如何设计一个可靠UDP

背景

通信领域存在制约三角：时延，成本和质量。TCP是增大时延和成本来保证通信质量，UDP牺牲了质量保证了时延和成本。一定场景使用RDP可以找到这三之间的平衡点。实现可靠UDP主要有三种方式：

尽力可靠：接收方要求发送放数据尽量完整到达，但是业务本身的数据可以丢失的，如音视频
无序可靠：通信放要求发送方数据必须完整到达，但是顺序不重要，如文件传输，日志追加
有序可靠：通信方要求发送方数据必须顺序完整到达

为什么要实现可靠UDP?

主要解决以下问题：

端对端连通性问题：终端之间通信会跨NAT,TCP在NAT之间穿越非常困难，然后uDP就简单很多，如：端对端文件传输，音视频传输等；
弱网传输问题：TCP的延迟受网络影响比较大，如：实时操作网友，语音对话等；
宽带竞争问题：有时候客户端上传数据要突破TCP公平性限制来达到高速低时延和稳定，如音视频直播推流，可以压榨带宽；
传输路径优化：对于时延要求比较高就会用应用层relay的方式来进行选路优化延时，比如服务之间数据转发，数据备份
资源优化问题：主要是避免三次握手和四次挥手，如QUIC

所以首要是实现可靠性，保证质量，核心就是重传。RUDP重传是通过接收端的ACK丢包信息反馈来进行数据重传，主要分为：定时重传、请求重传和FEC重传。

定时重传：发送端在发出数据包之后一个RTO没有收到ACK，就重传这个包，缺点是容易误判：对方可能收到ACK但是ACK丢了，或者ACK在途中但是时间超过一个RTO。核心就是计算好RTO时间，如果应用场景对于延迟比较敏感但是流量成本要求不高，可以把RTO设置小一点，比如在线操作网游，适合小带宽低延迟传输。定时重传对于大带宽消耗比较大，一般采用请求重传。
请求重传：请求重传是接收端发送ACK时候携带自己丢包反馈，发送端根据ACK重传。关键是回送ACK时候标明哪些信息丢失了，因为UDP在网络传输中会抖动，接收端要评估网络的RTT方差，当发现丢包时候记录时间t1，如果t1+RTT方差<当前时刻，就认为丢包了。请求重传还依赖RTO，所以要不停评估这两个参数，整体比定时重传时延大，但是节约了带宽，比较适合视频、文件传输。
FEC选择重传：FEC(Forward Error Correction)是前向纠错技术，用XOR算法实现。发送方在发送报文的时候会对数据进行FEC分组，通过XOR得到若干个冗余包，一起发送给接收端，如果丢包了可以通过分组进行还原，就不用重传了。如果不能回复就请求原始数据包。FEC可以解决延时敏感并且可能随机丢包的环境，可以与上面两种方式进行搭配。

具体实现方式

RTT和RTO计算

RTT是网络环路延时，是通过发送数据包和接收到ACK计算的，可以通过类似于加权平均收敛计算，然后再计算RTT方差。计算RTO会涉及到报文重传，就是一个报文的重传周期，如果一个RTT+方差的时间没收到ACK，就可以再次重传，一般RTO = SRTT + SRTT方差，网络严重抖动的时候RTO会设置高一点，比如乘以1.2到2。

窗口和拥塞控制

还需要解决延时和重传带宽的问题，所以发送端可以设置一个拥塞控制窗口来避免高并发带宽过度占用问题。引入一个滑动窗口，有的业务场景RUDP需要发送端和接收端严格控制窗口，比如有序UDP就需要做好窗口排序和缓冲，无序的话一般不用做缓冲，只做位置滑动。每次收到数据接收方的窗口要滑动，滑动的速度受拥塞控制机制控制，拥塞控制可以通过丢包率后者网络时延实现。

拥塞算法

TCP有慢启动、拥塞避免、拥塞处理和快速恢复，都是为了决定发送窗口和速度设计的，根据丢包状况判断网络状态，确定发送窗口大小。TCP的实现是以成本换质量，缺点是很难高效利用也就是压榨网络带宽，很难保证大吞吐量和小时延。

BBR算法：基于发送端延迟和带宽评价拥塞的，可以保证在有一定丢包率的网络上充分利用带宽，然后还可以降低buffer时延。主要策略是周期性的根据ACK和NACK评估最小RTT和最大带宽，最大吞吐量等于 = 最大带宽/最小RTT。首先会进行初始化cwnd为8，开始慢启动，根据周期性ACK采样判断是否增大带宽，如果可以cwnd = cwnd * max_gain。如果超过周期丢包就会进行消耗状态，发出去但是还没有确认的数据大小>cwnd的话，继续保持消耗状态，发出去但是还没有确认数据<cwnd，进入带宽探测状态，这个状态下如果没发生丢包并非发出去但是还没确认的数据<1.25倍cwnd，将维持原来状态的cwnd进入慢启动，发生丢包cwnd = cwnd * 0.75，否则cwnd=cwnd*1.25。当10秒内的RTT<=min_rtt，就会进入RTT探测状态，这个状态收到ACK并且没有丢包，将用本次统计最小RTT来更换原本min_rtt，然后再次慢启动。
通过周期性的计算cwnd，来完成拥塞控制，比较适合随机丢包且网络稳定的场景，如果网络极不稳定就容易预测不准，而且在公平问题上小RTT比大RTT更吃带宽。是使用成本换取质量和可用的方式。
webRTC算法：webRTC算法是基于丢包率和接收端延迟带宽进进行拥塞控制，并且保证尽力可靠交付，重传太多次会直接丢弃。当丢包率小于2%会加大带宽、在2到10之间会保持当前码率，丢包率大于10%会认为传输过载而减小带宽。缺点就是网络间歇性丢包的时候收敛比较慢，容易造成发送端流量失效。是以质量和成本换取时延。
弱窗口拥塞控制：传输数据量就不大，保证时延比较小和可靠，采用固定大小如cwnd = 32来做控制，简单直接但是难以适应弱网环境。

传输路径

RUDP可以利用UDP特性在链路上做传输优化，主要分为多点串联和多点并联。