]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/netinet/cc/cc_htcp.c
Fix completion descriptors alignment for the ENA
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / netinet / cc / cc_htcp.c
1 /*-
2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
3  *
4  * Copyright (c) 2007-2008
5  *      Swinburne University of Technology, Melbourne, Australia
6  * Copyright (c) 2009-2010 Lawrence Stewart <lstewart@freebsd.org>
7  * Copyright (c) 2010 The FreeBSD Foundation
8  * All rights reserved.
9  *
10  * This software was developed at the Centre for Advanced Internet
11  * Architectures, Swinburne University of Technology, by Lawrence Stewart and
12  * James Healy, made possible in part by a grant from the Cisco University
13  * Research Program Fund at Community Foundation Silicon Valley.
14  *
15  * Portions of this software were developed at the Centre for Advanced
16  * Internet Architectures, Swinburne University of Technology, Melbourne,
17  * Australia by David Hayes under sponsorship from the FreeBSD Foundation.
18  *
19  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
20  * modification, are permitted provided that the following conditions
21  * are met:
22  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
23  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
24  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
25  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
26  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
27  *
28  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
29  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
30  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
31  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
32  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
33  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
34  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
35  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
36  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
37  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
38  * SUCH DAMAGE.
39  */
40
41 /*
42  * An implementation of the H-TCP congestion control algorithm for FreeBSD,
43  * based on the Internet Draft "draft-leith-tcp-htcp-06.txt" by Leith and
44  * Shorten. Originally released as part of the NewTCP research project at
45  * Swinburne University of Technology's Centre for Advanced Internet
46  * Architectures, Melbourne, Australia, which was made possible in part by a
47  * grant from the Cisco University Research Program Fund at Community Foundation
48  * Silicon Valley. More details are available at:
49  *   http://caia.swin.edu.au/urp/newtcp/
50  */
51
52 #include <sys/cdefs.h>
53 __FBSDID("$FreeBSD$");
54
55 #include <sys/param.h>
56 #include <sys/kernel.h>
57 #include <sys/limits.h>
58 #include <sys/malloc.h>
59 #include <sys/module.h>
60 #include <sys/socket.h>
61 #include <sys/socketvar.h>
62 #include <sys/sysctl.h>
63 #include <sys/systm.h>
64
65 #include <net/vnet.h>
66
67 #include <netinet/tcp.h>
68 #include <netinet/tcp_seq.h>
69 #include <netinet/tcp_timer.h>
70 #include <netinet/tcp_var.h>
71 #include <netinet/cc/cc.h>
72 #include <netinet/cc/cc_module.h>
73
74 /* Fixed point math shifts. */
75 #define HTCP_SHIFT 8
76 #define HTCP_ALPHA_INC_SHIFT 4
77
78 #define HTCP_INIT_ALPHA 1
79 #define HTCP_DELTA_L hz         /* 1 sec in ticks. */
80 #define HTCP_MINBETA 128        /* 0.5 << HTCP_SHIFT. */
81 #define HTCP_MAXBETA 204        /* ~0.8 << HTCP_SHIFT. */
82 #define HTCP_MINROWE 26         /* ~0.1 << HTCP_SHIFT. */
83 #define HTCP_MAXROWE 512        /* 2 << HTCP_SHIFT. */
84
85 /* RTT_ref (ms) used in the calculation of alpha if RTT scaling is enabled. */
86 #define HTCP_RTT_REF 100
87
88 /* Don't trust SRTT until this many samples have been taken. */
89 #define HTCP_MIN_RTT_SAMPLES 8
90
91 /*
92  * HTCP_CALC_ALPHA performs a fixed point math calculation to determine the
93  * value of alpha, based on the function defined in the HTCP spec.
94  *
95  * i.e. 1 + 10(delta - delta_l) + ((delta - delta_l) / 2) ^ 2
96  *
97  * "diff" is passed in to the macro as "delta - delta_l" and is expected to be
98  * in units of ticks.
99  *
100  * The joyousnous of fixed point maths means our function implementation looks a
101  * little funky...
102  *
103  * In order to maintain some precision in the calculations, a fixed point shift
104  * HTCP_ALPHA_INC_SHIFT is used to ensure the integer divisions don't
105  * truncate the results too badly.
