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/malloc.h>
  56 #include <sys/module.h>
  57 #include <sys/socket.h>
  58 #include <sys/socketvar.h>
  59 #include <sys/sysctl.h>
  60 #include <sys/systm.h>
  61
  62 #include <net/vnet.h>
  63
  64 #include <netinet/tcp.h>
  65 #include <netinet/tcp_seq.h>
  66 #include <netinet/tcp_timer.h>
  67 #include <netinet/tcp_var.h>
  68 #include <netinet/cc/cc.h>
  69 #include <netinet/cc/cc_cubic.h>
  70 #include <netinet/cc/cc_module.h>
  71
  72 static void     cubic_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type);
  73 static void     cubic_cb_destroy(struct cc_var *ccv);
  74 static int      cubic_cb_init(struct cc_var *ccv);
  75 static void     cubic_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type);
  76 static void     cubic_conn_init(struct cc_var *ccv);
  77 static int      cubic_mod_init(void);
  78 static void     cubic_post_recovery(struct cc_var *ccv);
  79 static void     cubic_record_rtt(struct cc_var *ccv);
  80 static void     cubic_ssthresh_update(struct cc_var *ccv);
  81
  82 struct cubic {
  83         /* Cubic K in fixed point form with CUBIC_SHIFT worth of precision. */
  84         int64_t         K;
  85         /* Sum of RTT samples across an epoch in ticks. */
  86         int64_t         sum_rtt_ticks;
  87         /* cwnd at the most recent congestion event. */
  88         unsigned long   max_cwnd;
  89         /* cwnd at the previous congestion event. */
  90         unsigned long   prev_max_cwnd;
  91         /* Number of congestion events. */
  92         uint32_t        num_cong_events;
  93         /* Minimum observed rtt in ticks. */
  94         int             min_rtt_ticks;
  95         /* Mean observed rtt between congestion epochs. */
  96         int             mean_rtt_ticks;
  97         /* ACKs since last congestion event. */
  98         int             epoch_ack_count;
  99         /* Time of last congestion event in ticks. */
 100         int             t_last_cong;
 101 };
 102
 103 static MALLOC_DEFINE(M_CUBIC, "cubic data",
 104     "Per connection data required for the CUBIC congestion control algorithm");
 105
 106 struct cc_algo cubic_cc_algo = {
 107         .name = "cubic",
 108         .ack_received = cubic_ack_received,
 109         .cb_destroy = cubic_cb_destroy,
 110         .cb_init = cubic_cb_init,
 111         .cong_signal = cubic_cong_signal,
 112         .conn_init = cubic_conn_init,
 113         .mod_init = cubic_mod_init,
 114         .post_recovery = cubic_post_recovery,
 115 };
 116
 117 static void
 118 cubic_ack_received(struct cc_var *ccv, uint16_t type)
 119 {
 120         struct cubic *cubic_data;
 121         unsigned long w_tf, w_cubic_next;
 122         int ticks_since_cong;
 123
 124         cubic_data = ccv->cc_data;
 125         cubic_record_rtt(ccv);
 126
 127         /*
 128          * Regular ACK and we're not in cong/fast recovery and we're cwnd
 129          * limited and we're either not doing ABC or are slow starting or are
 130          * doing ABC and we've sent a cwnd's worth of bytes.
 131          */
 132         if (type == CC_ACK && !IN_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags)) &&
 133             (ccv->flags & CCF_CWND_LIMITED) && (!V_tcp_do_rfc3465 ||
 134             CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh) ||
 135             (V_tcp_do_rfc3465 && ccv->flags & CCF_ABC_SENTAWND))) {
 136                  /* Use the logic in NewReno ack_received() for slow start. */
 137                 if (CCV(ccv, snd_cwnd) <= CCV(ccv, snd_ssthresh) ||
 138                     cubic_data->min_rtt_ticks == TCPTV_SRTTBASE)
 139                         newreno_cc_algo.ack_received(ccv, type);
 140                 else {
 141                         ticks_since_cong = ticks - cubic_data->t_last_cong;
 142
 143                         /*
 144                          * The mean RTT is used to best reflect the equations in
 145                          * the I-D. Using min_rtt in the tf_cwnd calculation
 146                          * causes w_tf to grow much faster than it should if the
 147                          * RTT is dominated by network buffering rather than
 148                          * propagation delay.
 149                          */
 150                         w_tf = tf_cwnd(ticks_since_cong,
 151                             cubic_data->mean_rtt_ticks, cubic_data->max_cwnd,
 152                             CCV(ccv, t_maxseg));
 153
 154                         w_cubic_next = cubic_cwnd(ticks_since_cong +
 155                             cubic_data->mean_rtt_ticks, cubic_data->max_cwnd,
 156                             CCV(ccv, t_maxseg), cubic_data->K);
 157
 158                         ccv->flags &= ~CCF_ABC_SENTAWND;
 159
 160                         if (w_cubic_next < w_tf)
 161                                 /*
 162                                  * TCP-friendly region, follow tf
 163                                  * cwnd growth.
