重传机制）
​连接性	面向连接（需三次握手建立连接）	无连接（直接发送数据报）
​数据边界	无边界（面向字节流）	有边界（面向报文）
​控制位	有（SYN、ACK、FIN等）	无
​流量控制	有（窗口机制）	无
​拥塞控制	有（慢启动、拥塞避免等）	无
​校验和	强制	可选
​适用场景	文件传输、网页浏览、电子邮件等	视频流、语音通话、在线游戏等

可靠指的是可以正常收到而且是顺序收到，ARQ协议就是干这个的

2. ARQ协议（Automatic Repeat reQuest，自动重传请求）

ARQ协议通过确认（ACK）和重传机制，确保数据在传输过程中不丢失、不重复、不乱序

1. ARQ协议的主要类型

（1）停等ARQ（Stop-and-Wait ARQ）​
发送方每发送一个数据帧后，等待接收方的ACK。如果收到ACK，则发送下一个帧；如果超时未收到ACK，则重传当前帧
（2）回退N帧ARQ（Go-Back-N ARQ）​
发送方可以连续发送多个数据帧，无需等待ACK。如果某个帧丢失或损坏，发送方从该帧开始重传所有后续帧。
（3）选择性重传ARQ（Selective Repeat ARQ）​
发送方可以连续发送多个数据帧，接收方对每个帧单独确认。如果某个帧丢失或损坏，发送方仅重传该帧，而不影响其他帧。

2. ARQ协议的关键技术

1. ​序号机制
   为每个数据帧分配唯一的序号，用于标识帧的顺序和检测丢失帧。

2. ​超时机制
   发送方为每个帧设置超时计时器，超时未收到ACK则触发重传。

3. ​滑动窗口
   通过滑动窗口控制发送方和接收方的缓冲区大小，优化数据传输效率。

3.RTT和RTO

RTO（Retransmission Timeout）​：重传超时时间，动态计算，基于RTT（Round-Trip Time，往返时间）。
​RTT测量：通过时间戳或ACK的到达时间计算RTT，并更新RTO。

4. 流量控制

对发送方发送速率的控制，称之为流量控制（发的过快就放缓存，再发的多就TM丢了，大量的丢包会极大着浪费网络资源，要保持接收双方动态稳定）

1. 通信双方各有两个滑动窗口：
   ​接收窗口：用于接收数据。
   ​发送窗口（拥塞窗口）​：用于发送数据。
   接收窗口大小的通知称为窗口通告。
2. ​接收窗口的动态调整

接收窗口的大小不是固定的，而是根据某种算法动态调整，以适应网络环境和发送窗口的变化。
3. ​接收窗口的优化

接收窗口并非越大越好。当窗口达到一定值后，继续增大不会显著减少丢包率，反而会增加内存消耗。因此，接收窗口的大小需要根据网络环境和发送窗口动态调整。
4. ​发送窗口与接收窗口的关系

发送窗口和接收窗口不一定相等。接收方在发送确认报文时会告知发送方其接收窗口大小，发送方据此调整发送窗口。
由于接收方在处理缓存区数据的同时发送确认报文，因此一般情况下，​接收窗口 ≥ 发送窗口。

5. 拥塞控制

1. ​慢开始

​初始阶段：拥塞窗口（cwnd）从1开始，​指数增长​（每轮次翻倍）。
​触发条件：连接建立或检测到网络超时（超时视为严重拥塞）。
​阈值作用：初始慢开始阈值（ssthresh）决定何时切换至拥塞避免阶段

2. ​拥塞避免（Congestion Avoidance）​

​线性增长：当cwnd ≥ ssthresh时，进入“加法增大”阶段，每轮次cwnd加1。
​目标：避免因窗口过快膨胀引发网络拥塞。

3. ​快恢复（Fast Recovery）​

​触发条件：收到3个重复ACK​（轻度拥塞信号）。
​行为：
​TCP Reno：将cwnd减半（图中从24降至12），更新ssthresh为新值（12），并直接进入拥塞避免​（而非重新慢启动）。
​TCP Tahoe​（已废弃）：直接重置cwnd=1并重新慢开始，效率较低。

6. udp并发编程

3. udp如何可靠，kcp协议在那些方面有优势

KCP能否比TCP有更高的带宽？

在网络通畅的情况下，KCP以10%-20%带宽浪费的代价，换取了比TCP快30%-40%的传输速度。

KCP协议的优势

• ​流量不一定最多
  KCP的传输速率可能低于TCP，但延迟更低，适合实时性要求高的场景。

• ​RTO翻倍 vs 不翻倍

  • TCP超时计算是RTO×2，连续丢三次包后RTO变为×8，非常保守。
  • KCP在快速模式下RTO仅×1.5（实验证明1.5效果较好），显著提升传输速度。