106  *
107  * The "16" value is the "1" term in the alpha function shifted up by
108  * HTCP_ALPHA_INC_SHIFT
109  *
110  * The "160" value is the "10" multiplier in the alpha function multiplied by
111  * 2^HTCP_ALPHA_INC_SHIFT
112  *
113  * Specifying these as constants reduces the computations required. After
114  * up-shifting all the terms in the function and performing the required
115  * calculations, we down-shift the final result by HTCP_ALPHA_INC_SHIFT to
116  * ensure it is back in the correct range.
117  *
118  * The "hz" terms are required as kernels can be configured to run with
119  * different tick timers, which we have to adjust for in the alpha calculation
120  * (which originally was defined in terms of seconds).
121  *
122  * We also have to be careful to constrain the value of diff such that it won't
123  * overflow whilst performing the calculation. The middle term i.e. (160 * diff)
124  * / hz is the limiting factor in the calculation. We must constrain diff to be
125  * less than the max size of an int divided by the constant 160 figure
126  * i.e. diff < INT_MAX / 160
127  *
128  * NB: Changing HTCP_ALPHA_INC_SHIFT will require you to MANUALLY update the
129  * constants used in this function!
130  */
131 #define HTCP_CALC_ALPHA(diff) \
132 ((\
133         (16) + \
134         ((160 * (diff)) / hz) + \
135         (((diff) / hz) * (((diff) << HTCP_ALPHA_INC_SHIFT) / (4 * hz))) \
136 ) >> HTCP_ALPHA_INC_SHIFT)
137
138 static void     htcp_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type);
139 static void     htcp_cb_destroy(struct cc_var *ccv);
140 static int      htcp_cb_init(struct cc_var *ccv);
141 static void     htcp_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type);
142 static int      htcp_mod_init(void);
143 static void     htcp_post_recovery(struct cc_var *ccv);
144 static void     htcp_recalc_alpha(struct cc_var *ccv);
145 static void     htcp_recalc_beta(struct cc_var *ccv);
146 static void     htcp_record_rtt(struct cc_var *ccv);
147 static void     htcp_ssthresh_update(struct cc_var *ccv);
148
149 struct htcp {
150         /* cwnd before entering cong recovery. */
151         unsigned long   prev_cwnd;
152         /* cwnd additive increase parameter. */
153         int             alpha;
154         /* cwnd multiplicative decrease parameter. */
155         int             beta;
156         /* Largest rtt seen for the flow. */
157         int             maxrtt;
158         /* Shortest rtt seen for the flow. */
159         int             minrtt;
160         /* Time of last congestion event in ticks. */
161         int             t_last_cong;
162 };
163
164 static int htcp_rtt_ref;
165 /*
166  * The maximum number of ticks the value of diff can reach in
167  * htcp_recalc_alpha() before alpha will stop increasing due to overflow.
168  * See comment above HTCP_CALC_ALPHA for more info.
169  */
170 static int htcp_max_diff = INT_MAX / ((1 << HTCP_ALPHA_INC_SHIFT) * 10);
171
172 /* Per-netstack vars. */
173 VNET_DEFINE_STATIC(u_int, htcp_adaptive_backoff) = 0;
174 VNET_DEFINE_STATIC(u_int, htcp_rtt_scaling) = 0;
175 #define V_htcp_adaptive_backoff    VNET(htcp_adaptive_backoff)
176 #define V_htcp_rtt_scaling    VNET(htcp_rtt_scaling)
177
178 static MALLOC_DEFINE(M_HTCP, "htcp data",
179     "Per connection data required for the HTCP congestion control algorithm");
180
181 struct cc_algo htcp_cc_algo = {
182         .name = "htcp",
183         .ack_received = htcp_ack_received,
184         .cb_destroy = htcp_cb_destroy,
185         .cb_init = htcp_cb_init,
186         .cong_signal = htcp_cong_signal,
187         .mod_init = htcp_mod_init,
188         .post_recovery = htcp_post_recovery,
189 };
190
191 static void
192 htcp_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type)
193 {
194         struct htcp *htcp_data;
195
196         htcp_data = ccv->cc_data;
197         htcp_record_rtt(ccv);
198
199         /*
200          * Regular ACK and we're not in cong/fast recovery and we're cwnd
201          * limited and we're either not doing ABC or are slow starting or are
202          * doing ABC and we've sent a cwnd's worth of bytes.
203          */
204         if (type == CC_ACK && !IN_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags)) &&
205             (ccv->flags & CCF_CWND_LIMITED) && (!V_tcp_do_rfc3465 ||
206             CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh) ||
207             (V_tcp_do_rfc3465 && ccv->flags & CCF_ABC_SENTAWND))) {
208                 htcp_recalc_beta(ccv);
209                 htcp_recalc_alpha(ccv);
210                 /*
211                  * Use the logic in NewReno ack_received() for slow start and
212                  * for the first HTCP_DELTA_L ticks after either the flow starts
213                  * or a congestion event (when alpha equals 1).
