sys/netinet/cc/cc_dctcp.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2007-2008
   3  *      Swinburne University of Technology, Melbourne, Australia
   4  * Copyright (c) 2009-2010 Lawrence Stewart <lstewart@freebsd.org>
   5  * Copyright (c) 2014 Midori Kato <katoon@sfc.wide.ad.jp>
   6  * Copyright (c) 2014 The FreeBSD Foundation
   7  * All rights reserved.
   8  *
   9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  10  * modification, are permitted provided that the following conditions
  11  * are met:
  12  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  14  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17  *
  18  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  19  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  20  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  21  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  22  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  23  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  24  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  25  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  26  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  27  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  28  * SUCH DAMAGE.
  29  */
  30
  31 /*
  32  * An implementation of the DCTCP algorithm for FreeBSD, based on
  33  * "Data Center TCP (DCTCP)" by M. Alizadeh, A. Greenberg, D. A. Maltz,
  34  * J. Padhye, P. Patel, B. Prabhakar, S. Sengupta, and M. Sridharan.,
  35  * in ACM Conference on SIGCOMM 2010, New York, USA,
  36  * Originally released as the contribution of Microsoft Research project.
  37  */
  38
  39 #include <sys/cdefs.h>
  40 __FBSDID("$FreeBSD$");
  41
  42 #include <sys/param.h>
  43 #include <sys/kernel.h>
  44 #include <sys/malloc.h>
  45 #include <sys/module.h>
  46 #include <sys/socket.h>
  47 #include <sys/socketvar.h>
  48 #include <sys/sysctl.h>
  49 #include <sys/systm.h>
  50
  51 #include <net/vnet.h>
  52
  53 #include <netinet/tcp.h>
  54 #include <netinet/tcp_seq.h>
  55 #include <netinet/tcp_var.h>
  56 #include <netinet/cc/cc.h>
  57 #include <netinet/cc/cc_module.h>
  58
  59 #define DCTCP_SHIFT 10
  60 #define MAX_ALPHA_VALUE (1<<DCTCP_SHIFT)
  61 VNET_DEFINE_STATIC(uint32_t, dctcp_alpha) = MAX_ALPHA_VALUE;
  62 #define V_dctcp_alpha       VNET(dctcp_alpha)
  63 VNET_DEFINE_STATIC(uint32_t, dctcp_shift_g) = 4;
  64 #define V_dctcp_shift_g     VNET(dctcp_shift_g)
  65 VNET_DEFINE_STATIC(uint32_t, dctcp_slowstart) = 0;
  66 #define V_dctcp_slowstart   VNET(dctcp_slowstart)
  67
  68 struct dctcp {
  69         uint32_t bytes_ecn;       /* # of marked bytes during a RTT */
  70         uint32_t bytes_total;     /* # of acked bytes during a RTT */
  71         int      alpha;           /* the fraction of marked bytes */
  72         int      ce_prev;         /* CE state of the last segment */
  73         tcp_seq  save_sndnxt;     /* end sequence number of the current window */
  74         int      ece_curr;        /* ECE flag in this segment */
  75         int      ece_prev;        /* ECE flag in the last segment */
  76         uint32_t num_cong_events; /* # of congestion events */
  77 };
  78
  79 static MALLOC_DEFINE(M_dctcp, "dctcp data",
  80     "Per connection data required for the dctcp algorithm");
  81
  82 static void     dctcp_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type);
  83 static void     dctcp_after_idle(struct cc_var *ccv);
  84 static void     dctcp_cb_destroy(struct cc_var *ccv);
  85 static int      dctcp_cb_init(struct cc_var *ccv);
  86 static void     dctcp_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type);
  87 static void     dctcp_conn_init(struct cc_var *ccv);
  88 static void     dctcp_post_recovery(struct cc_var *ccv);
  89 static void     dctcp_ecnpkt_handler(struct cc_var *ccv);
  90 static void     dctcp_update_alpha(struct cc_var *ccv);
  91
  92 struct cc_algo dctcp_cc_algo = {
  93         .name = "dctcp",
  94         .ack_received = dctcp_ack_received,
  95         .cb_destroy = dctcp_cb_destroy,
  96         .cb_init = dctcp_cb_init,
  97         .cong_signal = dctcp_cong_signal,
  98         .conn_init = dctcp_conn_init,
  99         .post_recovery = dctcp_post_recovery,
 100         .ecnpkt_handler = dctcp_ecnpkt_handler,
 101         .after_idle = dctcp_after_idle,
 102 };
 103
 104 static void
 105 dctcp_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type)
 106 {
 107         struct dctcp *dctcp_data;
 108         int bytes_acked = 0;
 109
 110         dctcp_data = ccv->cc_data;
 111
 112         if (CCV(ccv, t_flags) & TF_ECN_PERMIT) {
 113                 /*
 114                  * DCTCP doesn't treat receipt of ECN marked packet as a
 115                  * congestion event. Thus, DCTCP always executes the ACK
 116                  * processing out of congestion recovery.