 164                                  */
 165                                 CCV(ccv, snd_cwnd) = w_tf;
 166
 167                         else if (CCV(ccv, snd_cwnd) < w_cubic_next) {
 168                                 /*
 169                                  * Concave or convex region, follow CUBIC
 170                                  * cwnd growth.
 171                                  */
 172                                 if (V_tcp_do_rfc3465)
 173                                         CCV(ccv, snd_cwnd) = w_cubic_next;
 174                                 else
 175                                         CCV(ccv, snd_cwnd) += ((w_cubic_next -
 176                                             CCV(ccv, snd_cwnd)) *
 177                                             CCV(ccv, t_maxseg)) /
 178                                             CCV(ccv, snd_cwnd);
 179                         }
 180
 181                         /*
 182                          * If we're not in slow start and we're probing for a
 183                          * new cwnd limit at the start of a connection
 184                          * (happens when hostcache has a relevant entry),
 185                          * keep updating our current estimate of the
 186                          * max_cwnd.
 187                          */
 188                         if (cubic_data->num_cong_events == 0 &&
 189                             cubic_data->max_cwnd < CCV(ccv, snd_cwnd))
 190                                 cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 191                 }
 192         }
 193 }
 194
 195 static void
 196 cubic_cb_destroy(struct cc_var *ccv)
 197 {
 198         free(ccv->cc_data, M_CUBIC);
 199 }
 200
 201 static int
 202 cubic_cb_init(struct cc_var *ccv)
 203 {
 204         struct cubic *cubic_data;
 205
 206         cubic_data = malloc(sizeof(struct cubic), M_CUBIC, M_NOWAIT|M_ZERO);
 207
 208         if (cubic_data == NULL)
 209                 return (ENOMEM);
 210
 211         /* Init some key variables with sensible defaults. */
 212         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 213         cubic_data->min_rtt_ticks = TCPTV_SRTTBASE;
 214         cubic_data->mean_rtt_ticks = 1;
 215
 216         ccv->cc_data = cubic_data;
 217
 218         return (0);
 219 }
 220
 221 /*
 222  * Perform any necessary tasks before we enter congestion recovery.
 223  */
 224 static void
 225 cubic_cong_signal(struct cc_var *ccv, uint32_t type)
 226 {
 227         struct cubic *cubic_data;
 228
 229         cubic_data = ccv->cc_data;
 230
 231         switch (type) {
 232         case CC_NDUPACK:
 233                 if (!IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 234                         if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 235                                 cubic_ssthresh_update(ccv);
 236                                 cubic_data->num_cong_events++;
 237                                 cubic_data->prev_max_cwnd = cubic_data->max_cwnd;
 238                                 cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 239                         }
 240                         ENTER_RECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 241                 }
 242                 break;
 243
 244         case CC_ECN:
 245                 if (!IN_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 246                         cubic_ssthresh_update(ccv);
 247                         cubic_data->num_cong_events++;
 248                         cubic_data->prev_max_cwnd = cubic_data->max_cwnd;
 249                         cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 250                         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 251                         CCV(ccv, snd_cwnd) = CCV(ccv, snd_ssthresh);
 252                         ENTER_CONGRECOVERY(CCV(ccv, t_flags));
 253                 }
 254                 break;
 255
 256         case CC_RTO:
 257                 /*
 258                  * Grab the current time and record it so we know when the
 259                  * most recent congestion event was. Only record it when the
 260                  * timeout has fired more than once, as there is a reasonable
 261                  * chance the first one is a false alarm and may not indicate
 262                  * congestion.
 263                  */
 264                 if (CCV(ccv, t_rxtshift) >= 2) {
 265                         cubic_data->num_cong_events++;
 266                         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 267                 }
 268                 break;
 269         }
 270 }
 271
 272 static void
 273 cubic_conn_init(struct cc_var *ccv)
 274 {
 275         struct cubic *cubic_data;
 276
 277         cubic_data = ccv->cc_data;
 278
 279         /*
 280          * Ensure we have a sane initial value for max_cwnd recorded. Without
 281          * this here bad things happen when entries from the TCP hostcache
 282          * get used.
 283          */
 284         cubic_data->max_cwnd = CCV(ccv, snd_cwnd);
 285 }
 286
 287 static int
 288 cubic_mod_init(void)
 289 {
 290
 291         cubic_cc_algo.after_idle = newreno_cc_algo.after_idle;
 292
 293         return (0);
 294 }
 295
 296 /*
 297  * Perform any necessary tasks before we exit congestion recovery.
