sys/netinet/cc/cc_cubic.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 2008-2010 Lawrence Stewart <lstewart@freebsd.org>
   5  * Copyright (c) 2010 The FreeBSD Foundation
   6  * All rights reserved.
   7  *
   8  * This software was developed by Lawrence Stewart while studying at the Centre
   9  * for Advanced Internet Architectures, Swinburne University of Technology, made
  10  * possible in part by a grant from the Cisco University Research Program Fund
  11  * at Community Foundation Silicon Valley.
  12  *
  13  * Portions of this software were developed at the Centre for Advanced
  14  * Internet Architectures, Swinburne University of Technology, Melbourne,
  15  * Australia by David Hayes under sponsorship from the FreeBSD Foundation.
  16  *
  17  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  18  * modification, are permitted provided that the following conditions
  19  * are met:
  20  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  21  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  22  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  23  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  24  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  25  *
  26  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  27  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  28  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  29  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  30  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  31  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  32  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  33  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  34  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  35  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  36  * SUCH DAMAGE.
  37  */
  38
  39 /*
  40  * An implementation of the CUBIC congestion control algorithm for FreeBSD,
  41  * based on the Internet Draft "draft-rhee-tcpm-cubic-02" by Rhee, Xu and Ha.
  42  * Originally released as part of the NewTCP research project at Swinburne
  43  * University of Technology's Centre for Advanced Internet Architectures,
  44  * Melbourne, Australia, which was made possible in part by a grant from the
  45  * Cisco University Research Program Fund at Community Foundation Silicon
  46  * Valley. More details are available at:
  47  *   http://caia.swin.edu.au/urp/newtcp/
  48  */
  49
  50 #include <sys/cdefs.h>
  51 __FBSDID("$FreeBSD$");
  52
  53 #include <sys/param.h>
  54 #include <sys/kernel.h>
  55 #include <sys/limits.h>
  56 #include <sys/malloc.h>
  57 #include <sys/module.h>
  58 #include <sys/socket.h>
  59 #include <sys/socketvar.h>
  60 #include <sys/sysctl.h>
  61 #include <sys/systm.h>
  62
  63 #include <net/vnet.h>
  64
  65 #include <netinet/tcp.h>
  66 #include <netinet/tcp_seq.h>
  67 #include <netinet/tcp_timer.h>
  68 #include <netinet/tcp_var.h>
  69 #include <netinet/cc/cc.h>
  70 #include <netinet/cc/cc_cubic.h>
  71 #include <netinet/cc/cc_module.h>
  72
  73 static void     cubic_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type);
  74 static void     cubic_cb_destroy(struct cc_var *ccv);
  75 static int      cubic_cb_init(struct cc_var *ccv);
  76 static void     cubic_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type);
  77 static void     cubic_conn_init(struct cc_var *ccv);
  78 static int      cubic_mod_init(void);
  79 static void     cubic_post_recovery(struct cc_var *ccv);
  80 static void     cubic_record_rtt(struct cc_var *ccv);
  81 static void     cubic_ssthresh_update(struct cc_var *ccv);
  82 static void     cubic_after_idle(struct cc_var *ccv);
  83
  84 struct cubic {
  85         /* Cubic K in fixed point form with CUBIC_SHIFT worth of precision. */
  86         int64_t         K;
  87         /* Sum of RTT samples across an epoch in ticks. */
  88         int64_t         sum_rtt_ticks;
  89         /* cwnd at the most recent congestion event. */
  90         unsigned long   max_cwnd;
  91         /* cwnd at the previous congestion event. */
  92         unsigned long   prev_max_cwnd;
  93         /* Number of congestion events. */
  94         uint32_t        num_cong_events;
  95         /* Minimum observed rtt in ticks. */
  96         int             min_rtt_ticks;
  97         /* Mean observed rtt between congestion epochs. */
  98         int             mean_rtt_ticks;
  99         /* ACKs since last congestion event. */
 100         int             epoch_ack_count;
 101         /* Time of last congestion event in ticks. */
 102         int             t_last_cong;
 103 };
 104
 105 static MALLOC_DEFINE(M_CUBIC, "cubic data",
 106     "Per connection data required for the CUBIC congestion control algorithm");
 107
 108 struct cc_algo cubic_cc_algo = {
 109         .name = "cubic",
 110         .ack_received = cubic_ack_received,
 111         .cb_destroy = cubic_cb_destroy,
 112         .cb_init = cubic_cb_init,
 113         .cong_signal = cubic_cong_signal,
 114         .conn_init = cubic_conn_init,
 115         .mod_init = cubic_mod_init,
 116         .post_recovery = cubic_post_recovery,
 117         .after_idle = cubic_after_idle,
 118 };
 119
 120 static void
 121 cubic_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type)
 122 {
 123         struct cubic *cubic_data;
 124         unsigned long w_tf, w_cubic_next;
 125         int ticks_since_cong;
 126
 127         cubic_data = ccv->cc_data;
 128         cubic_record_rtt(ccv);
 129
 130         /*
 131          * Regular ACK and we're not in cong/fast recovery and we're cwnd
 132          * limited and we're either not doing ABC or are slow starting or are
 133          * doing ABC and we've sent a cwnd's worth of bytes.
