TCP拥塞控制算法内核实现剖析（九）

内核版本：3.2.12

主要源文件：linux-3.2.12/ net/ ipv4/ tcp_westwood.c

本文主要分析westwood的实现，作者zhangskd @ csdn

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概要

westwood采用和Reno相同的慢启动算法、拥塞避免算法。
westwood的主要改进方面：在发送端做带宽估计，当探测到丢包时，根据带宽值来设置拥塞窗口、
慢启动阈值。

原理

（1）怎样根据测量的带宽(bw_est)来设置拥塞窗口和慢启动阈值？

网络容量(Capacity) = BDP + Queue
当发生拥塞时，bw_est为此连接能占有的最大带宽，此时Capacity = bw_est * RTTmax。
那么此时最理想的snd_cwnd应该充分利用BDP，同时使Queue为空。
所以，ssthresh = bw_est * RTTmin。

当此次丢包是由duplicate ACKs引起时：
如果snd_cwnd > ssthresh，那么snd_cwnd = ssthresh。
当此次丢包是由RTO引起时：
snd_cwnd = 1。

（2）可用带宽(bw_est)是如何测量的呢？

westwood每经过一个RTT测量一次带宽。
假设经过的时间为delta，在此段时间内发送完成的数据量为bk字节。
则此采样值为：bk / delta。 

和RTO的计算一样，采样得到的值可能会有偏差，所以还需要进行平滑处理。
经过平滑处理，可以消除掉那些异常的值，得到较为平均和准确的带宽值。

当得到一个新的带宽样本bk/delta时，进行如下处理：
(bw_ns_est为带宽处理的一个中间变量，bw_est为最终的带宽值)

1) 此样本为第一个测量样本
    bw_ns_est = bk / delta ;
    bw_est = bk / delta ;

2) 此样本为第k个测量样本，k>1
    bw_ns_est(k) = (7/8) * bw_ns_est(k-1) + (1/8) * bk / delta ;
    bw_est(k) = (7/8) * bw_est(k-1) + (1/8) * bw_ns_est(k) ; 

综合来看：
bw_est(k) = (7/8) * bw_est(k-1) + (7/64) * bw_ns_est(k-1) + (1/64) * bk / delta
新的测量样本(bk / delta)只占最终带宽值的1/64，可见带宽值的更新是比较缓慢的，异常情况（如丢包）
对带宽的影响较为有限。

（3）如何根据ACK计算其确认的数据量呢？

之所以要考虑这个问题，是因为带宽的估计值不仅在Open态更新，而且在其他状态，
如CWR、Recovery、Loss状态也进行更新。而且还要考虑到delayed ACK。

1）处于快速路径
说明此数据包是顺序接收的，通过首部预测检验。
在这种状态下，收到的ACK会使tp->snd_una前进，所以可以通过：
w->bk += tp->snd_una - w->snd_una;
w->snd_una = tp->snd_una;
来计数确认的数据量。

2）处于慢速路径
说明此时数据包不是顺序接收的，没有通过首部预测检验，需要全面的校验。
在这种状态下，收到的ACK不一定使tp->snd_una前进。
这时收到的ACK可能是：delayed ACK、partial ACK、duplicate ACK、
cumulative ACK following a retransmission event.
这时候的处理方法可以见下文的westwood_acked_count()分析。

参数与变量

#define TCP_WESTWOOD_RTT_MIN (HZ/20) /* 50ms */
RTT的最小值为50ms，带宽至少50ms才计算一次。
#define TCP_WESTWOOD_INIT_RTT (20 * HZ) /* maybe too conservative */
RTT的初始值为20s，显然这个值太保守了。

/* TCP Westwood structure */

struct westwood {
    /* first bandwidth estimation...not too smoothed */
    u32 bw_ns_est; /* 经过一次平滑后的带宽值*/
    u32 bw_est; /* bandwidth estimate，最终的带宽值 */
    u32 rtt_win_sx; /* here starts a new evaluation，采样周期的起始点，一个RTT后结束*/
    u32 bk; /* bytes acked，在测量时间内确认的字节数*/
    /* used for evaluating the number of acked bytes，用于计算bk*/
    u32 snd_una;
    u32 cumul_ack; /* 在慢速路径下，一个ACK确认的数据量*/
    u32 accounted; /* 在慢速路径下，收到的重复数据包个数*/
    u32 rtt; /* 当前RTT的值，每收到一个ACK都更新 */
    u32 rtt_min; /* minimum observed RTT，最小RTT*/
    u32 first_ack; /* flag which infers that this is the first ack */
    u32 reset_rtt_min; /* Reset RTT min to next RTT sample */
};

static struct tcp_congestion_ops tcp_westwood __read_mostly = {
    .init = tcp_westwood_init,
    .ssthresh = tcp_reno_ssthresh,
    .cong_avoid = tcp_reno_cong_avoid,
    .min_cwnd = tcp_westwood_bw_rttmin,
    .cwnd_event = tcp_westwood_event,
    .get_info = tcp_westwood_info,
    .pkts_acked = tcp_westwood_pkts_acked,
    .owner = THIS_MODULE,
    .name = "westwood"
};