 117                  */
 118                 if (IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 119                         EXIT_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 120                         newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
 121                         ENTER_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 122                 } else
 123                         newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
 124
 125                 if (type == CC_DUPACK)
 126                         bytes_acked = min(ccv->bytes_this_ack, CCV(ccv, t_maxseg));
 127
 128                 if (type == CC_ACK)
 129                         bytes_acked = ccv->bytes_this_ack;
 130
 131                 /* Update total bytes. */
 132                 dctcp_data->bytes_total += bytes_acked;
 133
 134                 /* Update total marked bytes. */
 135                 if (dctcp_data->ece_curr) {
 136                         //XXRMS: For fluid-model DCTCP, update
 137                         //cwnd here during for RTT fairness
 138                         if (!dctcp_data->ece_prev
 139                             && bytes_acked > CCV(ccv, t_maxseg)) {
 140                                 dctcp_data->bytes_ecn +=
 141                                     (bytes_acked - CCV(ccv, t_maxseg));
 142                         } else
 143                                 dctcp_data->bytes_ecn += bytes_acked;
 144                         dctcp_data->ece_prev = 1;
 145                 } else {
 146                         if (dctcp_data->ece_prev
 147                             && bytes_acked > CCV(ccv, t_maxseg))
 148                                 dctcp_data->bytes_ecn += CCV(ccv, t_maxseg);
 149                         dctcp_data->ece_prev = 0;
 150                 }
 151                 dctcp_data->ece_curr = 0;
 152
 153                 /*
 154                  * Update the fraction of marked bytes at the end of
 155                  * current window size.
 156                  */
 157                 if ((IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags)) &&
 158                     SEQ_GEQ(ccv->curack, CCV(ccv, snd_recover))) ||
 159                     (!IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags)) &&
 160                     SEQ_GT(ccv->curack, dctcp_data->save_sndnxt)))
 161                         dctcp_update_alpha(ccv);
 162         } else
 163                 newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
 164 }
 165
 166 static void
 167 dctcp_after_idle(struct cc_var *ccv)
 168 {
 169         struct dctcp *dctcp_data;
 170
 171         if (CCV(ccv, t_flags) & TF_ECN_PERMIT) {
 172                 dctcp_data = ccv->cc_data;
 173
 174                 /* Initialize internal parameters after idle time */
 175                 dctcp_data->bytes_ecn = 0;
 176                 dctcp_data->bytes_total = 0;
 177                 dctcp_data->save_sndnxt = CCV(ccv, snd_nxt);
 178                 dctcp_data->alpha = V_dctcp_alpha;
 179                 dctcp_data->ece_curr = 0;
 180                 dctcp_data->ece_prev = 0;
 181                 dctcp_data->num_cong_events = 0;
 182         }
 183
 184         newreno_cc_algo.after_idle(ccv);
 185 }
 186
 187 static void
 188 dctcp_cb_destroy(struct cc_var *ccv)
 189 {
 190         free(ccv->cc_data, M_dctcp);
 191 }
 192
 193 static int
 194 dctcp_cb_init(struct cc_var *ccv)
 195 {
 196         struct dctcp *dctcp_data;
 197
 198         dctcp_data = malloc(sizeof(struct dctcp), M_dctcp, M_NOWAIT|M_ZERO);
 199
 200         if (dctcp_data == NULL)
 201                 return (ENOMEM);
 202
 203         /* Initialize some key variables with sensible defaults. */
 204         dctcp_data->bytes_ecn = 0;
 205         dctcp_data->bytes_total = 0;
 206         /*
 207          * When alpha is set to 0 in the beginning, DCTCP sender transfers as
 208          * much data as possible until the value converges which may expand the
 209          * queueing delay at the switch. When alpha is set to 1, queueing delay
 210          * is kept small.
