Unity中可靠的UDP实现

可靠 UDP（Reliable UDP）是一种在用户数据报协议（UDP）基础上，通过添加额外机制来实现可靠数据传输的技术。与传统 UDP 相比，它克服了 UDP 本身不保证数据可靠性、顺序性以及可能丢失数据的缺点，同时保留了 UDP 在某些场景下（如实时性要求高）相对于 TCP 的优势，如低延迟和较少的系统开销。

1. 为什么需要可靠 UDP

实时性应用需求：在一些实时性要求极高的场景，如在线游戏、实时视频流、音频流传输等，TCP 的拥塞控制和重传机制可能会导致较大的延迟，无法满足实时交互的需求。而 UDP 虽然能快速传输数据，但不能保证数据的可靠到达。可靠 UDP 则结合了两者的优点，在保证实时性的同时，尽量确保数据的可靠传输。
特定网络环境适应性：在某些网络环境中，如无线网络、卫星网络等，网络状况可能不稳定，丢包现象较为常见。可靠 UDP 能够通过自身的重传等机制，在这类网络环境下维持相对稳定的数据传输。

2.可靠 UDP 与 TCP 的比较

延迟：
可靠 UDP：由于采用了更灵活的重传机制和较小的头部开销（相较于 TCP），在网络状况良好时，延迟通常比 TCP 低，更适合实时性要求高的应用。
TCP：为了保证数据的可靠传输和顺序性，TCP 在传输过程中需要进行复杂的拥塞控制和流量控制，这可能导致较高的延迟，尤其是在网络拥塞时。
可靠性：
可靠 UDP：通过序列号、重传、去重等机制，在应用层实现了数据的可靠传输，但其可靠性依赖于具体的实现和网络环境。
TCP：在传输层提供了可靠的字节流服务，确保数据无差错、按顺序到达，可靠性更高。
资源消耗：
可靠 UDP：头部开销较小，不需要像 TCP 那样维护复杂的连接状态，因此在系统资源消耗方面相对较低，适合在资源受限的设备上使用。
TCP：需要维护连接状态、进行拥塞控制等，占用较多的系统资源，如内存和 CPU。

3. 应用场景

游戏中的实时操作指令（如玩家移动、技能释放等）对实时性要求极高，同时也需要保证一定的可靠性。可靠 UDP 可以在低延迟的情况下，尽量确保这些指令准确无误地传输到服务器或其他玩家客户端。

5.可靠 UDP 的关键机制实现

序列号管理：
原理：为每个发送的数据包分配一个唯一的序列号。发送方按顺序递增序列号，接收方通过序列号来判断数据包的顺序，从而对乱序到达的数据包进行排序，同时也能识别重复的数据包。
作用：确保接收方接收到的数据顺序与发送方一致，避免因数据包乱序导致的数据处理错误。同时，通过序列号可以实现去重功能，防止重复处理相同的数据。

代码实现：定义一个序列号，在发送方发送消息时递增，将序列号放到网络消息包的头部

 // 序列号
 private int nextSequenceNumber = 0;
 
 //序列号放入网络消息包
 int sequenceNumber = nextSequenceNumber++;
 byte[] sequenceBytes = BitConverter.GetBytes(sequenceNumber);
 byte[] combinedData = new byte[sequenceBytes.Length + data.Length];
 Buffer.BlockCopy(sequenceBytes, 0, combinedData, 0, sequenceBytes.Length);
 Buffer.BlockCopy(data, 0, combinedData, sequenceBytes.Length, data.Length);

重传机制：
原理：发送方在发送数据包后，启动一个定时器。如果在设定的超时时间内没有收到接收方对该数据包的确认（ACK），则认为数据包丢失，重新发送该数据包。
作用：弥补 UDP 本身不保证数据可靠传输的缺陷，确保即使数据包在网络中丢失，也能最终被接收方正确接收。

