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Java中使用KCP协议——性能测试及应用

发表于 更新于 分类于 阅读次数： 评论：

上一篇文章简单介绍了KCP基本的机制和原理，以及github上的三种java版本。但是上次留了一个小小的坑，缺少了性能测试部分。
这几天通过写测试服务器和测试客户端，简单测了一下TCP和KCP分别在内网和外网的延迟。

一. Java版KCP

上一篇文章介绍的github的三种java版本，对比之下，我最终选择了 这个版本 进行测试。
不过当我测完之后，发现这个版本的实现有个小小的缺陷：虽然它底层也是Netty的实现版本，但是它的底层实在封装的太严实了，而对我们设计中以下两点不太友好：

  1. 由于我们打算根据C原版作者的建议使用TCP/KCP双通道共同运作，原TCPServer我们是基于Netty实现的，有一套相对完整的抽象接口，本来我打算把KCPServer也通过封装和抽象集成到这套接口里面，但这套库的对外接口全部是自己封装的，完全不涉及Netty，以致于两套Server完全是不一样的实现思路。解决办法就是把KCP的层级做的高一点，就不太好利用一些公共方法了，可能还需要再做一层抽象和封装。
  2. 之前实现TCPServer的时候，编解码操作是作为Handler添加到Netty的响应链中的，也就是说编解码操作都是在Netty的IO线程操作的，而这套库的所有对外接口都是以ByteBuf为单位的。这意味着我们需要自己在外部实现编解码，这就涉及到线程的使用。目前是以下解决方案：
    • 修改底层源码，改动可能较大
    • 自定义一套编解码处理线程，代替Netty的IO线程处理编解码的效果，相对改动较小
    • 换一个基于Netty实现的版本

很不幸，最终我换了一个基于Netty实现的版本，主要我们当前的Server接口比较融合，准备先接进来，和前端联调，同时做好抽象，随时准备切换回这一套版本，并使用上面的第二个解决方案。主要考虑到这个库是有线上项目经验验证。

二、测试方式

如果大家有需要，我可以把测试代码上传到github

自定一个测试协议TestKcp

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// KCP测试协议
message TestKcp {
 required int64 clientTime = 1;
 required int32 msgIndex = 2;
 optional string content = 3;
}

// KCP测试协议
message TestKcp_S2C {
 required int64 clientTime = 1;
 required int64 serverTime = 2;
 required int32 msgIndex = 3;
 optional string content = 4;
}

测试客户端逻辑

  1. 客户端启动并连接服务端
  2. 启动定时器，每100ms，Proto编码一个条Test消息，消息中content长度为M，发送N条
  3. 发送编码后的消息
  4. 收到服务端回复的SC消息
  5. Proto解码，统计延迟（客户端收到第N条消息的时候，关闭客户端，统计所有消息的来回延迟）

测试服务端逻辑

  1. 启动服务端并监听端口
  2. 收到客户端消息
  3. Proto解码消息
  4. Proto编码SC消息
  5. 回复SC消息

在内网环境(同机房机器)，外网环境(上海机器)分别部署TCP和KCP的服务端

三、测试结果

以下是通过我的测试逻辑跑出来的测试结果，结果是通过把测试数据交给python的matplotlib库所画出来（几行代码搞定，很简单）

1. KCP测试

1.1 KCP：内网环境 VS 外网环境平均延迟对比

KCP平均延迟测试

1.2 KCP：内网环境 VS 外网环境最高延迟对比

KCP最高延迟测试

1.3 KCP：内网环境 VS 外网环境最低延迟对比

KCP最低延迟测试

2. TCP测试

2.1 TCP：内网环境 VS 外网环境平均延迟对比

TCP平均延迟测试

2.2 TCP：内网环境 VS 外网环境最高延迟对比

TCP最高延迟测试

2.3 TCP：内网环境 VS 外网环境最低延迟对比

TCP最低延迟测试

3. TCP VS KCP对比测试

3.1 TCP VS KCP：平均延迟对比

TCP VS KCP平均延迟测试
TCP VS KCP平均延迟测试

3.2 TCP VS KCP：最高延迟对比

TCP VS KCP最高延迟测试
TCP VS KCP最高延迟测试

3.3 TCP VS KCP：最低延迟对比

TCP VS KCP最低延迟测试
TCP VS KCP最低延迟测试

四、 测试结论

现象描述：

  • KCP的外网环境平均延迟稳定在30ms左右，内网环境平均延迟稳定在3ms左右
  • KCP的外网环境比内网环境延迟要高，但差距不大，和内网环境相比，平均延迟最高达到10倍(内网最高1ms,外网最高33ms,即使达到外网最高延迟,相对也是比较稳定的)
  • TCP的外网环境非常不稳定，最高达到3400ms，最高与内网相差几乎达到3400倍，而最低也有150ms
  • KCP和TCP对比，KCP内网，TCP内网，KCP外网，平均延迟都相对稳定，内网环境下，TCP大部分时间都优于KCP，一旦到了外网环境，KCP表现非常稳定，而TCP外网非常不稳定，平均延迟忽高忽低