 211          * Throughput-sensitive applications should have alpha = 0
 212          * Latency-sensitive applications should have alpha = 1
 213          *
 214          * Note: DCTCP draft suggests initial alpha to be 1 but we've decided to
 215          * keep it 0 as default.
 216          */
 217         dctcp_data->alpha = V_dctcp_alpha;
 218         dctcp_data->save_sndnxt = 0;
 219         dctcp_data->ce_prev = 0;
 220         dctcp_data->ece_curr = 0;
 221         dctcp_data->ece_prev = 0;
 222         dctcp_data->num_cong_events = 0;
 223
 224         ccv->cc_data = dctcp_data;
 225         return (0);
 226 }
 227
 228 /*
 229  * Perform any necessary tasks before we enter congestion recovery.
 230  */
 231 static void
 232 dctcp_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type)
 233 {
 234         struct dctcp *dctcp_data;
 235         u_int cwin, mss;
 236
 237         if (CCV(ccv, t_flags) & TF_ECN_PERMIT) {
 238                 dctcp_data = ccv->cc_data;
 239                 cwin = CCV(ccv, snd_cwnd);
 240                 mss = CCV(ccv, t_maxseg);
 241
 242                 switch (type) {
 243                 case CC_NDUPACK:
 244                         if (!IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 245                                 if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 246                                         CCV(ccv, snd_ssthresh) =
 247                                             max(cwin / 2, 2 * mss);
 248                                         dctcp_data->num_cong_events++;
 249                                 } else {
 250                                         /* cwnd has already updated as congestion
 251                                          * recovery. Reverse cwnd value using
 252                                          * snd_cwnd_prev and recalculate snd_ssthresh
 253                                          */
 254                                         cwin = CCV(ccv, snd_cwnd_prev);
 255                                         CCV(ccv, snd_ssthresh) =
 256                                             max(cwin / 2, 2 * mss);
 257                                 }
 258                                 ENTER_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 259                         }
 260                         break;
 261                 case CC_ECN:
 262                         /*
 263                          * Save current snd_cwnd when the host encounters both
 264                          * congestion recovery and fast recovery.
