net/ipv4/tcp_vegas.c

   1 /*
   2  * TCP Vegas congestion control
   3  *
   4  * This is based on the congestion detection/avoidance scheme described in
   5  *    Lawrence S. Brakmo and Larry L. Peterson.
   6  *    "TCP Vegas: End to end congestion avoidance on a global internet."
   7  *    IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 13(8):1465--1480,
   8  *    October 1995. Available from:
   9  *      ftp://ftp.cs.arizona.edu/xkernel/Papers/jsac.ps
  10  *
  11  * See http://www.cs.arizona.edu/xkernel/ for their implementation.
  12  * The main aspects that distinguish this implementation from the
  13  * Arizona Vegas implementation are:
  14  *   o We do not change the loss detection or recovery mechanisms of
  15  *     Linux in any way. Linux already recovers from losses quite well,
  16  *     using fine-grained timers, NewReno, and FACK.
  17  *   o To avoid the performance penalty imposed by increasing cwnd
  18  *     only every-other RTT during slow start, we increase during
  19  *     every RTT during slow start, just like Reno.
  20  *   o Largely to allow continuous cwnd growth during slow start,
  21  *     we use the rate at which ACKs come back as the "actual"
  22  *     rate, rather than the rate at which data is sent.
  23  *   o To speed convergence to the right rate, we set the cwnd
  24  *     to achieve the right ("actual") rate when we exit slow start.
  25  *   o To filter out the noise caused by delayed ACKs, we use the
  26  *     minimum RTT sample observed during the last RTT to calculate
  27  *     the actual rate.
  28  *   o When the sender re-starts from idle, it waits until it has
  29  *     received ACKs for an entire flight of new data before making
  30  *     a cwnd adjustment decision. The original Vegas implementation
  31  *     assumed senders never went idle.
  32  */
  33
  34 #include <linux/config.h>
  35 #include <linux/mm.h>
  36 #include <linux/module.h>
  37 #include <linux/skbuff.h>
  38 #include <linux/tcp_diag.h>
  39
  40 #include <net/tcp.h>
  41
  42 /* Default values of the Vegas variables, in fixed-point representation
  43  * with V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary point.
  44  */
  45 #define V_PARAM_SHIFT 1
  46 static int alpha = 1<<V_PARAM_SHIFT;
  47 static int beta  = 3<<V_PARAM_SHIFT;
  48 static int gamma = 1<<V_PARAM_SHIFT;
  49
  50 module_param(alpha, int, 0644);
  51 MODULE_PARM_DESC(alpha, "lower bound of packets in network (scale by 2)");
  52 module_param(beta, int, 0644);
  53 MODULE_PARM_DESC(beta, "upper bound of packets in network (scale by 2)");
  54 module_param(gamma, int, 0644);
  55 MODULE_PARM_DESC(gamma, "limit on increase (scale by 2)");
  56
  57
  58 /* Vegas variables */
  59 struct vegas {
  60         u32     beg_snd_nxt;    /* right edge during last RTT */
  61         u32     beg_snd_una;    /* left edge  during last RTT */
  62         u32     beg_snd_cwnd;   /* saves the size of the cwnd */
  63         u8      doing_vegas_now;/* if true, do vegas for this RTT */
  64         u16     cntRTT;         /* # of RTTs measured within last RTT */
  65         u32     minRTT;         /* min of RTTs measured within last RTT (in usec) */
  66         u32     baseRTT;        /* the min of all Vegas RTT measurements seen (in usec) */
  67 };
  68
  69 /* There are several situations when we must "re-start" Vegas:
  70  *
  71  *  o when a connection is established
  72  *  o after an RTO
  73  *  o after fast recovery
  74  *  o when we send a packet and there is no outstanding
  75  *    unacknowledged data (restarting an idle connection)
  76  *
  77  * In these circumstances we cannot do a Vegas calculation at the
  78  * end of the first RTT, because any calculation we do is using
  79  * stale info -- both the saved cwnd and congestion feedback are
  80  * stale.
  81  *
  82  * Instead we must wait until the completion of an RTT during
  83  * which we actually receive ACKs.