 134          */
 135         if (type == CC_ACK && !IN_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags)) &&
 136             (ccv->flags & CCF_CWND_LIMITED) && (!V_tcp_do_rfc3465 ||
 137             CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh) ||
 138             (V_tcp_do_rfc3465 && ccv->flags & CCF_ABC_SENTAWND))) {
 139                  /* Use the logic in NewReno ack_received() for slow start. */
 140                 if (CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh) ||
 141                     cubic_data->min_rtt_ticks == TCPTV_SRTTBASE)
 142                         newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
 143                 else {
 144                         if ((ticks_since_cong =
 145                             ticks - cubic_data->t_last_cong) < 0) {
 146                                 /*
 147                                  * dragging t_last_cong along
 148                                  */
 149                                 ticks_since_cong = INT_MAX;
 150                                 cubic_data->t_last_cong = ticks - INT_MAX;
 151                         }
 152
 153                         /*
 154                          * The mean RTT is used to best reflect the equations in
 155                          * the I-D. Using min_rtt in the tf_cwnd calculation
 156                          * causes w_tf to grow much faster than it should if the
 157                          * RTT is dominated by network buffering rather than
 158                          * propagation delay.
 159                          */
 160                         w_tf = tf_cwnd(ticks_since_cong,
 161                             cubic_data->mean_rtt_ticks, cubic_data->max_cwnd,
 162                             CCV(ccv, t_maxseg));
 163
 164                         w_cubic_next = cubic_cwnd(ticks_since_cong +
 165                             cubic_data->mean_rtt_ticks, cubic_data->max_cwnd,
 166                             CCV(ccv, t_maxseg), cubic_data->K);
 167
 168                         ccv->flags &= ~CCF_ABC_SENTAWND;
 169
 170                         if (w_cubic_next < w_tf) {
 171                                 /*
 172                                  * TCP-friendly region, follow tf
 173                                  * cwnd growth.
 174                                  */
 175                                 if (CCV(ccv, snd_cwnd) < w_tf)
 176                                         CCV(ccv, snd_cwnd) = ulmin(w_tf, INT_MAX);
 177                         }
 178
 179                         else if (CCV(ccv, snd_cwnd) < w_cubic_next) {
 180                                 /*
 181                                  * Concave or convex region, follow CUBIC
 182                                  * cwnd growth.
 183                                  */
 184                                 if (V_tcp_do_rfc3465)
 185                                         CCV(ccv, snd_cwnd) = ulmin(w_cubic_next,
 186                                             INT_MAX);
 187                                 else
 188                                         CCV(ccv, snd_cwnd) += ulmax(1,
 189                                             ((ulmin(w_cubic_next, INT_MAX) -
 190                                             CCV(ccv, snd_cwnd)) *
 191                                             CCV(ccv, t_maxseg)) /
 192                                             CCV(ccv, snd_cwnd));
 193                         }
 194
 195                         /*
 196                          * If we're not in slow start and we're probing for a
 197                          * new cwnd limit at the start of a connection
 198                          * (happens when hostcache has a relevant entry),
 199                          * keep updating our current estimate of the
 200                          * max_cwnd.
 201                          */
 202                         if (cubic_data->num_cong_events == 0 &&
 203                             cubic_data->max_cwnd < CCV(ccv, snd_cwnd)) {
 204                                 cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 205                                 cubic_data->K = cubic_k(cubic_data->max_cwnd /
 206                                     CCV(ccv, t_maxseg));
 207                         }
 208                 }
 209         }
 210 }
 211
 212 /*
 213  * This is a Cubic specific implementation of after_idle.
 214  *   - Reset cwnd by calling New Reno implementation of after_idle.
 215  *   - Reset t_last_cong.