 265                          */
 266                         CCV(ccv, snd_cwnd_prev) = cwin;
 267                         if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 268                                 if (V_dctcp_slowstart &&
 269                                     dctcp_data->num_cong_events++ == 0) {
 270                                         CCV(ccv, snd_ssthresh) =
 271                                             max(cwin / 2, 2 * mss);
 272                                         dctcp_data->alpha = MAX_ALPHA_VALUE;
 273                                         dctcp_data->bytes_ecn = 0;
 274                                         dctcp_data->bytes_total = 0;
 275                                         dctcp_data->save_sndnxt = CCV(ccv, snd_nxt);
 276                                 } else
 277                                         CCV(ccv, snd_ssthresh) =
 278                                             max((cwin - (((uint64_t)cwin *
 279                                             dctcp_data->alpha) >> (DCTCP_SHIFT+1))),
 280                                             2 * mss);
 281                                 CCV(ccv, snd_cwnd) = CCV(ccv, snd_ssthresh);
 282                                 ENTER_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 283                         }
 284                         dctcp_data->ece_curr = 1;
 285                         break;
 286                 case CC_RTO:
 287                         CCV(ccv, t_flags) |= TF_ECN_SND_CWR;
 288                         dctcp_update_alpha(ccv);
 289                         dctcp_data->save_sndnxt += CCV(ccv, t_maxseg);
 290                         dctcp_data->num_cong_events++;
 291                         break;
 292                 }
 293         } else
 294                 newreno_cc_algo.cong_signal(ccv, type);
 295 }
 296
 297 static void
 298 dctcp_conn_init(struct cc_var *ccv)
 299 {
 300         struct dctcp *dctcp_data;
 301
 302         dctcp_data = ccv->cc_data;
 303
 304         if (CCV(ccv, t_flags) & TF_ECN_PERMIT)
 305                 dctcp_data->save_sndnxt = CCV(ccv, snd_nxt);
 306 }
 307
 308 /*
 309  * Perform any necessary tasks before we exit congestion recovery.
 310  */
 311 static void
 312 dctcp_post_recovery(struct cc_var *ccv)
 313 {
 314         newreno_cc_algo.post_recovery(ccv);
 315
 316         if (CCV(ccv, t_flags) & TF_ECN_PERMIT)
 317                 dctcp_update_alpha(ccv);
 318 }
 319
 320 /*
 321  * Execute an additional ECN processing using ECN field in IP header and the CWR
 322  * bit in TCP header.
 323  *
 324  * delay_ack == 0 - Delayed ACK disabled
 325  * delay_ack == 1 - Delayed ACK enabled
 326  */
 327
 328 static void
 329 dctcp_ecnpkt_handler(struct cc_var *ccv)
 330 {
 331         struct dctcp *dctcp_data;
 332         uint32_t ccflag;
 333         int delay_ack;
 334
 335         dctcp_data = ccv->cc_data;
 336         ccflag = ccv->flags;
 337         delay_ack = 1;
 338
 339         /*
 340          * DCTCP responds with an ACK immediately when the CE state
 341          * in between this segment and the last segment has changed.
 342          */
 343         if (ccflag & CCF_IPHDR_CE) {
 344                 if (!dctcp_data->ce_prev && (ccflag & CCF_DELACK))
 345                         delay_ack = 0;
 346                 dctcp_data->ce_prev = 1;
 347                 CCV(ccv, t_flags) |= TF_ECN_SND_ECE;
 348         } else {
 349                 if (dctcp_data->ce_prev && (ccflag & CCF_DELACK))
 350                         delay_ack = 0;
 351                 dctcp_data->ce_prev = 0;
 352                 CCV(ccv, t_flags) &= ~TF_ECN_SND_ECE;
 353         }
 354
 355         /* DCTCP sets delayed ack when this segment sets the CWR flag. */
 356         if ((ccflag & CCF_DELACK) && (ccflag & CCF_TCPHDR_CWR))
 357                 delay_ack = 1;
 358
 359         if (delay_ack == 0)
 360                 ccv->flags |= CCF_ACKNOW;
 361 }
 362
 363 /*
 364  * Update the fraction of marked bytes represented as 'alpha'.
 365  * Also initialize several internal parameters at the end of this function.
 366  */
 367 static void
 368 dctcp_update_alpha(struct cc_var *ccv)
 369 {
 370         struct dctcp *dctcp_data;
 371         int alpha_prev;
 372
 373         dctcp_data = ccv->cc_data;
 374         alpha_prev = dctcp_data->alpha;
 375         dctcp_data->bytes_total = max(dctcp_data->bytes_total, 1);
 376
 377         /*
 378          * Update alpha: alpha = (1 - g) * alpha + g * M.
