如何在一条丢包率 30% 的链路上建立低延迟连接？

在丢包率高达 30% 的链路上建立低延迟连接是一个极具挑战性的任务。高丢包率意味着数据包在传输过程中有很大一部分会丢失，这会严重影响连接的稳定性和响应速度。然而，通过一系列精心的策略和技术的组合，我们可以最大程度地缓解高丢包率的影响，并努力实现相对较低的延迟。

以下是一些详细的策略和技术，用于在一条丢包率 30% 的链路上建立低延迟连接：

核心原则

在深入探讨具体技术之前，理解以下核心原则至关重要：

拥抱不确定性：必须接受数据会丢失的事实，并设计系统来容忍和快速恢复。
减少有效载荷：尽量发送更少的数据，以降低因丢包而需要重传的数据量。
快速检测和恢复：尽早发现丢包并快速采取纠正措施。
优化路径：如果可能，尽量选择更可靠的物理或逻辑路径。
端到端优化：不仅仅关注网络层，还需要考虑应用层和传输层的配合。

策略和技术

1. 传输层优化

传输层协议的选择和配置对低延迟连接至关重要。

选择合适的传输协议：
TCP (Transmission Control Protocol): TCP 本身是可靠的，但其拥塞控制机制（如慢启动、拥塞避免）在丢包率高的情况下会变得非常慢。TCP 的重传机制也会增加延迟。
UDP (User Datagram Protocol): UDP 是无连接的，不保证可靠性，也没有内置的拥塞控制。这使得 UDP 本身非常快速，但如果直接使用 UDP，丢包会直接导致数据丢失。
QUIC (Quick UDP Internet Connections): QUIC 是一个基于 UDP 的新一代传输层协议，由 Google 开发。它在 TCP 的可靠性和 UDP 的低延迟之间取得了很好的平衡。QUIC 的关键优势在于：
多路复用（Multiplexing）: 在一个连接上可以并行传输多个独立的数据流，一个数据流的丢包不会阻塞其他数据流的传输，从而减少了“队头阻塞”现象。
更快的连接建立: 支持 0RTT 或 1RTT 的连接建立，显著降低了握手延迟。
内置的拥塞控制和重传机制: QUIC 自己实现了更先进的拥塞控制算法，能够更好地适应高丢包率环境，并能更快地检测和重传丢失的数据包。
加密内置: TLS 1.3 被集成在 QUIC 中，提供端到端的加密。

在 30% 丢包率的情况下，QUIC 是非常值得优先考虑的选项，因为它被设计成能在不稳定网络上提供更好的性能。

TCP 优化（如果必须使用 TCP）：
选择更快的拥塞控制算法：默认的 TCP 拥塞控制算法（如 Cubic）在丢包率高时表现不佳。考虑使用对丢包更敏感、恢复更快的算法，例如：
BBR (Bottleneck Bandwidth and Roundtrip propagation time): BBR 是一种基于带宽和 RTT 的拥塞控制算法，它不依赖于丢包来检测拥塞。在有丢包的网络中，BBR 往往比基于丢包的算法表现更好，因为它能更积极地利用可用带宽，并在丢包发生时能更快地做出反应。
DCTCP (Data Center TCP): 虽然 DCTCP 主要用于数据中心，但其低延迟和快速反应的特性在某些场景下也可能有用。
增大初始拥塞窗口 (IW): 初始拥塞窗口（IW）决定了在慢启动阶段可以发送多少数据。增大 IW 可以让连接在开始时更快地填充链路，但需要在丢包率高的情况下谨慎调整，以免过度拥塞。
调整 RTO (Retransmission Timeout) 参数: RTO 是重传超时时间。在丢包率高的链路上，更短的 RTO 可能有助于更快地检测到丢包并重传，但过短的 RTO 可能会导致误判，因为网络延迟的抖动也可能导致数据包延迟到达。需要仔细调整和监控。
使用 SACK (Selective Acknowledgement): SACK 允许接收方通知发送方哪些数据包已收到，哪些未收到。这比传统的累积确认（Cumulative Acknowledgement）更有效，因为发送方可以只重传丢失的数据包，而不是重传一个数据包之后的所有后续数据包，从而减少不必要的重传和延迟。