214                  */
215                 if (htcp_data->alpha == 1 ||
216                     CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh))
217                         newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
218                 else {
219                         if (V_tcp_do_rfc3465) {
220                                 /* Increment cwnd by alpha segments. */
221                                 CCV(ccv, snd_cwnd) += htcp_data->alpha *
222                                     CCV(ccv, t_maxseg);
223                                 ccv->flags &= ~CCF_ABC_SENTAWND;
224                         } else
225                                 /*
226                                  * Increment cwnd by alpha/cwnd segments to
227                                  * approximate an increase of alpha segments
228                                  * per RTT.
229                                  */
230                                 CCV(ccv, snd_cwnd) += (((htcp_data->alpha <<
231                                     HTCP_SHIFT) / (CCV(ccv, snd_cwnd) /
232                                     CCV(ccv, t_maxseg))) * CCV(ccv, t_maxseg))
233                                     >> HTCP_SHIFT;
234                 }
235         }
236 }
237
238 static void
239 htcp_cb_destroy(struct cc_var *ccv)
240 {
241         free(ccv->cc_data, M_HTCP);
242 }
243
244 static int
245 htcp_cb_init(struct cc_var *ccv)
246 {
247         struct htcp *htcp_data;
248
249         htcp_data = malloc(sizeof(struct htcp), M_HTCP, M_NOWAIT);
250
251         if (htcp_data == NULL)
252                 return (ENOMEM);
253
254         /* Init some key variables with sensible defaults. */
255         htcp_data->alpha = HTCP_INIT_ALPHA;
256         htcp_data->beta = HTCP_MINBETA;
257         htcp_data->maxrtt = TCPTV_SRTTBASE;
258         htcp_data->minrtt = TCPTV_SRTTBASE;
259         htcp_data->prev_cwnd = 0;
260         htcp_data->t_last_cong = ticks;
261
262         ccv->cc_data = htcp_data;
263
264         return (0);
265 }
266
267 /*
268  * Perform any necessary tasks before we enter congestion recovery.
269  */
270 static void
271 htcp_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type)
272 {
273         struct htcp *htcp_data;
274         u_int mss;
275
276         htcp_data = ccv->cc_data;
277         mss = tcp_maxseg(ccv->ccvc.tcp);
278
279         switch (type) {
280         case CC_NDUPACK:
281                 if (!IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
282                         if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
283                                 /*
284                                  * Apply hysteresis to maxrtt to ensure
285                                  * reductions in the RTT are reflected in our
286                                  * measurements.
287                                  */
288                                 htcp_data->maxrtt = (htcp_data->minrtt +
289                                     (htcp_data->maxrtt - htcp_data->minrtt) *
290                                     95) / 100;
291                                 htcp_ssthresh_update(ccv);
292                                 htcp_data->t_last_cong = ticks;
293                                 htcp_data->prev_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
294                         }
295                         ENTER_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
296                 }
297                 break;
298
299         case CC_ECN:
300                 if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
301                         /*
302                          * Apply hysteresis to maxrtt to ensure reductions in
303                          * the RTT are reflected in our measurements.
304                          */
305                         htcp_data->maxrtt = (htcp_data->minrtt + (htcp_data->maxrtt -
306                             htcp_data->minrtt) * 95) / 100;
307                         htcp_ssthresh_update(ccv);
308                         CCV(ccv, snd_cwnd) = CCV(ccv, snd_ssthresh);
309                         htcp_data->t_last_cong = ticks;
310                         htcp_data->prev_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
311                         ENTER_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
312                 }
313                 break;
314
315         case CC_RTO:
316                 CCV(ccv, snd_ssthresh) = max(min(CCV(ccv, snd_wnd),
317                                                  CCV(ccv, snd_cwnd)) / 2 / mss,
318                                              2) * mss;
319                 CCV(ccv, snd_cwnd) = mss;
320                 /*
321                  * Grab the current time and record it so we know when the
322                  * most recent congestion event was. Only record it when the
323                  * timeout has fired more than once, as there is a reasonable
324                  * chance the first one is a false alarm and may not indicate
325                  * congestion.