• ​选择性重传 vs 全部重传

  • TCP丢包时会重传从丢失包开始后的所有数据（Go-Back-N）。
  • KCP采用选择性重传，仅重传真正丢失的数据包，减少冗余。

• ​快速重传

  • 使用快速重传时，无需等待RTO超时。
  • 示例：发送端发送1,2,3,4,5，收到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2次，立即重传2号包。
  • 参数：fastresend = 2

• ​延迟ACK vs 非延迟ACK

  • TCP为了充分利用带宽，延迟发送ACK，导致RTT时间计算偏大，延长丢包判断过程
  • KCP的ACK延迟发送可调节，灵活性更高

• ​UNA vs ACK+UNA

  • ARQ模型有两种响应方式：UNA（此编号前所有包已收到，如TCP）和ACK（该编号包已收到）。
  • 仅用UNA会导致全部重传，仅用ACK则增加网络负载
  • KCP协议中，除单独的ACK包外，所有包都携带UNA信息，结合两者优势

比如：
发送端发送序列号1、2、3、4、5。
接收端收到1、2、4、5，丢失3。
接收端发送UNA=3（表示1、2已接收），并发送ACK=4、ACK=5（确认4、5已接收）。
发送端根据UNA=3知道3丢失，立即重传3，而无需重传4、5。

• ​非退让流控
  • KCP正常模式与TCP一样使用公平退让法则，发送窗口大小由以下四要素决定：
    1. 发送缓存大小
    2. 接收端剩余接收缓存大小
    3. 丢包退让 (当检测到丢包时，减少发送窗口大小，避免进一步加剧网络拥塞。)
    4. 慢启动
  • 在传送及时性要求高的小数据场景中，可通过配置跳过后两步(​丢包退让和慢启动机制会降低发送速率，导致传输延迟增加)，仅用前两项控制发送频率。

KCP通过牺牲少量带宽，显著提升了传输速度和实时性，特别适合高延迟、高丢包网络环境（如实时音视频、竞技类网游）。

1. kcp使用

1. 函数

1. ​**kcp_create**

• ​功能：创建KCP对象。
• ​参数：
  • conv：会话ID，用于标识KCP连接。
  • user：用户自定义数据，通常为NULL。
• ​返回值：KCP对象指针。
• ​示例：

  ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);
  

2. ​kcp_update
   ​功能：更新KCP状态，触发内部定时任务（如超时重传、窗口更新等）。
   ​参数：
   kcp：KCP对象指针。
   current：当前时间戳（毫秒）。
   ​示例：

   ikcp_update(kcp, current);
   

3. ​kcp_send
   ​功能：发送数据。
   ​参数：
   kcp：KCP对象指针。
   buffer：待发送的数据缓冲区。
   len：数据长度。
   ​返回值：成功返回0，失败返回负值。
   ​示例：

   int ret = ikcp_send(kcp, buffer, len);
   

4. ​kcp_input
   ​功能：接收数据并处理（如解析KCP协议头、更新ACK等）。
   ​参数：
   kcp：KCP对象指针。
   data：接收到的数据缓冲区。
   size：数据长度。
   ​返回值：成功返回0，失败返回负值。
   ​示例：

   int ret = ikcp_input(kcp, data, size);
   

5. ​kcp_recv
   ​功能：从KCP接收缓冲区中读取应用层数据。
   ​参数：
   kcp：KCP对象指针。
   buffer：接收数据的缓冲区。
   len：缓冲区长度。
   ​返回值：实际读取的数据长度。
   ​示例：

   int len = ikcp_recv(kcp, buffer, sizeof(buffer));
   

2. KCP工作流程

1. ​初始化阶段
   调用kcp_create创建KCP对象。
   设置KCP参数（如窗口大小、超时时间等）。
2. ​数据发送流程
   应用层调用kcp_send发送数据。
   KCP内部将数据分片，添加KCP协议头（24字节）。
   调用output回调函数发送数据包。
   定时调用kcp_update触发重传和窗口更新。
3. ​数据接收流程
   网络层接收到数据包，调用kcp_input处理。
   KCP解析协议头，更新ACK和窗口状态。
   应用层调用kcp_recv读取数据。
4. ​定时任务
   定期调用kcp_update，处理超时重传、窗口更新等任务。

3. KCP示例代码

1. ​初始化KCP

   ikcpcb *kcp = ikcp_create(conv, user);
   ikcp_wndsize(kcp, 128, 128); // 设置窗口大小
   ikcp_nodelay(kcp, 1, 10, 2, 1); // 启用快速模式
   

2. ​发送数据

   char buffer[1024];
   int len = sprintf(buffer, "Hello, KCP!");
   ikcp_send(kcp, buffer, len);
   

3. ​接收数据

   char buffer[1024];
   int len = ikcp_recv(kcp, buffer, sizeof(buffer));
   if (len > 0) {
    printf("Received: %s\n", buffer);
   }
   