2. 应用层和数据处理优化

在应用层面进行优化，可以显著减少对网络的需求，从而降低高丢包率的影响。

数据压缩：
在发送前压缩数据：压缩可以显著减少传输的数据量。更少的数据意味着丢失相同比例的数据包，但丢失的整体数据量会减少，这有助于加快恢复速度。
使用高效的压缩算法：例如 Brotli, Zstandard (Zstd) 或 Gzip。Zstd 在速度和压缩率之间有很好的平衡。
数据分块与重组：
将大块数据分割成小块：如果发送大块数据，一个数据包的丢失可能导致整个大块数据需要重传。将数据分割成更小的单元，可以使丢失的影响更局部化。
端到端的数据包丢失恢复机制：在应用层实现自己的数据包丢失检测和重传逻辑。这可能比 TCP 的机制更适合特定的应用场景。例如，对于流媒体数据，可以实现前向纠错 (FEC) 或更灵活的重传策略。
差错控制和冗余：
前向纠错 (Forward Error Correction FEC): FEC 在发送数据时就添加了冗余信息，接收方可以通过这些冗余信息来纠正一定数量的错误或丢失的数据包，而无需重传。这对于需要低延迟的场景非常有用，因为它可以避免等待重传的延迟。
ReedSolomon 码: 一种常用的纠错编码。
LDPC (LowDensity ParityCheck) 码: 在许多现代通信系统中表现出色。
Proactive Forward Error Correction (PFEC): 动态调整 FEC 冗余的级别，以适应不断变化的丢包率。
冗余传输：发送多个数据包的副本，但要小心不要导致过多的网络拥塞。这通常不是最佳选择，因为会浪费带宽。
状态同步与心跳：
减少不必要的数据传输：只发送必要的状态更新。
使用心跳机制：定期发送小的“心跳”数据包来保持连接的活跃状态，并尽早检测到连接中断或数据包丢失。心跳的数据包应非常小，以避免在丢包环境中造成负担。
数据优先级：
为关键数据分配高优先级：如果应用支持，可以将对延迟最敏感的数据（例如控制命令、关键状态更新）标记为高优先级，确保它们在网络中获得更好的待遇。

3. 网络层和基础设施优化

负载均衡和路径选择：
多路径传输 (Multipath Transmission): 如果可能，在多个网络路径上同时传输数据。即使其中一条路径丢包率很高，其他路径可能仍然稳定。负载均衡器可以根据路径的健康状况动态调整流量分配。
SDN (SoftwareDefined Networking): 在 SDN 环境下，可以更智能地选择数据包的路由路径，避开已知的高丢包率区域。
网络质量保证 (Quality of Service QoS):
流量整形和优先级排序：在路由器和交换机上配置 QoS 策略，优先处理低延迟的关键流量，同时对其他流量进行限制或排队。这有助于确保重要数据包不会因为其他低优先级流量而延迟或丢失。
中继节点/代理：
部署中间节点：在传输路径上部署性能更好的中继节点，这些节点可以执行更复杂的纠错、缓存或数据重组，从而减轻终端设备的负担。
内容分发网络 (CDN): 对于 Web 应用，CDN 可以将内容缓存到离用户更近的地方，减少数据在长距离和高丢包率链路上传输的次数。

4. 架构设计

无状态设计：尽量减少连接状态的维持，使得在丢包导致连接中断时，可以更容易地重新建立连接或切换到其他路径。
异步通信：使用异步通信模式，发送方发送数据后不立即等待响应，而是继续处理其他任务。这样，即使数据包丢失，也不会完全阻塞整个应用进程。
分布式系统：如果是分布式系统，确保节点之间的通信对网络不稳定具有鲁棒性。

5. 监控和调整

实时监控：持续监控丢包率、延迟、抖动等关键网络指标。
自适应调整：基于监控结果，动态调整传输协议参数、压缩级别、FEC 策略等。例如，当丢包率突然升高时，可以增加 FEC 冗余；当丢包率下降时，可以减小冗余以节省带宽。
日志和分析：记录丢包事件和延迟高峰，以便事后分析和改进。