 216  */
 217 static void
 218 cubic_after_idle(struct cc_var *ccv)
 219 {
 220         struct cubic *cubic_data;
 221
 222         cubic_data = ccv->cc_data;
 223
 224         cubic_data->max_cwnd = ulmax(cubic_data->max_cwnd, CCV(ccv, snd_cwnd));
 225         cubic_data->K = cubic_k(cubic_data->max_cwnd / CCV(ccv, t_maxseg));
 226
 227         newreno_cc_algo.after_idle(ccv);
 228         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 229 }
 230
 231
 232 static void
 233 cubic_cb_destroy(struct cc_var *ccv)
 234 {
 235         free(ccv->cc_data, M_CUBIC);
 236 }
 237
 238 static int
 239 cubic_cb_init(struct cc_var *ccv)
 240 {
 241         struct cubic *cubic_data;
 242
 243         cubic_data = malloc(sizeof(struct cubic), M_CUBIC, M_NOWAIT|M_ZERO);
 244
 245         if (cubic_data == NULL)
 246                 return (ENOMEM);
 247
 248         /* Init some key variables with sensible defaults. */
 249         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 250         cubic_data->min_rtt_ticks = TCPTV_SRTTBASE;
 251         cubic_data->mean_rtt_ticks = 1;
 252
 253         ccv->cc_data = cubic_data;
 254
 255         return (0);
 256 }
 257
 258 /*
 259  * Perform any necessary tasks before we enter congestion recovery.
 260  */
 261 static void
 262 cubic_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type)
 263 {
 264         struct cubic *cubic_data;
 265
 266         cubic_data = ccv->cc_data;
 267
 268         switch (type) {
 269         case CC_NDUPACK:
 270                 if (!IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 271                         if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 272                                 cubic_ssthresh_update(ccv);
 273                                 cubic_data->num_cong_events++;
 274                                 cubic_data->prev_max_cwnd = cubic_data->max_cwnd;
 275                                 cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 276                         }
 277                         ENTER_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 278                 }
 279                 break;
 280
 281         case CC_ECN:
 282                 if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 283                         cubic_ssthresh_update(ccv);
 284                         cubic_data->num_cong_events++;
 285                         cubic_data->prev_max_cwnd = cubic_data->max_cwnd;
 286                         cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 287                         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 288                         CCV(ccv, snd_cwnd) = CCV(ccv, snd_ssthresh);
 289                         ENTER_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 290                 }
 291                 break;
 292
 293         case CC_RTO:
 294                 /*
 295                  * Grab the current time and record it so we know when the
 296                  * most recent congestion event was. Only record it when the
 297                  * timeout has fired more than once, as there is a reasonable
 298                  * chance the first one is a false alarm and may not indicate
 299                  * congestion.
 300                  */
 301                 if (CCV(ccv, t_rxtshift) >= 2) {
 302                         cubic_data->num_cong_events++;
 303                         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 304                 }
 305                 break;
 306         }
 307 }
 308
 309 static void
 310 cubic_conn_init(struct cc_var *ccv)
 311 {
 312         struct cubic *cubic_data;
 313
 314         cubic_data = ccv->cc_data;
 315
 316         /*
 317          * Ensure we have a sane initial value for max_cwnd recorded. Without
 318          * this here bad things happen when entries from the TCP hostcache
 319          * get used.
 320          */
 321         cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 322 }
 323
 324 static int
 325 cubic_mod_init(void)
 326 {
 327         return (0);
 328 }
 329
 330 /*
 331  * Perform any necessary tasks before we exit congestion recovery.
 332  */
 333 static void
 334 cubic_post_recovery(struct cc_var *ccv)
 335 {
 336         struct cubic *cubic_data;
 337         int pipe;
 338
 339         cubic_data = ccv->cc_data;
 340         pipe = 0;
 341
 342         /* Fast convergence heuristic. */
 343         if (cubic_data->max_cwnd < cubic_data->prev_max_cwnd)
 344                 cubic_data->max_cwnd = (cubic_data->max_cwnd * CUBIC_FC_FACTOR)
 345                     >> CUBIC_SHIFT;
 346
 347         if (IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 348                 /*
 349                  * If inflight data is less than ssthresh, set cwnd
 350                  * conservatively to avoid a burst of data, as suggested in
 351                  * the NewReno RFC. Otherwise, use the CUBIC method.