326                  */
327                 if (CCV(ccv, t_rxtshift) >= 2)
328                         htcp_data->t_last_cong = ticks;
329                 break;
330         }
331 }
332
333 static int
334 htcp_mod_init(void)
335 {
336
337         htcp_cc_algo.after_idle = newreno_cc_algo.after_idle;
338
339         /*
340          * HTCP_RTT_REF is defined in ms, and t_srtt in the tcpcb is stored in
341          * units of TCP_RTT_SCALE*hz. Scale HTCP_RTT_REF to be in the same units
342          * as t_srtt.
343          */
344         htcp_rtt_ref = (HTCP_RTT_REF * TCP_RTT_SCALE * hz) / 1000;
345
346         return (0);
347 }
348
349 /*
350  * Perform any necessary tasks before we exit congestion recovery.
351  */
352 static void
353 htcp_post_recovery(struct cc_var *ccv)
354 {
355         int pipe;
356         struct htcp *htcp_data;
357
358         pipe = 0;
359         htcp_data = ccv->cc_data;
360
361         if (IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
362                 /*
363                  * If inflight data is less than ssthresh, set cwnd
364                  * conservatively to avoid a burst of data, as suggested in the
365                  * NewReno RFC. Otherwise, use the HTCP method.
366                  *
367                  * XXXLAS: Find a way to do this without needing curack
368                  */
369                 if (V_tcp_do_rfc6675_pipe)
370                         pipe = tcp_compute_pipe(ccv->ccvc.tcp);
371                 else
372                         pipe = CCV(ccv, snd_max) - ccv->curack;
373
374                 if (pipe < CCV(ccv, snd_ssthresh))
375                         /*
376                          * Ensure that cwnd down not collape to 1 MSS under
377                          * adverse conditions. Implements RFC6582
378                          */
379                         CCV(ccv, snd_cwnd) = max(pipe, CCV(ccv, t_maxseg)) +
380                             CCV(ccv, t_maxseg);
381                 else
382                         CCV(ccv, snd_cwnd) = max(1, ((htcp_data->beta *
383                             htcp_data->prev_cwnd / CCV(ccv, t_maxseg))
384                             >> HTCP_SHIFT)) * CCV(ccv, t_maxseg);
385         }
386 }
387
388 static void
389 htcp_recalc_alpha(struct cc_var *ccv)
390 {
391         struct htcp *htcp_data;
392         int alpha, diff, now;
393
394         htcp_data = ccv->cc_data;
395         now = ticks;
396
397         /*
398          * If ticks has wrapped around (will happen approximately once every 49
399          * days on a machine with the default kern.hz=1000) and a flow straddles
400          * the wrap point, our alpha calcs will be completely wrong. We cut our
401          * losses and restart alpha from scratch by setting t_last_cong = now -
402          * HTCP_DELTA_L.
403          *
404          * This does not deflate our cwnd at all. It simply slows the rate cwnd
405          * is growing by until alpha regains the value it held prior to taking
406          * this drastic measure.
407          */
408         if (now < htcp_data->t_last_cong)
409                 htcp_data->t_last_cong = now - HTCP_DELTA_L;
410
411         diff = now - htcp_data->t_last_cong - HTCP_DELTA_L;
412
413         /* Cap alpha if the value of diff would overflow HTCP_CALC_ALPHA(). */
414         if (diff < htcp_max_diff) {
415                 /*
416                  * If it has been more than HTCP_DELTA_L ticks since congestion,
417                  * increase alpha according to the function defined in the spec.
418                  */
419                 if (diff > 0) {
420                         alpha = HTCP_CALC_ALPHA(diff);
421
422                         /*
423                          * Adaptive backoff fairness adjustment:
424                          * 2 * (1 - beta) * alpha_raw
425                          */
426                         if (V_htcp_adaptive_backoff)
427                                 alpha = max(1, (2 * ((1 << HTCP_SHIFT) -
428                                     htcp_data->beta) * alpha) >> HTCP_SHIFT);
429
430                         /*
431                          * RTT scaling: (RTT / RTT_ref) * alpha
432                          * alpha will be the raw value from HTCP_CALC_ALPHA() if
433                          * adaptive backoff is off, or the adjusted value if
434                          * adaptive backoff is on.
