WebTransport实现UDP可靠传输技巧

IT行业相对于一般传统行业，发展更新速度更快，一旦停止了学习，很快就会被行业所淘汰。所以我们需要踏踏实实的不断学习，精进自己的技术，尤其是初学者。今天golang学习网给大家整理了《WebTransport实现UDP可靠传输方法》，聊聊，我们一起来看看吧！

WebTransport通过其流API实现基于UDP的可靠数据传输，核心在于利用底层QUIC协议提供的可靠性机制。1. 流（Streams）基于QUIC，提供有序交付、错误检测与重传、流量控制和拥塞控制，确保数据完整到达；2. 数据报（Datagrams）则跳过QUIC的可靠性层，提供类似UDP的不可靠、低延迟传输，适用于实时性要求高、对丢包不敏感的场景；3. 选择流或数据报取决于应用需求：若需数据完整性与顺序，则用流；若追求低延迟且可容忍丢包，则用数据报；4. QUIC通过包号与ACK确认、灵活丢包检测、多路复用避免头部阻塞、连接迁移和内置TLS 1.3等机制，在UDP之上构建了高效可靠的传输层，使WebTransport能在保持低延迟的同时实现端到端的可靠性。

WebTransport本身就提供了可靠数据传输的能力，这主要是通过其“流（Streams）”API实现的。这些流在底层基于QUIC协议，而QUIC又运行在UDP之上，所以，当我们在讨论“如何用WebTransport实现基于UDP的可靠数据传输”时，核心答案就在于利用WebTransport的可靠流，它们已经为你处理了所有复杂的可靠性机制。它的Datagrams API则更接近原始UDP，提供不可靠但低延迟的传输，适合对丢包不敏感的场景。

解决方案

要实现基于WebTransport的可靠数据传输，你只需要使用它的WebTransportStream API。这听起来可能有点反直觉，因为UDP通常被认为是不可靠的。但WebTransport的精妙之处就在于，它在UDP之上构建了一个强大的QUIC协议层。当你打开一个WebTransport连接并创建一个流时，这个流会自动继承QUIC提供的所有可靠性特性。

具体来说，客户端（浏览器）和服务器会建立一个QUIC连接，这个连接内部可以承载多个独立的流。每一个流都像一个独立的TCP连接一样，提供：

1. 有序交付：数据包会按照发送顺序到达接收端。
2. 错误检测与重传：如果数据包丢失，QUIC层会自动检测并请求重传，确保所有数据最终都能到达。
3. 流量控制：防止发送方数据发送过快，导致接收方缓冲区溢出。
4. 拥塞控制：根据网络状况动态调整发送速率，避免网络拥塞。

所以，你不需要自己去实现ACK、序列号、重传定时器这些复杂的逻辑。你只需像操作一个普通的数据流（比如WebSocket或TCP socket）一样，往writable写入数据，从readable读取数据，WebTransport会帮你搞定可靠性。

WebTransport的“流”与“数据报”有何不同，它们如何实现可靠性？

这确实是理解WebTransport的关键所在，也是很多开发者初次接触时容易混淆的地方。简单来说，WebTransport提供了两种主要的数据传输方式：流（Streams）和数据报（Datagrams）。它们的设计目标和底层实现逻辑截然不同。

流（Streams）

• 特性：可靠、有序、流量控制、拥塞控制。
• 底层机制：WebTransport的流是建立在QUIC协议之上的。QUIC协议本身就包含了强大的可靠性机制，比如每个QUIC包都有一个序列号，接收方会发送ACK来确认收到。如果发送方在一定时间内没有收到ACK，它就会认为数据包丢失并进行重传。此外，QUIC还实现了自己的拥塞控制算法，类似于TCP的慢启动和拥塞避免，确保数据传输效率和网络健康。每个流在QUIC连接内部是独立的，这意味着一个流的头部阻塞（Head-of-Line Blocking）不会影响到其他流。
• 应用场景：任何需要保证数据完整性、顺序和可靠性的场景。例如，文件上传下载、聊天消息、API请求响应、视频会议中的控制信令等。在我看来，它就是TCP在UDP和Web领域的现代化演进。

数据报（Datagrams）

• 特性：不可靠、无序、尽力而为（best-effort）、低延迟。
• 底层机制：数据报直接利用了QUIC的UDP特性，但跳过了QUIC的可靠性层。它就像原始的UDP包一样，发送出去就不管了，不保证到达，不保证顺序，也不进行重传。
• 应用场景：对实时性要求极高，但对偶尔丢包不敏感的场景。比如，多人在线游戏中的角色位置更新（新位置总是比旧位置重要，丢几个包也无妨）、实时传感器数据传输、直播中的音频/视频帧（偶尔丢一帧对整体影响不大，重传反而会增加延迟）。如果你真的想在数据报上实现可靠性，那基本上就是在应用层自己重写一套QUIC的可靠性机制，这通常不是WebTransport的预期用法，而且会非常复杂。

所以，WebTransport的可靠性主要由其“流”来提供，而“数据报”则提供了一种轻量级的、不可靠的UDP-like传输方式。它们各有其适用场景，关键在于根据你的应用需求来选择。

在WebTransport中，如何选择使用流还是数据报进行数据传输？

选择使用WebTransport的流还是数据报，是一个非常实际且核心的设计决策。这就像在设计网络协议时，你是在TCP和UDP之间做选择一样，需要深入考虑你的应用场景和数据特性。