结论：

  • 较好的网络环境下（测试中的内网环境），TCP大部分时候都优于KCP
  • 较差的网络环境下（测试中的外网环境），KCP延迟稳定性远大于TCP
  • 国内部分网络防火墙可能丢弃UDP包
  • 建议战斗内（Lua层）同步协议使用KCP，战斗进入前其他协议继续使用TCP
  • 国内部分网络可能出现UDP不通的情况，因此建议同时保留TCP和KCP，指定一个通信策略，比如优先KCP，KCP不通的情况下，退回到TCP通信；或者根据网络状况，动态选择TCP还是KCP
  • KCP作者的使用建议（https://github.com/skywind3000/kcp/wiki/Cooperate-With-Tcp-Server）

这个测试代码也可以用来测试并调整KCP参数

五、KCP实际应用

根据KCP的特性，以下是实际应用设计

1. TCP登录

  1. BattleLogin的时候，服务器创建KcpChannel对象，设置convId规则：index * 100000 + 6位随机数，*并*绑定TCP和KCP的关系
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/**
 * 生成kcp唯一id
 * FIXME 这个方法到INT最大值的临界点会有多线程问题，可能产生相同id，想想怎么优化
 * KCP convId规则：redis index * 100000
 */
public int generateKcpConvId() {
    long incrNum = RedisManager.getTemplate().incr(DBEnum.global_new_kcp_conv_Id, 0);
    if (incrNum >= KCP_CONV_REDIS_MAX_INDEX) {
        RedisManager.getTemplate().set(DBEnum.global_new_kcp_conv_Id, 0, "0");
    }
    // 生成6位随机数
    int random = MathUtils.intRand(kcpConvRandom, KCP_CONV_RANDOM_MIN, KCP_CONV_RANDOM_MAX);
    return (int) (incrNum * KCP_CONV_RANDOM_MIN + random);
}

  1. BattleLogin_S2C返回该convId

2.KCP登录

  1. 检测KCP传过来的uid的玩家是否有Human对象，有则该玩家完成了TCP登录
  2. 检测该玩家身上是否有KCP连接的convId，是否和当前KCP的convId是同一个id
  3. 检测TCP的IP和KCP的IP是否是同一个来源
  4. 服务器增加KCP通道管理

如果有必要，可以在消息包里再加个随机的token，防止udp包造假，或者在每条心跳消息都下发新的token

3.TCP/KCP网络切换

由于国内部分地区UDP无法击穿，因此需要TCP/UDP双线路设计。

网络切换.png

服务端同时提供TCP和KCP网络，并且可随时切换，把网络选择权交给客户端

  • 服务器启动时同时启动TCPServer和KCPServer，同时工作，同时处理消息
  • Human对象身上记录当前网络状态，默认TCP
  • TCP Server收到战斗消息（Lua层的状态同步消息），切换Human为TCP模式
  • KCP Server收到战斗消息（Lua层的状态同步消息），切换Human为KCP模式
  • Human提供统一push方法，其中读取当前网络方法：
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protected NetMessageType getNetMessageType(Packet packet) {
    // 默认推送TCP网络
    NetMessageType netMessageType = NetMessageType.NET_TCP;
    int code = packet.getHeader();
    // 战斗消息
    IPSEnum ipsEnum = ThrudServerApplicationContext.getEnum(code);
    if (ipsEnum != null && ipsEnum.isBattleMsg()) {
        // 战斗消息，根据玩家当前网络通道推送
        netMessageType = this.battleMessageNet;
    }
    return netMessageType;
}

4.TCP/KCP Idle超时

  • 服务器TCP和KCP均设定超时30s，客户端需要定时发送心跳消息(BattleHeartBeat)，发送TCP或KCP都可以
  • TCP和KCP均触发读超时后，服务器断开玩家所有连接，并踢下线

5.其他

不管任何情况下，TCP断开，服务器也会同时断开KCP（清除KCP连接信息），因此TCP走重连的时候，也需要同时走KCP的重连

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