函数

westwood初始化函数。

/*
 * @tcp_westwood_create
 * This function initializes fields used in TCP Westwood+,
 * it is called after the initial SYN, so the sequence numbers
 * are correct but new passive connections we have no
 * information about RTTmin at this time so we simply set it to
 * TCP_WESTWOOD_INIT_RTT. This value was chosen to be too 
 * conservative since in this way we're sure it will be updated in a 
 * consistent way as soon as possible. It will reasonably happen
 * within the first RTT period of the connection lifetime.
 */

static void tcp_westwood_init (struct sock *sk)
{
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

    w->bk = 0;
    w->bw_ns_est = 0;
    w->bw_est = 0;
    w->accounted = 0;
    w->cumul_ack = 0;
    w->reset_rtt_min = 1;
    w->rtt_min = w->rtt = TCP_WESTWOOD_INIT_RTT;
    w->rtt_win_sx = tcp_time_stamp;
    w->snd_una = tcp_sk(sk)->snd_una;
    w->first_ack = 1;
}

 此函数在丢包后调用，根据带宽来设置拥塞窗口和慢启动阈值。

(更加具体的调用时机下文会分析)

/* 
 * TCP Westwood
 * Here limit is evaluated as Bw estimation * RTTmin (for obtaining it 
 * in packets we use mss_cahe). Return value is guaranteed to be >= 2
 * so avoid ever returning 0.
 */

static u32 tcp_westwood_bw_rttmin (const struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    const struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

    return max_t (u32, (w->bw_est * w->rtt_min) / tp->mss_cache, 2);
}

 带宽过滤器如下：

/* 
 * @westwood_do_filter
 * Low-pass filter. Implemented using constant coefficients.
 */

static inline u32 westwood_do_filter (u32 a, u32 b)
{
    return ((7 * a) + b) >> 3;
}

static void westwood_filter (struct westwood *w, u32 delta)
{
    /* If the filter is empty fill it with the first sample of bandwidth */
    /* 如果是第一次得到带宽测量样本*/
    if (w->bw_ns_est == 0 && w->bw_est == 0) {
        w->bw_ns_est = w->bk / delta;
        w->bw_est = w->bw_ns_est;

    } else { /*已经有收到过测量样本了*/
        w->bw_ns_est = westwood_do_filter(w->bw_ns_est, w->bk / delta);
        w->bw_est = westwood_do_filter(w->bw_est, w->bw_ns_est);
    }
}

每收到一个ACK时，会更新当前的RTT（w->rtt）。

/*
 * @westwood_pkts_acked
 * Called after processing group of packets.
 * but all westwood needs is the last sample of srtt.
 */

static void tcp_westwood_pkts_acked (struct sock *sk, u32 cnt, s32 rtt)
{
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

    if (rtt > 0)
        w->rtt = usecs_to_jiffies(rtt);
}

每经过一个RTT后，采集一个新的测量样本，更新带宽估计值。

/* 
 * @westwood_update_window
 * It updates RTT evaluation window if it is the right moment to do it.
 * If so it calls filter for evaluating bandwidth.
 */

static void westwood_update_window (struct sock *sk)
{
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);
    s32 delta = tcp_time_stamp - w->rtt_win_sx;

    /* Initialize w->snd_una with the first acked sequence number in order
     * fix mismatch between tp->snd_una and w->snd_una for the first
     * bandwidth sample.
     */
    if (w->first_ack) { /* 是第一个ACK */
        w->snd_una = tcp_sk(sk)->snd_una;
        w->first_ack = 0;
    }

    /* See if a RTT-window has passed.
     * Be careful since if RTT is less than 50ms we don't filter
     * but we continue building the sample.
     * This minimum limit was chosen since an estimation on small
     * time intervals is better to avoid ...
     * Obviously on a LAN we reasonably will always have
     * right_bound = left_bound + WESTWOOD_RTT_MIN
     */
    if (w-rtt && delta > max_t (u32, w->rtt, TCP_WESTWOOD_RTT_MIN)) {
        westwood_filter(w, delta); /* 更新带宽估计值*/
        w->bk = 0; /*清零确认字节数*/
        w->rtt_win_sx = tcp_time_stamp; /* 重设取样周期开始时间*/
    }
}

更新最小RTT。

static inline void update_rtt_min(struct westwood *w)
{
    if (w->reset_rtt_min) {
        /* 当发生超时后，最小RTT可能不再准确，需要更新*/
        w->rtt_min = w->rtt; 

    } else {
        w->rtt_min = min(w->rtt, w->rtt_min); /* 更新最小RTT*/
    }
}

快速路径时的带宽估计值更新。
处于快速路径时调用，说明此时收到的数据包是顺序的，此时应该处于Open状态。
这种状态下，收到新的ACK会使tp->snd_una前进。
所以，tp->snd_una - w->snd_una能代表此ACK确认的数据量。

/* 
 * @westwood_fast_bw
 * It is called when we are in fast path. In particular it is called when 
 * header prediction is successful. In such case in fact update is 
 * straight forward and doesn't need any particular care.
 */

static inline void westwood_fast_bw(struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

    westwood_update_window(sk); /* 更新带宽估计值*/

    w->bk += tp->snd_una - w->snd_una; /* 累计确认的字节数*/
    w->snd_una = tp->snd_una;

    update_rtt_min(w); /* 更新最小RTT*/
}

 慢速路径时，计算所收到ACK确认的数据量。这时候的ACK可能是delayed ACK、partial ACK、

duplicate ACK、cumulative ACK following a retransmission event.