4. ​定时更新

   while (1) {
    sleep_ms(10);
    ikcp_update(kcp, current_ms());
   }
   

5. 集成
   ```c++
   #include "ikcp.h"
   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h>
   #include <string.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/socket.h>
   #include <arpa/inet.h>

// 回调函数：发送 KCP 数据包
int output(const char *buf, int len, ikcpcb *kcp, void user) {
int sockfd = (int)user;
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.sin_addr);
sendto(sockfd, buf, len, 0, (struct sockaddr)&addr, sizeof(addr));
return 0;
}

int main() {
// 创建 UDP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket");
exit(1);
}

// 初始化 KCP 对象
ikcpcb *kcp = ikcp_create(0x11223344, &sockfd);
ikcp_wndsize(kcp, 128, 128); // 设置窗口大小
ikcp_nodelay(kcp, 1, 10, 2, 1); // 启用快速模式
ikcp_setoutput(kcp, output); // 设置回调函数

// 发送数据
char send_buffer[1024];
int send_len = sprintf(send_buffer, "Hello, KCP!");
ikcp_send(kcp, send_buffer, send_len);

// 接收数据
char recv_buffer[1024];
while (1) {
    // 接收网络数据
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(addr);
    int recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buffer, sizeof(recv_buffer), 0, (struct sockaddr*)&addr, &addr_len);
    if (recv_len > 0) {
        // 处理 KCP 协议包
        ikcp_input(kcp, recv_buffer, recv_len);

        // 读取应用数据
        int len = ikcp_recv(kcp, recv_buffer, sizeof(recv_buffer));
        if (len > 0) {
            printf("Received: %s\n", recv_buffer);
        }
    }

    // 定时更新 KCP 状态
    ikcp_update(kcp, current_ms());
    usleep(10000); // 10ms
}

// 释放 KCP 对象
ikcp_release(kcp);
close(sockfd);
return 0;

}

## 4. QUIC
### 1. QUIC实现可靠传输的核心机制
1. ​Packet Number严格递增

每个数据包分配唯一且严格递增的序列号（Packet Number），即使重传数据包也会使用新序列号。
- ​优势：
消除TCP重传歧义问题，精确计算RTT（往返时间），优化超时重传策略。
支持乱序确认，避免因单个数据包丢失阻塞后续传输（解决队头阻塞）。
2. ​Frame Header设计

每个数据包包含多个Frame，通过以下字段保证数据顺序和可靠性：
​Stream ID：标识不同的并发数据流（类似HTTP/2的Stream）。
​Offset：标记数据在流中的偏移量（类似TCP的序列号）。
​Length：数据长度。
- ​作用：通过Stream ID + Offset唯一标识数据内容，即使重传数据包的Packet Number不同，也能正确重组数据。
3. ​流量控制

​Stream级流量控制：每个Stream独立维护滑动窗口，互不影响。
​Connection级流量控制：限制所有Stream的总数据量，防止整体过载。
- ​实现方式：
通过WINDOW_UPDATE帧动态调整窗口大小。
通过BLOCKED帧通知发送方流量阻塞。
4. ​拥塞控制改进

默认使用TCP的Cubic算法，同时支持BBR、PCC等算法。
- ​优势：
在应用层实现，无需内核支持，灵活升级算法。
可为不同应用定制拥塞策略（如视频流与文件传输使用不同算法）。

### 2. ​QUIC解决TCP的四大缺陷
1. ​协议升级困难

TCP协议栈内置于操作系统，升级依赖内核更新；QUIC在应用层实现，通过更新浏览器或应用即可部署新特性。
2. ​连接建立延迟

​1-RTT握手：QUIC将TLS 1.3集成到协议中，首次连接仅需1个RTT完成密钥协商和连接建立。
​0-RTT恢复：会话恢复时可直接发送数据，无需握手。
3. ​队头阻塞问题

​Stream独立滑动窗口：每个HTTP请求（Stream）拥有独立窗口，某个Stream丢包不影响其他Stream。
​乱序确认：基于Packet Number和Offset，允许接收方乱序确认数据包。
4. ​网络迁移需重建连接

​连接ID标识：QUIC通过连接ID（而非IP+端口）标识连接，网络切换（如4G转WiFi）时无需重建连接，实现无缝迁移。
### 3. ​QUIC与HTTP/3的关系
HTTP/3基于QUIC协议，将传输层从TCP替换为QUIC，彻底解决HTTP/2的TCP队头阻塞问题。
QUIC在UDP报文头部与HTTP数据之间添加三层头部：
1. ​Long/Short Packet Header：管理连接ID与数据包编号。
2. ​QUIC Frame Header：标识Stream及数据偏移。
3. ​HTTP/3帧：承载实际应用数据。