 298  */
 299 static void
 300 cubic_post_recovery(struct cc_var *ccv)
 301 {
 302         struct cubic *cubic_data;
 303         int pipe;
 304
 305         cubic_data = ccv->cc_data;
 306         pipe = 0;
 307
 308         /* Fast convergence heuristic. */
 309         if (cubic_data->max_cwnd < cubic_data->prev_max_cwnd)
 310                 cubic_data->max_cwnd = (cubic_data->max_cwnd * CUBIC_FC_FACTOR)
 311                     >> CUBIC_SHIFT;
 312
 313         if (IN_FASTRECOVERY(CCV(ccv, t_flags))) {
 314                 /*
 315                  * If inflight data is less than ssthresh, set cwnd
 316                  * conservatively to avoid a burst of data, as suggested in
 317                  * the NewReno RFC. Otherwise, use the CUBIC method.
 318                  *
 319                  * XXXLAS: Find a way to do this without needing curack
 320                  */
 321                 if (V_tcp_do_rfc6675_pipe)
 322                         pipe = tcp_compute_pipe(ccv->ccvc.tcp);
 323                 else
 324                         pipe = CCV(ccv, snd_max) - ccv->curack;
 325
 326                 if (pipe < CCV(ccv, snd_ssthresh))
 327                         CCV(ccv, snd_cwnd) = pipe + CCV(ccv, t_maxseg);
 328                 else
 329                         /* Update cwnd based on beta and adjusted max_cwnd. */
 330                         CCV(ccv, snd_cwnd) = max(1, ((CUBIC_BETA *
 331                             cubic_data->max_cwnd) >> CUBIC_SHIFT));
 332         }
 333         cubic_data->t_last_cong = ticks;
 334
 335         /* Calculate the average RTT between congestion epochs. */
 336         if (cubic_data->epoch_ack_count > 0 &&
 337             cubic_data->sum_rtt_ticks >= cubic_data->epoch_ack_count) {
 338                 cubic_data->mean_rtt_ticks = (int)(cubic_data->sum_rtt_ticks /
 339                     cubic_data->epoch_ack_count);
 340         }
 341
 342         cubic_data->epoch_ack_count = 0;
 343         cubic_data->sum_rtt_ticks = 0;
 344         cubic_data->K = cubic_k(cubic_data->max_cwnd / CCV(ccv, t_maxseg));
 345 }
 346
 347 /*
 348  * Record the min RTT and sum samples for the epoch average RTT calculation.
 349  */
 350 static void
 351 cubic_record_rtt(struct cc_var *ccv)
 352 {
 353         struct cubic *cubic_data;
 354         int t_srtt_ticks;
 355
 356         /* Ignore srtt until a min number of samples have been taken. */
 357         if (CCV(ccv, t_rttupdated) >= CUBIC_MIN_RTT_SAMPLES) {
 358                 cubic_data = ccv->cc_data;
 359                 t_srtt_ticks = CCV(ccv, t_srtt) / TCP_RTT_SCALE;
 360
 361                 /*
 362                  * Record the current SRTT as our minrtt if it's the smallest
 363                  * we've seen or minrtt is currently equal to its initialised
 364                  * value.
 365                  *
 366                  * XXXLAS: Should there be some hysteresis for minrtt?
 367                  */
 368                 if ((t_srtt_ticks < cubic_data->min_rtt_ticks ||
 369                     cubic_data->min_rtt_ticks == TCPTV_SRTTBASE)) {
 370                         cubic_data->min_rtt_ticks = max(1, t_srtt_ticks);
 371
 372                         /*
 373                          * If the connection is within its first congestion
 374                          * epoch, ensure we prime mean_rtt_ticks with a
 375                          * reasonable value until the epoch average RTT is
 376                          * calculated in cubic_post_recovery().
 377                          */
 378                         if (cubic_data->min_rtt_ticks >
 379                             cubic_data->mean_rtt_ticks)
 380                                 cubic_data->mean_rtt_ticks =
 381                                     cubic_data->min_rtt_ticks;
 382                 }
 383
 384                 /* Sum samples for epoch average RTT calculation. */
 385                 cubic_data->sum_rtt_ticks += t_srtt_ticks;
 386                 cubic_data->epoch_ack_count++;
 387         }
 388 }
 389
 390 /*
 391  * Update the ssthresh in the event of congestion.
 392  */
 393 static void
 394 cubic_ssthresh_update(struct cc_var *ccv)
 395 {
 396         struct cubic *cubic_data;
 397
 398         cubic_data = ccv->cc_data;
 399
 400         /*
 401          * On the first congestion event, set ssthresh to cwnd * 0.5, on
 402          * subsequent congestion events, set it to cwnd * beta.
 403          */
 404         if (cubic_data->num_cong_events == 0)
 405                 CCV(ccv, snd_ssthresh) = CCV(ccv, snd_cwnd) >> 1;
 406         else
 407                 CCV(ccv, snd_ssthresh) = ((u_long)CCV(ccv, snd_cwnd) *
 408                     CUBIC_BETA) >> CUBIC_SHIFT;
 409 }
 410
 411
 412 DECLARE_CC_MODULE(cubic, &cubic_cc_algo);