代码实现：

 // 存储已发送但未确认的数据包
 private Dictionary<int, Tuple<byte[], Stopwatch>> unacknowledgedPackets = new Dictionary<int, Tuple<byte[], Stopwatch>>();
 // 存储已接收的数据包序列号，用于去重
 private HashSet<int> receivedSequenceNumbers = new HashSet<int>();
 // 当前窗口内已发送的数据包数量
 private int currentWindowCount = 0;

 // 基础超时时间（毫秒）
 private int baseTimeout = 500;
 // 超时时间调整因子
 private float timeoutAdjustFactor = 1.5f;

 // 定时检查未确认的数据包，进行重传
 public void Update()
 {
        List<int> keysToRemove = new List<int>();
        foreach (var kvp in unacknowledgedPackets)
        {
            if (kvp.Value.Item2.ElapsedMilliseconds > baseTimeout)
            {
                // 重传
                byte[] dataToResend = kvp.Value.Item1;
                // SendData(dataToResend); 
                // 调整超时时间
                baseTimeout = (int)(baseTimeout * timeoutAdjustFactor);
                kvp.Value.Item2.Restart();
            }
        }
        foreach (int key in keysToRemove)
        {
            unacknowledgedPackets.Remove(key);
            currentWindowCount--;
        }
 }

去重处理：
原理：接收方维护一个已接收序列号的集合。当接收到一个新数据包时，首先检查其序列号是否在该集合中。如果存在，则说明该数据包是重复的，直接丢弃；否则，将序列号加入集合，并处理数据包。
作用：避免接收方对重复的数据进行多次处理，防止数据处理错误和资源浪费。

代码实现：

   // 存储已接收的数据包序列号，用于去重
   private HashSet<int> receivedSequenceNumbers = new HashSet<int>();   

   int sequenceNumber = BitConverter.ToInt32(data, 0);
   if (receivedSequenceNumbers.Contains(sequenceNumber))
   {
       return null; // 重复数据包，丢弃
   }

   receivedSequenceNumbers.Add(sequenceNumber);
   byte[] actualData = new byte[data.Length - sizeof(int)];
   Buffer.BlockCopy(data, sizeof(int), actualData, 0, actualData.Length);

滑动窗口机制：
原理：发送方维护一个滑动窗口，窗口内包含可以连续发送的数据包。窗口大小决定了在未收到 ACK 的情况下，发送方可以发送的最大数据包数量。当发送方收到某个已发送数据包的 ACK 时，窗口向前滑动，允许发送新的数据包。
作用：提高数据传输效率，在保证可靠性的前提下，充分利用网络带宽。通过控制窗口大小，还可以在一定程度上避免网络拥塞。

代码实现：

    // 滑动窗口大小
    private int windowSize = 10;

    // 当前窗口内已发送的数据包数量
    private int currentWindowCount = 0; 
     // 检查滑动窗口
     while (currentWindowCount >= windowSize)
     {
          Thread.Sleep(10); // 等待窗口有空闲位置
     }

     currentWindowCount++;

确认机制（ACK）：
原理：接收方在正确接收到数据包后，向发送方发送一个确认消息（ACK），其中包含已接收数据包的序列号。发送方根据接收到的 ACK，确认数据包已被成功接收，并从待重传队列中移除相应数据包。
作用：让发送方了解数据包的接收情况，是重传机制和滑动窗口机制正常运行的基础。

代码：

 // 发送ACK
 public byte[] GenerateAck(int sequenceNumber)
 {
     return BitConverter.GetBytes(sequenceNumber);
 }

 // 处理接收到的ACK
 public void ProcessAck(byte[] ackData)
 {
     int sequenceNumber = BitConverter.ToInt32(ackData, 0);
     if (unacknowledgedPackets.ContainsKey(sequenceNumber))
     {
        unacknowledgedPackets.Remove(sequenceNumber);
        currentWindowCount--;
     }
 }