总结与最佳实践建议

在一条丢包率 30% 的链路上建立低延迟连接是一个复杂的问题，需要多层面的解决方案。以下是一些核心建议：

1. 首选 QUIC: 如果应用或服务可以部署 QUIC，这是最直接和有效的解决方案，因为它在设计上就考虑了高丢包率和低延迟的需求。
2. 结合 FEC: 前向纠错 (FEC) 是抵消丢包对延迟影响的有力武器，特别是对于那些对实时性要求极高的应用。
3. 轻量级数据传输: 应用层设计应极力减少传输数据量，采用数据压缩、差量更新、状态最小化等策略。
4. 多路径或智能路由: 如果网络环境允许，探索多路径传输或利用 SDN 的能力来选择更可靠的路径。
5. 持续监控与自适应: 网络是动态的，要建立一个能够实时感知网络状况并做出相应调整的系统。

需要强调的是，在 30% 的丢包率下，“低延迟”是一个相对的概念。完全消除丢包带来的延迟影响是不现实的。这里的目标是尽可能地最小化延迟，并保证连接的可用性。最终的效果将取决于具体的应用场景、允许的最大延迟以及可用的技术和资源。通常情况下，需要在延迟、可靠性和带宽利用率之间进行权衡。

网友意见

这是通信领域的话题了，低延迟传输有上百种优化方式，上面说的那些冗余码只是很小一部分，不考虑信道容量的冗余编码系统都是在耍流氓，不用等到同信道内跑两套这样的协议你才会发现问题，一套协议再接近信道带宽容量限制时，就会出现指数上升的丢包率，所以不考虑带宽检测的冗余法就是一个残次品。

要系统的解决低延迟传输问题，需要同时在传输层，协议层，路由层，应用层几个方面着手：

传输层带外冗余：弱智重复法

设你要发送的数据为 x1-xn，你实际发送出去的包为 p1-pn，那么比如 Pn = [Xn, Xn-1, Xn-2]，重复前面出现过的 1-2个数据，丢包了你可以随时恢复出来。

传输层带外冗余：异或法

每发四个包 x1-x4，你多发一个冗余包，内容为前面四个包的异或： R = x1 ^ x2 ^ x3 ^ x4，那么本组数据五个数据包（x1-x4, R）中任意丢失一个，都可以从其他四个异或得到。当然，不一定要四个包冗余一个，你可以根据情况和丢包率，两个包或者三个包冗余一个。

传输层带外冗余：解方程法

把每个数据包看成一个整数，要发送 x1-x4 四个包，并不直接发送x，而是将他们进行线性运算得到 y1-y7，然后发送出去：

       A1 * x1 + B1 * x2 + C1 * x3 + D1 * x4 = y1   收到 A2 * x1 + B2 * x2 + C2 * x3 + D2 * x4 = y2   收到 A3 * x1 + B3 * x2 + C3 * x3 + D3 * x4 = y3   丢失 A4 * x1 + B4 * x2 + C4 * x3 + D4 * x4 = y4   收到 A5 * x1 + B5 * x2 + C5 * x3 + D5 * x4 = y5   丢失 A6 * x1 + B6 * x2 + C6 * x3 + D6 * x4 = y6   收到 A7 * x1 + B7 * x2 + C7 * x3 + D7 * x4 = y7   丢失

接收方收到一组数据以后，发现y3, y5, y7丢失，得到：

       A1 * x1 + B1 * x2 + C1 * x3 + D1 * x4 = y1    A2 * x1 + B2 * x2 + C2 * x3 + D2 * x4 = y2    A4 * x1 + B4 * x2 + C4 * x3 + D4 * x4 = y4    A6 * x1 + B6 * x2 + C6 * x3 + D6 * x4 = y6

如果y1-y7在发送的过程中丢失了三个：y3, y5, y7 观察等式。变量任然有4个，参数也任然有四个A1, A2, A4, A6, B?, C?, D? 四个变量，四个等式，那么我们可以通过解方程求出x1-x4，这就是一个矩阵运算和求逆的过程，也就是楼上说的 Read-Solomon 冗余码的基本原理（PS: shorthair/long hair两个库写的很烂呀），实际传输时需要根据网络质量来选择每组数据和冗余包的比例。