 379          * Here:
 380          * g is weight factor
 381          *      recommaded to be set to 1/16
 382          *      small g = slow convergence between competitive DCTCP flows
 383          *      large g = impacts low utilization of bandwidth at switches
 384          * M is fraction of marked segments in last RTT
 385          *      updated every RTT
 386          * Alpha must be round to 0 - MAX_ALPHA_VALUE.
 387          */
 388         dctcp_data->alpha = ulmin(alpha_prev - (alpha_prev >> V_dctcp_shift_g) +
 389             ((uint64_t)dctcp_data->bytes_ecn << (DCTCP_SHIFT - V_dctcp_shift_g)) /
 390             dctcp_data->bytes_total, MAX_ALPHA_VALUE);
 391
 392         /* Initialize internal parameters for next alpha calculation */
 393         dctcp_data->bytes_ecn = 0;
 394         dctcp_data->bytes_total = 0;
 395         dctcp_data->save_sndnxt = CCV(ccv, snd_nxt);
 396 }
 397
 398 static int
 399 dctcp_alpha_handler(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 400 {
 401         uint32_t new;
 402         int error;
 403
 404         new = V_dctcp_alpha;
 405         error = sysctl_handle_int(oidp, &new, 0, req);
 406         if (error == 0 && req->newptr != NULL) {
 407                 if (new > MAX_ALPHA_VALUE)
 408                         error = EINVAL;
 409                 else
 410                         V_dctcp_alpha = new;
 411         }
 412
 413         return (error);
 414 }
 415
 416 static int
 417 dctcp_shift_g_handler(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 418 {
 419         uint32_t new;
 420         int error;
 421
 422         new = V_dctcp_shift_g;
 423         error = sysctl_handle_int(oidp, &new, 0, req);
 424         if (error == 0 && req->newptr != NULL) {
 425                 if (new > DCTCP_SHIFT)
 426                         error = EINVAL;
 427                 else
 428                         V_dctcp_shift_g = new;
 429         }
 430
 431         return (error);
 432 }
 433
 434 static int
 435 dctcp_slowstart_handler(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 436 {
 437         uint32_t new;
 438         int error;
 439
 440         new = V_dctcp_slowstart;
 441         error = sysctl_handle_int(oidp, &new, 0, req);
 442         if (error == 0 && req->newptr != NULL) {
 443                 if (new > 1)
 444                         error = EINVAL;
 445                 else
 446                         V_dctcp_slowstart = new;
 447         }
 448
 449         return (error);
 450 }
 451
 452 SYSCTL_DECL(_net_inet_tcp_cc_dctcp);
 453 SYSCTL_NODE(_net_inet_tcp_cc, OID_AUTO, dctcp, CTLFLAG_RW, NULL,
 454     "dctcp congestion control related settings");
 455
 456 SYSCTL_PROC(_net_inet_tcp_cc_dctcp, OID_AUTO, alpha,
 457     CTLFLAG_VNET|CTLTYPE_UINT|CTLFLAG_RW, &VNET_NAME(dctcp_alpha), 0,
 458     &dctcp_alpha_handler,
 459     "IU", "dctcp alpha parameter at start of session");
 460
 461 SYSCTL_PROC(_net_inet_tcp_cc_dctcp, OID_AUTO, shift_g,
 462     CTLFLAG_VNET|CTLTYPE_UINT|CTLFLAG_RW, &VNET_NAME(dctcp_shift_g), 4,
 463     &dctcp_shift_g_handler,
 464     "IU", "dctcp shift parameter");
 465
 466 SYSCTL_PROC(_net_inet_tcp_cc_dctcp, OID_AUTO, slowstart,
 467     CTLFLAG_VNET|CTLTYPE_UINT|CTLFLAG_RW, &VNET_NAME(dctcp_slowstart), 0,
 468     &dctcp_slowstart_handler,
 469     "IU", "half CWND reduction after the first slow start");
 470
 471 DECLARE_CC_MODULE(dctcp, &dctcp_cc_algo);