/* 
 * @westwood_acked_count
 * This function evaluates cumul_ack for evaluating bk in case of delayed 
 * or partial acks.
 */

static inline u32 westwood_acked_count (struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);
    
    /* 计算此ACK确认的字节数*/
    w->cumul_ack = tp->snd_una - w->snd_una;

    /* If cumul_ack is 0 this is a dupack since it's no moving tp->snd_una.
     * 如果cumul_ack=0，那么此ACK是dupack，代表接收端收到一个数据包，
      * /
    if (! w->cumul_ack) {
        w->accounted += tp->mss_cache; /* 接收端保存的乱序数据包加一*/
        w->cumul_ack = tp->mss_cache; /* 代表传输了一个数据包*/
    }

    /* 如果cumul_ack > 1，则有可能是多种情况。*/
    if (w->cumul_ack > tp->mss_cache) {

        /* 表示此ACK为partial ACK */
        if (w->accounted >= w->cumul_ack) {
            w->accounted -= w->cumul_ack;
           /* 表示只确认了一个包，其它包已经被dupack确认过了*/
            w->cumul_ack = tp->mss_cache; 

        } else {
            /* delayed ack or cumulative ack，表示被延迟的确认，
             * 或者结束Recovery的累积确认*/
            w->cumul_ack -= w->accounted;
            w->accounted = 0;
        }
    }

    w->snd_una = tp->snd_una;
    return w->cumul_ack; /* 返回此ACK确认的字节数*/
}

westwood的入口函数！以上的函数都是通过此函数调用的。

这一点跟其它TCP拥塞控制算法不太一样。

static void tcp_westwood_event (struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

    switch(event) {

    case CA_EVENT_FAST_ACK:
         /* 处于快速路径时，用此函数更新w->bw_est和w->rtt_min */
        westwood_fast_bw(sk);
        break;

    case CA_EVENT_COMPLETE_CWR:
        /* 退出Recovery或CWR状态时，进行拥塞窗口和慢启动阈值设置*/
        tp->snd_cwnd = tp->snd_ssthresh = tcp_westwood_bw_rttmin(sk);
        break;

    case CA_EVENT_FRTO:
        /* 当RTO超时时，会先进行FRTO检测，这时可设置慢启动阈值，
          * 而拥塞窗口则设置为1. 
        */
        tp->snd_ssthresh = tcp_westwood_bw_rttmin(sk);
        /* Update RTT_min when next ack arrives，如果超时了，那么
          * 最小RTT可能不准确，需要重新设置
        */
        w->reset_rtt_min = 1;
        break;

    case CA_EVENT_SLOW_ACK:
        /* 处于慢速路径时，这时候的拥塞状态可能是CWR、Recovery、Loss等。
          * 必须采用westwood_acked_count()来统计此ACK确认的数据量。
          * 同时也进行w->bw_est和w->rtt_min的更新。
          */
        westwood_update_window(sk);
        w->bk += westwood_acked_count(sk);
        update_rtt_min(w);
        break;

    default :
        /* don't care，对其它的事件则不做响应*/
        break;
    }
}

性能

westwood在丢包率较高的无线网络中表现较好。
Reno对随机丢包和拥塞丢包都较为敏感，随机丢包会导致Reno不必要的降低拥塞窗口和慢启动阈值。

在westwood算法中，需要强调的一点是：丢包对带宽的影响不大。
每个RTT采样一次带宽值，而这次样本只占bw_est的1/64。丢包后进入快速恢复阶段，尽管在快速恢复阶段
中得到的几个采样值较小，但是整体的bw_est却没有太大的减小。 

来看一下为什么westwood对随机丢包不敏感。

（1）随机丢包

丢包前：cwnd = bw_est * RTT
丢包后：cwnd = bw_est * RTTmin
因为是随机丢包，所以丢包前的RTT只是比RTTmin略大。丢包后的bw_est也只是微略减小。
所以丢包后的cwnd只是微略的减小。

（2）拥塞丢包

丢包前：cwnd = bw_est * RTTmax => BDP + Queue
丢包后：cwnd = bw_est * RTTmin => BDP
因为是拥塞丢包，所以丢包前的bw_est已经是连接的最大带宽，并且时延也达到了最大值。
这是丢包后就达到了完全利用BDP，同时使Queue为空的效果。

可以看到，westwood对随机丢包和拥塞丢包采取同样的算法来处理，却能达到不同的效果。
但是，westwood不能主动的区分随机丢包和拥塞丢包。