传输层网络评估

需要一套比较强大的系统，实时评估当前网络质量（RTT, 丢包率，抖动值，可用带宽），为协议决策提供参考，比如这时一个带宽很大，延迟却很高的信道呢？还是带宽很小，延迟也很小的信道呢？不同的情况对应不同的策略，当前丢包是常规丢包？震荡性丢包？还是接近信道限制出现无可挽回的丢包？再根据当前协议出于什么情况？交互模式还是单向传输模式，来给出最佳的传输策略。不考虑这些情况的协议，都是比较弱智的（比如楼上提到的几种）。

协议层决策模型

根据不同的情况，来推导不同的数据包丢失后，对整体协议的影响，从而通过马科夫决策过程，来找到哪个包丢失的代价最大，以此来指导冗余包的生成过程：

并且根据网络统计，实时修正决策参数。

协议层响应模型

对 TCP 协议而言，是一个中庸的协议，协议质量的几个要素：公平性，延迟性，带宽利用率。三者不可得兼，然而可以根据你应用情况进行适当调整，牺牲部分公平性和降低部分带宽利用率换取低延迟，比如：

RTO翻倍vs不翻倍：TCP超时计算是RTOx2，这样连续丢三次包就变成RTOx8了，十分恐怖，而如果不x2，只是x1.5（实验证明1.5这个值相对比较好），可以很好提高传输速度。
选择性重传 vs 全部重传：TCP丢包时会全部重传从丢的那个包开始以后的数据，我们可以用选择性重传，只重传真正丢失的数据包。
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，我们知道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，可以大大改善了丢包时的传输速度。
延迟ACK vs 非延迟ACK：TCP为了充分利用带宽，延迟发送ACK（NODELAY都没用，有些系统可以微调，但是是改注册表全局值，不太好），这样超时计算会算出较大 RTT时间，延长了丢包时的判断过程，我们对ACK是否延迟发送可以实时调节（也可以根据交互模式还是单向传输模式来抉择，或者给用户开关选择）。
UNA vs ACK+UNA：ARQ模型响应有两种，UNA（此编号前所有包已收到，如TCP）和ACK（该编号包已收到），光用UNA将导致全部重传，光用ACK则丢失成本太高，以往协议都是二选其一，而实现一套更好的协议，除去单独的 ACK外，可以让所有包都有UNA信息，得到更好效果。
流控改进：传统 TCP 都是基于退让的流控，现代 TCP 不停的再改退让法则，其实限制于 TCP 的兼容性他们才跳不出来这个坑，如果完全抛开 TCP 协议，各种现代传输协议都是使用前面提到的带宽估计和网络质量评估来代替流控的。
窗口初始大小：用不着象传统 TCP 协议那样死板，每次建立新连接或者远端窗口探测的过程都让窗口设置成1，可以直接设置成更高值了。

协议层优化结合前面的冗余和信道质量评估，跳出 TCP 的限制，以牺牲部分公平性和降低部分带宽利用率的代价，可以得到更低的传输延迟。

这部分我开源了，欢迎访问：skywind3000/kcp

路由层优化：路由实时评估

公网提供的路由并不是最佳的，书上虽然说路由就是要找最优通路，实际情况是，最优通道价格高，屌丝用户就走走免费的省道国道得了，高富帅再走高速。因此你需要建立自己的全局路由系统。对全局网络有一个比较明确的评估。

路由层优化：路由动态选择

根据前面的实时路由评估结果，使用空闲用户帮忙转发以及 IDC 布点的模式，决策最佳的传输路径，并且考虑线路冗余（同一个时刻保持两条以上的通路，一条挂了实时切换到另外一条）。每两三个路由节点之间，采用三角连接法，每个节点至少保证两条线路：

不要以为网络上地理位置越近的传输速度越快，也不要以为跳数越少传输速度越快，实际情况是，正确的选择路由，即便跳数增加，也能极大的提升传输速度。

物理层传输优化

是用更好的传输介质（比如光纤），或者增加传输功率，又或者再功率不变的情况下使用低频信号（但是低频信道带宽一般不高），都能降低信号损失。一般来讲，可以通过评估信号衰减来自动增加减少功率，实时切换使用高低频信道。或者更换天线或者信号源位置让衰减最低（好像有点扯远了）。。。