  84  */
  85 static inline void vegas_enable(struct tcp_sock *tp)
  86 {
  87         struct vegas *vegas = tcp_ca(tp);
  88
  89         /* Begin taking Vegas samples next time we send something. */
  90         vegas->doing_vegas_now = 1;
  91
  92         /* Set the beginning of the next send window. */
  93         vegas->beg_snd_nxt = tp->snd_nxt;
  94
  95         vegas->cntRTT = 0;
  96         vegas->minRTT = 0x7fffffff;
  97 }
  98
  99 /* Stop taking Vegas samples for now. */
 100 static inline void vegas_disable(struct tcp_sock *tp)
 101 {
 102         struct vegas *vegas = tcp_ca(tp);
 103
 104         vegas->doing_vegas_now = 0;
 105 }
 106
 107 static void tcp_vegas_init(struct tcp_sock *tp)
 108 {
 109         struct vegas *vegas = tcp_ca(tp);
 110
 111         vegas->baseRTT = 0x7fffffff;
 112         vegas_enable(tp);
 113 }
 114
 115 /* Do RTT sampling needed for Vegas.
 116  * Basically we:
 117  *   o min-filter RTT samples from within an RTT to get the current
 118  *     propagation delay + queuing delay (we are min-filtering to try to
 119  *     avoid the effects of delayed ACKs)
 120  *   o min-filter RTT samples from a much longer window (forever for now)
 121  *     to find the propagation delay (baseRTT)
 122  */
 123 static void tcp_vegas_rtt_calc(struct tcp_sock *tp, u32 usrtt)
 124 {
 125         struct vegas *vegas = tcp_ca(tp);
 126         u32 vrtt = usrtt + 1; /* Never allow zero rtt or baseRTT */
 127
 128         /* Filter to find propagation delay: */
 129         if (vrtt < vegas->baseRTT)
 130                 vegas->baseRTT = vrtt;
 131
 132         /* Find the min RTT during the last RTT to find
 133          * the current prop. delay + queuing delay:
 134          */
 135         vegas->minRTT = min(vegas->minRTT, vrtt);
 136         vegas->cntRTT++;
 137 }
 138
 139 static void tcp_vegas_state(struct tcp_sock *tp, u8 ca_state)
 140 {
 141
 142         if (ca_state == TCP_CA_Open)
 143                 vegas_enable(tp);
 144         else
 145                 vegas_disable(tp);
 146 }
 147
 148 /*
 149  * If the connection is idle and we are restarting,
 150  * then we don't want to do any Vegas calculations
 151  * until we get fresh RTT samples.  So when we
 152  * restart, we reset our Vegas state to a clean
 153  * slate. After we get acks for this flight of
 154  * packets, _then_ we can make Vegas calculations
 155  * again.
 156  */
 157 static void tcp_vegas_cwnd_event(struct tcp_sock *tp, enum tcp_ca_event event)
 158 {
 159         if (event == CA_EVENT_CWND_RESTART ||
 160             event == CA_EVENT_TX_START)
 161                 tcp_vegas_init(tp);
 162 }
 163
 164 static void tcp_vegas_cong_avoid(struct tcp_sock *tp, u32 ack,
 165                                  u32 seq_rtt, u32 in_flight, int flag)
 166 {
 167         struct vegas *vegas = tcp_ca(tp);
 168
 169         if (!vegas->doing_vegas_now)
 170                 return tcp_reno_cong_avoid(tp, ack, seq_rtt, in_flight, flag);
 171
 172         /* The key players are v_beg_snd_una and v_beg_snd_nxt.
 173          *
 174          * These are so named because they represent the approximate values
 175          * of snd_una and snd_nxt at the beginning of the current RTT. More
 176          * precisely, they represent the amount of data sent during the RTT.
 177          * At the end of the RTT, when we receive an ACK for v_beg_snd_nxt,
 178          * we will calculate that (v_beg_snd_nxt - v_beg_snd_una) outstanding
 179          * bytes of data have been ACKed during the course of the RTT, giving
 180          * an "actual" rate of:
 181          *
 182          *     (v_beg_snd_nxt - v_beg_snd_una) / (rtt duration)
 183          *
 184          * Unfortunately, v_beg_snd_una is not exactly equal to snd_una,
 185          * because delayed ACKs can cover more than one segment, so they
 186          * don't line up nicely with the boundaries of RTTs.
 187          *
 188          * Another unfortunate fact of life is that delayed ACKs delay the
 189          * advance of the left edge of our send window, so that the number
 190          * of bytes we send in an RTT is often less than our cwnd will allow.
 191          * So we keep track of our cwnd separately, in v_beg_snd_cwnd.