1. 数据完整性和顺序要求：

   • 选择流：如果你的数据必须完整无缺地到达，并且需要保持发送时的顺序，比如文件传输、数据库同步、重要的配置更新、聊天记录等，那么毫无疑问应该使用流。流会为你处理所有重传和排序的复杂性。
   • 选择数据报：如果数据的完整性或顺序并不那么重要，或者说，新的数据可以覆盖旧的数据，即使丢失一两个包也不会对整体功能造成严重影响，比如实时游戏中的玩家位置坐标（每秒更新几十次，丢一两个包没人会察觉）、实时音视频流中的非关键帧数据、传感器周期性上报的瞬时值等。

2. 延迟敏感度：

   • 选择数据报：对于极度追求低延迟的应用，数据报是更好的选择。因为它不需要等待确认，也不需要进行重传，数据一旦发出就直接奔向目的地。这在某些毫秒级的竞技游戏场景中至关重要。
   • 选择流：流的可靠性机制必然会引入一些额外的延迟，比如重传等待时间、流量控制导致的暂停等。对于大多数应用来说，这种延迟是可接受的，因为可靠性带来的价值远超轻微的延迟增加。

3. 网络环境：

   • 在网络状况良好、丢包率极低的环境下，数据报的优势可能不那么明显，但它依然能提供更低的协议开销。
   • 在网络状况差、丢包率高、抖动大的环境下，流的可靠性机制就显得尤为重要，它能确保数据最终送达。而数据报在这种情况下可能会丢失大量数据，导致应用体验极差。

4. 数据量和生命周期：

   • 选择流：适合传输较大块的数据，或者需要长时间保持连接状态进行数据交换的场景。
   • 选择数据报：适合传输小而频繁、生命周期短的数据包。

举个例子，我在开发一个实时协作文档应用时，用户的每一次按键、光标移动，我都会通过WebTransport的流来发送，因为这些操作必须有序且可靠地到达服务器，才能保证文档状态的一致性。但如果我需要显示一个用户头像的实时动画，我可能会考虑用数据报来发送动画帧数据，因为偶尔丢一两帧动画并不会影响文档的核心功能，反而能保持动画的流畅性。

总而言之，没有绝对的优劣，只有适不适合。理解它们的底层原理和特性，结合你具体的业务需求，才能做出最明智的选择。

WebTransport的底层协议QUIC是如何确保数据可靠性的？

WebTransport之所以能提供可靠数据传输，核心在于它底层使用的QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议。QUIC是一个相对较新的传输层协议，由Google设计，现在已经成为IETF标准（RFC 9000）。它运行在UDP之上，却提供了很多TCP的优点，同时解决了TCP的一些固有问题。

以下是QUIC确保数据可靠性的主要机制：

1. 基于包号的可靠传输与确认（Packet Numbers and Acknowledgements）：

   • QUIC的每个发送出去的数据包都有一个唯一的、递增的包号。与TCP的字节流序列号不同，QUIC的包号是针对整个QUIC数据包的。
   • 接收方在收到数据包后，会发送ACK帧（Acknowledgement Frame）来确认收到的包号范围。这些ACK帧可以包含多个收到的包号范围，从而高效地确认大量数据包。
   • 发送方会维护一个未确认数据包的列表。如果在一定时间内没有收到某个包号的ACK，发送方就会认为该数据包丢失，并触发重传。

2. 灵活的丢包检测（Loss Detection）：

   • QUIC的丢包检测比TCP更精细。它不只依赖超时重传，还结合了快速重传（Fast Retransmit）机制。当接收方收到乱序的包号时，可以立即通过ACK帧告知发送方哪些包缺失，从而加速丢包的发现和重传。
   • QUIC还引入了基于RTT（往返时间）的Pacing机制，即控制数据包的发送速率，避免短时间内发送过多数据导致网络拥塞。

3. 多路复用（Multiplexing）与无头部阻塞（Head-of-Line Blocking）：

   • 这是QUIC相对于TCP的一个巨大优势。在TCP中，所有数据流都共享同一个连接，如果一个数据包丢失，整个连接的所有后续数据都需要等待这个丢失的包被重传，这就是头部阻塞。
   • QUIC允许在单个UDP连接上建立多个独立的流。每个流都有自己的序列号和可靠性状态。即使一个流上的数据包丢失，导致该流暂时停滞，其他流的数据传输也不会受到影响。这大大提高了并行数据传输的效率和用户体验。

4. 连接迁移（Connection Migration）：

   • QUIC连接不依赖于IP地址和端口号的四元组。它使用一个连接ID来标识连接。这意味着用户在不同网络（例如从Wi-Fi切换到蜂窝网络）之间切换时，QUIC连接可以无缝迁移，而不会中断，这对于移动设备上的应用尤其重要。

5. 内置的TLS 1.3加密：

   • QUIC在握手阶段就集成了TLS 1.3加密，这意味着所有QUIC数据（包括握手信息和应用数据）都是加密的。这不仅提供了安全性，也减少了握手延迟，因为加密握手和传输握手是合并进行的。

通过这些机制，QUIC在UDP这个“不可靠”的传输层之上，构建了一个功能强大、高效且可靠的传输协议，为WebTransport提供了坚实的基础。这也是为什么WebTransport能够提供如此灵活且高性能的Web通信能力的原因。

终于介绍完啦！小伙伴们，这篇关于《WebTransport实现UDP可靠传输技巧》的介绍应该让你收获多多了吧！欢迎大家收藏或分享给更多需要学习的朋友吧~golang学习网公众号也会发布文章相关知识，快来关注吧！