使用吞吐量更大的设备，同样成本下一般带宽，每秒发包数，RTT三者不可得兼，根据情况选择擅长 RTT 或者带宽的设备。

应用层带内冗余：低频数据冗余

比如你在传送一段音频的话，比如每秒 40 个数据帧，用类似 MP3 的压缩方法，那么你可以将每秒的音频分作 40 段，每段 25ms，然后进行 DCT ，滤波，量化，无损压缩等几个传统步奏后，得到一段类似 mp3 的25ms的数据，我们叫一帧，发包的时候，除了包含这一帧的数据外，还同时包含上几帧的低频数据，这样对带宽增加不大，然而我们再解码的时候，如果发现丢包就可以用其他包含有的本帧低频数据，还原出一个质量没有原来好，但是听起来差不多的数据，这叫低频数据冗余。

应用层带内冗余：DSP处理

这是更高级的处理方式，比如你在传输视频，视频中最费带宽的是 I 帧数据，即便 H.265，I帧数据比较其他帧也是很大的。然而 H.264, H.265 系列并没有很好的考虑容错和抗损坏。我们可以用帮他们在这方面做的更好一些，才用频域交错存储及其他一些方法，比如把一幅质量为 70% 大小为 32KB 的 I 帧图像，存储成两张质量为 40% 大小为 16KB - 18KB 的 I 帧图像，两个拆分后的图像单独看，都是一副质量更低的图片，但是他们组合起来，却能变成一张质量很好的图片。这样对于传输视频而言，I帧的瓶颈就不那么明显了，即时丢了一半，也只是损失一下效果而已。

修改 H.264/ H.265的方法有很多，上面只是举个例子。如果你传送的是视频数据的话，你可以找一找相关的文章，教你改进 H.264, H.265。同样如果你传 AAC的话，也有很多方法在带内实现冗余。

上面说的各种带外冗余主要是要 “增加带宽”，而应用层的 “带内冗余” 主要思路是丢包了就降低质量，在带宽收到限制的时候，我们往往需要果断的使用各种带内冗余法，来保证较流畅的传输体验。

应用层误差掩盖

传送视频数据发现局部丢失了，可以用前后两帧画面以及周围的图块来推断丢失的图块可能是什么，然后模拟生成一下，要比直接马赛克好很多。

传送音频数据发现局部丢失了，可以用前后音频频域插值模拟出丢失的声音片段，也可以通过学习的方式，通过前面历史数据的基音和共振峰提取，来模拟丢失的声音。

即便不模拟，还有方法是通过生成一段舒适的背景噪音来填充丢失的片段，这样会比直接空白音好很多，或者通过不改变基音却变慢语速的方式，让前后两段声音接起来，这样你听着就是声音慢了几十毫秒，但是很连续，发现不了其中丢失。

比如你传送游戏数据的话，一般位移数据可以用非可靠传输方式来传输，每组移动数据不但包含坐标和方向，还要包括时间和速度，这样，数据丢失了，你从后面的数据恢复出来以后，画面上做一个移动差值（导航推测），立马就能掩盖这次传输误差。

所谓应用层误差掩盖，是根据你的应用特点来设计规则，即便传输数据丢失，你也能通过各种模拟和插值的方式掩盖过去，只要保证后来的数据能够修正即可，这样即便信号不好，出现短时误差了，也能得到即时的纠正。

应用层延迟控制

数据包前后顺序依赖（Pn依赖 Pn-1）可以进化为交错依赖（Pn依赖 Pn-2，Pn+1 依赖 Pn-1），这样丢包发生只会导致一部分后续数据无法工作，而不会导致某一时间内所有后续数据没法工作。

控制缓存策略，缓存小了延迟低但是效率也低，缓存大了延迟高，效率也高。网络拥塞了缓存怎么办？使用更少的往返次数来实现交流。

。。。。。。

总结

所谓 “降低延迟”，其实就是 “提高通信质量”，这个问题通信行业一直在研究解决的事情，不可能靠单方面的技巧提高很多（比如冗余），这是一个系统工程，有它的理论体系，有它的实践方法，还有各种注意事项。

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