 192          */
 193
 194         if (after(ack, vegas->beg_snd_nxt)) {
 195                 /* Do the Vegas once-per-RTT cwnd adjustment. */
 196                 u32 old_wnd, old_snd_cwnd;
 197
 198
 199                 /* Here old_wnd is essentially the window of data that was
 200                  * sent during the previous RTT, and has all
 201                  * been acknowledged in the course of the RTT that ended
 202                  * with the ACK we just received. Likewise, old_snd_cwnd
 203                  * is the cwnd during the previous RTT.
 204                  */
 205                 old_wnd = (vegas->beg_snd_nxt - vegas->beg_snd_una) /
 206                         tp->mss_cache;
 207                 old_snd_cwnd = vegas->beg_snd_cwnd;
 208
 209                 /* Save the extent of the current window so we can use this
 210                  * at the end of the next RTT.
 211                  */
 212                 vegas->beg_snd_una  = vegas->beg_snd_nxt;
 213                 vegas->beg_snd_nxt  = tp->snd_nxt;
 214                 vegas->beg_snd_cwnd = tp->snd_cwnd;
 215
 216                 /* Take into account the current RTT sample too, to
 217                  * decrease the impact of delayed acks. This double counts
 218                  * this sample since we count it for the next window as well,
 219                  * but that's not too awful, since we're taking the min,
 220                  * rather than averaging.
 221                  */
 222                 tcp_vegas_rtt_calc(tp, seq_rtt*1000);
 223
 224                 /* We do the Vegas calculations only if we got enough RTT
 225                  * samples that we can be reasonably sure that we got
 226                  * at least one RTT sample that wasn't from a delayed ACK.
 227                  * If we only had 2 samples total,
 228                  * then that means we're getting only 1 ACK per RTT, which
 229                  * means they're almost certainly delayed ACKs.
 230                  * If  we have 3 samples, we should be OK.
 231                  */
 232
 233                 if (vegas->cntRTT <= 2) {
 234                         /* We don't have enough RTT samples to do the Vegas
 235                          * calculation, so we'll behave like Reno.
 236                          */
 237                         if (tp->snd_cwnd > tp->snd_ssthresh)
 238                                 tp->snd_cwnd++;
 239                 } else {
 240                         u32 rtt, target_cwnd, diff;
 241
 242                         /* We have enough RTT samples, so, using the Vegas
 243                          * algorithm, we determine if we should increase or
 244                          * decrease cwnd, and by how much.
 245                          */
 246
 247                         /* Pluck out the RTT we are using for the Vegas
 248                          * calculations. This is the min RTT seen during the
 249                          * last RTT. Taking the min filters out the effects
 250                          * of delayed ACKs, at the cost of noticing congestion
 251                          * a bit later.
 252                          */
 253                         rtt = vegas->minRTT;
 254
 255                         /* Calculate the cwnd we should have, if we weren't
 256                          * going too fast.
 257                          *
 258                          * This is:
 259                          *     (actual rate in segments) * baseRTT
 260                          * We keep it as a fixed point number with
 261                          * V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary point.
 262                          */
 263                         target_cwnd = ((old_wnd * vegas->baseRTT)
 264                                        << V_PARAM_SHIFT) / rtt;
 265
 266                         /* Calculate the difference between the window we had,
 267                          * and the window we would like to have. This quantity
 268                          * is the "Diff" from the Arizona Vegas papers.
 269                          *
 270                          * Again, this is a fixed point number with
 271                          * V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary
 272                          * point.
 273                          */
 274                         diff = (old_wnd << V_PARAM_SHIFT) - target_cwnd;
 275
 276                         if (tp->snd_cwnd < tp->snd_ssthresh) {
 277                                 /* Slow start.  */
 278                                 if (diff > gamma) {
 279                                         /* Going too fast. Time to slow down
 280                                          * and switch to congestion avoidance.
 281                                          */
 282                                         tp->snd_ssthresh = 2;
 283
 284                                         /* Set cwnd to match the actual rate
 285                                          * exactly:
 286                                          *   cwnd = (actual rate) * baseRTT
 287                                          * Then we add 1 because the integer
 288                                          * truncation robs us of full link
 289                                          * utilization.
 290                                          */
 291                                         tp->snd_cwnd = min(tp->snd_cwnd,
 292                                                            (target_cwnd >>
 293                                                             V_PARAM_SHIFT)+1);
 294
 295                                 }
 296                         } else {
 297                                 /* Congestion avoidance. */
 298                                 u32 next_snd_cwnd;
 299
 300                                 /* Figure out where we would like cwnd
 301                                  * to be.
 302                                  */
 303                                 if (diff > beta) {
 304                                         /* The old window was too fast, so
 305                                          * we slow down.