435                          */
436                         if (V_htcp_rtt_scaling)
437                                 alpha = max(1, (min(max(HTCP_MINROWE,
438                                     (CCV(ccv, t_srtt) << HTCP_SHIFT) /
439                                     htcp_rtt_ref), HTCP_MAXROWE) * alpha)
440                                     >> HTCP_SHIFT);
441
442                 } else
443                         alpha = 1;
444
445                 htcp_data->alpha = alpha;
446         }
447 }
448
449 static void
450 htcp_recalc_beta(struct cc_var *ccv)
451 {
452         struct htcp *htcp_data;
453
454         htcp_data = ccv->cc_data;
455
456         /*
457          * TCPTV_SRTTBASE is the initialised value of each connection's SRTT, so
458          * we only calc beta if the connection's SRTT has been changed from its
459          * initial value. beta is bounded to ensure it is always between
460          * HTCP_MINBETA and HTCP_MAXBETA.
461          */
462         if (V_htcp_adaptive_backoff && htcp_data->minrtt != TCPTV_SRTTBASE &&
463             htcp_data->maxrtt != TCPTV_SRTTBASE)
464                 htcp_data->beta = min(max(HTCP_MINBETA,
465                     (htcp_data->minrtt << HTCP_SHIFT) / htcp_data->maxrtt),
466                     HTCP_MAXBETA);
467         else
468                 htcp_data->beta = HTCP_MINBETA;
469 }
470
471 /*
472  * Record the minimum and maximum RTT seen for the connection. These are used in
473  * the calculation of beta if adaptive backoff is enabled.
474  */
475 static void
476 htcp_record_rtt(struct cc_var *ccv)
477 {
478         struct htcp *htcp_data;
479
480         htcp_data = ccv->cc_data;
481
482         /* XXXLAS: Should there be some hysteresis for minrtt? */
483
484         /*
485          * Record the current SRTT as our minrtt if it's the smallest we've seen
486          * or minrtt is currently equal to its initialised value. Ignore SRTT
487          * until a min number of samples have been taken.
488          */
489         if ((CCV(ccv, t_srtt) < htcp_data->minrtt ||
490             htcp_data->minrtt == TCPTV_SRTTBASE) &&
491             (CCV(ccv, t_rttupdated) >= HTCP_MIN_RTT_SAMPLES))
492                 htcp_data->minrtt = CCV(ccv, t_srtt);
493
494         /*
495          * Record the current SRTT as our maxrtt if it's the largest we've
496          * seen. Ignore SRTT until a min number of samples have been taken.
497          */
498         if (CCV(ccv, t_srtt) > htcp_data->maxrtt
499             && CCV(ccv, t_rttupdated) >= HTCP_MIN_RTT_SAMPLES)
500                 htcp_data->maxrtt = CCV(ccv, t_srtt);
501 }
502
503 /*
504  * Update the ssthresh in the event of congestion.
505  */
506 static void
507 htcp_ssthresh_update(struct cc_var *ccv)
508 {
509         struct htcp *htcp_data;
510
511         htcp_data = ccv->cc_data;
512
513         /*
514          * On the first congestion event, set ssthresh to cwnd * 0.5, on
515          * subsequent congestion events, set it to cwnd * beta.
516          */
517         if (CCV(ccv, snd_ssthresh) == TCP_MAXWIN << TCP_MAX_WINSHIFT)
518                 CCV(ccv, snd_ssthresh) = ((u_long)CCV(ccv, snd_cwnd) *
519                     HTCP_MINBETA) >> HTCP_SHIFT;
520         else {
521                 htcp_recalc_beta(ccv);
522                 CCV(ccv, snd_ssthresh) = ((u_long)CCV(ccv, snd_cwnd) *
523                     htcp_data->beta) >> HTCP_SHIFT;
524         }
525 }
526
527 SYSCTL_DECL(_net_inet_tcp_cc_htcp);
528 SYSCTL_NODE(_net_inet_tcp_cc, OID_AUTO, htcp, CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE, NULL,
529     "H-TCP related settings");
530 SYSCTL_UINT(_net_inet_tcp_cc_htcp, OID_AUTO, adaptive_backoff,
531     CTLFLAG_VNET | CTLFLAG_RW, &VNET_NAME(htcp_adaptive_backoff), 0,
532     "enable H-TCP adaptive backoff");
533 SYSCTL_UINT(_net_inet_tcp_cc_htcp, OID_AUTO, rtt_scaling,
534     CTLFLAG_VNET | CTLFLAG_RW, &VNET_NAME(htcp_rtt_scaling), 0,
535     "enable H-TCP RTT scaling");
536
537 DECLARE_CC_MODULE(htcp, &htcp_cc_algo);
538 MODULE_VERSION(htcp, 1);