 352                  *
 353                  * XXXLAS: Find a way to do this without needing curack
 354                  */
 355                 if (V_tcp_do_rfc6675_pipe)
 356                         pipe = tcp_compute_pipe(ccv->ccvc.tcp);
 357                 else
 358                         pipe = CCV(ccv, snd_max) - ccv->curack;
 359
 360                 if (pipe < CCV(ccv, snd_ssthresh))
 361                         /*
 362                          * Ensure that cwnd does not collapse to 1 MSS under
 363                          * adverse conditions. Implements RFC6582
 364                          */
 365                         CCV(ccv, snd_cwnd) = max(pipe, CCV(ccv, t_maxseg)) +
 366                             CCV(ccv, t_maxseg);
 367                 else
 368                         /* Update cwnd based on beta and adjusted max_cwnd. */
 369                         CCV(ccv, snd_cwnd) = max(((uint64_t)cubic_data->max_cwnd *
 370                             CUBIC_BETA) >> CUBIC_SHIFT,
 371                             2 * CCV(ccv, t_maxseg));
 372         }
 373         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 374
 375         /* Calculate the average RTT between congestion epochs. */
 376         if (cubic_data->epoch_ack_count > 0 &&
 377             cubic_data->sum_rtt_ticks >= cubic_data->epoch_ack_count) {
 378                 cubic_data->mean_rtt_ticks = (int)(cubic_data->sum_rtt_ticks /
 379                     cubic_data->epoch_ack_count);
 380         }
 381
 382         cubic_data->epoch_ack_count = 0;
 383         cubic_data->sum_rtt_ticks = 0;
 384         cubic_data->K = cubic_k(cubic_data->max_cwnd / CCV(ccv, t_maxseg));
 385 }
 386
 387 /*
 388  * Record the min RTT and sum samples for the epoch average RTT calculation.
 389  */
 390 static void
 391 cubic_record_rtt(struct cc_var *ccv)
 392 {
 393         struct cubic *cubic_data;
 394         int t_srtt_ticks;
 395
 396         /* Ignore srtt until a min number of samples have been taken. */
 397         if (CCV(ccv, t_rttupdated) >= CUBIC_MIN_RTT_SAMPLES) {
 398                 cubic_data = ccv->cc_data;
 399                 t_srtt_ticks = CCV(ccv, t_srtt) / TCP_RTT_SCALE;
 400
 401                 /*
 402                  * Record the current SRTT as our minrtt if it's the smallest
 403                  * we've seen or minrtt is currently equal to its initialised
 404                  * value.
 405                  *
 406                  * XXXLAS: Should there be some hysteresis for minrtt?
 407                  */
 408                 if ((t_srtt_ticks < cubic_data->min_rtt_ticks ||
 409                     cubic_data->min_rtt_ticks == TCPTV_SRTTBASE)) {
 410                         cubic_data->min_rtt_ticks = max(1, t_srtt_ticks);
 411
 412                         /*
 413                          * If the connection is within its first congestion
 414                          * epoch, ensure we prime mean_rtt_ticks with a
 415                          * reasonable value until the epoch average RTT is
 416                          * calculated in cubic_post_recovery().
 417                          */
 418                         if (cubic_data->min_rtt_ticks >
 419                             cubic_data->mean_rtt_ticks)
 420                                 cubic_data->mean_rtt_ticks =
 421                                     cubic_data->min_rtt_ticks;
 422                 }
 423
 424                 /* Sum samples for epoch average RTT calculation. */
 425                 cubic_data->sum_rtt_ticks += t_srtt_ticks;
 426                 cubic_data->epoch_ack_count++;
 427         }
 428 }
 429
 430 /*
 431  * Update the ssthresh in the event of congestion.
 432  */
 433 static void
 434 cubic_ssthresh_update(struct cc_var *ccv)
 435 {
 436         struct cubic *cubic_data;
 437         uint32_t ssthresh;
 438
 439         cubic_data = ccv->cc_data;
 440
 441         /*
 442          * On the first congestion event, set ssthresh to cwnd * 0.5, on
 443          * subsequent congestion events, set it to cwnd * beta.
 444          */
 445         if (cubic_data->num_cong_events == 0)
 446                 ssthresh = CCV(ccv, snd_cwnd) >> 1;
 447         else
 448                 ssthresh = ((uint64_t)CCV(ccv, snd_cwnd) *
 449                     CUBIC_BETA) >> CUBIC_SHIFT;
 450         CCV(ccv, snd_ssthresh) = max(ssthresh, 2 * CCV(ccv, t_maxseg));
 451 }
 452
 453
 454 DECLARE_CC_MODULE(cubic, &cubic_cc_algo);