 306                                          */
 307                                         next_snd_cwnd = old_snd_cwnd - 1;
 308                                 } else if (diff < alpha) {
 309                                         /* We don't have enough extra packets
 310                                          * in the network, so speed up.
 311                                          */
 312                                         next_snd_cwnd = old_snd_cwnd + 1;
 313                                 } else {
 314                                         /* Sending just as fast as we
 315                                          * should be.
 316                                          */
 317                                         next_snd_cwnd = old_snd_cwnd;
 318                                 }
 319
 320                                 /* Adjust cwnd upward or downward, toward the
 321                                  * desired value.
 322                                  */
 323                                 if (next_snd_cwnd > tp->snd_cwnd)
 324                                         tp->snd_cwnd++;
 325                                 else if (next_snd_cwnd < tp->snd_cwnd)
 326                                         tp->snd_cwnd--;
 327                         }
 328                 }
 329
 330                 /* Wipe the slate clean for the next RTT. */
 331                 vegas->cntRTT = 0;
 332                 vegas->minRTT = 0x7fffffff;
 333         }
 334
 335         /* The following code is executed for every ack we receive,
 336          * except for conditions checked in should_advance_cwnd()
 337          * before the call to tcp_cong_avoid(). Mainly this means that
 338          * we only execute this code if the ack actually acked some
 339          * data.
 340          */
 341
 342         /* If we are in slow start, increase our cwnd in response to this ACK.
 343          * (If we are not in slow start then we are in congestion avoidance,
 344          * and adjust our congestion window only once per RTT. See the code
 345          * above.)
 346          */
 347         if (tp->snd_cwnd <= tp->snd_ssthresh)
 348                 tp->snd_cwnd++;
 349
 350         /* to keep cwnd from growing without bound */
 351         tp->snd_cwnd = min_t(u32, tp->snd_cwnd, tp->snd_cwnd_clamp);
 352
 353         /* Make sure that we are never so timid as to reduce our cwnd below
 354          * 2 MSS.
 355          *
 356          * Going below 2 MSS would risk huge delayed ACKs from our receiver.
 357          */
 358         tp->snd_cwnd = max(tp->snd_cwnd, 2U);
 359 }
 360
 361 /* Extract info for Tcp socket info provided via netlink. */
 362 static void tcp_vegas_get_info(struct tcp_sock *tp, u32 ext,
 363                                struct sk_buff *skb)
 364 {
 365         const struct vegas *ca = tcp_ca(tp);
 366         if (ext & (1<<(TCPDIAG_VEGASINFO-1))) {
 367                 struct tcpvegas_info *info;
 368
 369                 info = RTA_DATA(__RTA_PUT(skb, TCPDIAG_VEGASINFO,
 370                                           sizeof(*info)));
 371
 372                 info->tcpv_enabled = ca->doing_vegas_now;
 373                 info->tcpv_rttcnt = ca->cntRTT;
 374                 info->tcpv_rtt = ca->baseRTT;
 375                 info->tcpv_minrtt = ca->minRTT;
 376         rtattr_failure: ;
 377         }
 378 }
 379
 380 static struct tcp_congestion_ops tcp_vegas = {
 381         .init           = tcp_vegas_init,
 382         .ssthresh       = tcp_reno_ssthresh,
 383         .cong_avoid     = tcp_vegas_cong_avoid,
 384         .min_cwnd       = tcp_reno_min_cwnd,
 385         .rtt_sample     = tcp_vegas_rtt_calc,
 386         .set_state      = tcp_vegas_state,
 387         .cwnd_event     = tcp_vegas_cwnd_event,
 388         .get_info       = tcp_vegas_get_info,
 389
 390         .owner          = THIS_MODULE,
 391         .name           = "vegas",
 392 };
 393
 394 static int __init tcp_vegas_register(void)
 395 {
 396         BUG_ON(sizeof(struct vegas) > TCP_CA_PRIV_SIZE);
 397         tcp_register_congestion_control(&tcp_vegas);
 398         return 0;
 399 }
 400
 401 static void __exit tcp_vegas_unregister(void)
 402 {
 403         tcp_unregister_congestion_control(&tcp_vegas);
 404 }
 405
 406 module_init(tcp_vegas_register);
 407 module_exit(tcp_vegas_unregister);
 408
 409 MODULE_AUTHOR("Stephen Hemminger");
 410 MODULE_LICENSE("GPL");
 411 MODULE_DESCRIPTION("TCP Vegas");