TCP拥塞控制算法内核实现剖析（九）

内核版本：3.2.12
主要源文件：linux-3.2.12/ net/ ipv4/ tcp_westwood.c

本文主要分析westwood的实现，作者zhangskd @ csdn

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概要

westwood采用和Reno相同的慢启动算法、拥塞避免算法。

westwood的主要改进方面：在发送端做带宽估计，当探测到丢包时，根据带宽值来设置拥塞窗口、

慢启动阈值。

原理

（1）怎样根据测量的带宽(bw_est)来设置拥塞窗口和慢启动阈值？

网络容量(Capacity) = BDP + Queue

当发生拥塞时，bw_est为此连接能占有的最大带宽，此时Capacity = bw_est * RTTmax。

那么此时最理想的snd_cwnd应该充分利用BDP，同时使Queue为空。

所以，ssthresh = bw_est * RTTmin。

当此次丢包是由duplicate ACKs引起时：

如果snd_cwnd > ssthresh，那么snd_cwnd = ssthresh。

当此次丢包是由RTO引起时：

snd_cwnd = 1。

（2）可用带宽(bw_est)是如何测量的呢？

westwood每经过一个RTT测量一次带宽。

假设经过的时间为delta，在此段时间内发送完成的数据量为bk字节。

则此采样值为：bk / delta。

和RTO的计算一样，采样得到的值可能会有偏差，所以还需要进行平滑处理。

经过平滑处理，可以消除掉那些异常的值，得到较为平均和准确的带宽值。

当得到一个新的带宽样本bk/delta时，进行如下处理：

(bw_ns_est为带宽处理的一个中间变量，bw_est为最终的带宽值)

1) 此样本为第一个测量样本

bw_ns_est = bk / delta ;

bw_est = bk / delta ;

2) 此样本为第k个测量样本，k>1

bw_ns_est(k) = (7/8) * bw_ns_est(k-1) + (1/8) * bk / delta ;

bw_est(k) = (7/8) * bw_est(k-1) + (1/8) * bw_ns_est(k) ;

综合来看：

bw_est(k) = (7/8) * bw_est(k-1) + (7/64) * bw_ns_est(k-1) + (1/64) * bk / delta

新的测量样本(bk / delta)只占最终带宽值的1/64，可见带宽值的更新是比较缓慢的，异常情况（如丢包）

对带宽的影响较为有限。

（3）如何根据ACK计算其确认的数据量呢？

之所以要考虑这个问题，是因为带宽的估计值不仅在Open态更新，而且在其他状态，

如CWR、Recovery、Loss状态也进行更新。而且还要考虑到delayed ACK。

1）处于快速路径

说明此数据包是顺序接收的，通过首部预测检验。

在这种状态下，收到的ACK会使tp->snd_una前进，所以可以通过：

w->bk += tp->snd_una - w->snd_una;

w->snd_una = tp->snd_una;

来计数确认的数据量。

2）处于慢速路径

说明此时数据包不是顺序接收的，没有通过首部预测检验，需要全面的校验。

在这种状态下，收到的ACK不一定使tp->snd_una前进。

这时收到的ACK可能是：delayed ACK、partial ACK、duplicate ACK、

cumulative ACK following a retransmission event.

这时候的处理方法可以见下文的westwood_acked_count()分析。

参数与变量

#define TCP_WESTWOOD_RTT_MIN (HZ/20) /* 50ms */

RTT的最小值为50ms，带宽至少50ms才计算一次。

#define TCP_WESTWOOD_INIT_RTT (20 * HZ) /* maybe too conservative */

RTT的初始值为20s，显然这个值太保守了。

/* TCP Westwood structure */

struct westwood {
/* first bandwidth estimation...not too smoothed */
u32 bw_ns_est; /* 经过一次平滑后的带宽值*/
u32 bw_est; /* bandwidth estimate，最终的带宽值 */
u32 rtt_win_sx; /* here starts a new evaluation，采样周期的起始点，一个RTT后结束*/
u32 bk; /* bytes acked，在测量时间内确认的字节数*/
/* used for evaluating the number of acked bytes，用于计算bk*/
u32 snd_una;
u32 cumul_ack; /* 在慢速路径下，一个ACK确认的数据量*/
u32 accounted; /* 在慢速路径下，收到的重复数据包个数*/
u32 rtt; /* 当前RTT的值，每收到一个ACK都更新 */
u32 rtt_min; /* minimum observed RTT，最小RTT*/
u32 first_ack; /* flag which infers that this is the first ack */
u32 reset_rtt_min; /* Reset RTT min to next RTT sample */
};

static struct tcp_congestion_ops tcp_westwood __read_mostly = {
.init = tcp_westwood_init,
.ssthresh = tcp_reno_ssthresh,
.cong_avoid = tcp_reno_cong_avoid,
.min_cwnd = tcp_westwood_bw_rttmin,
.cwnd_event = tcp_westwood_event,
.get_info = tcp_westwood_info,
.pkts_acked = tcp_westwood_pkts_acked,
.owner = THIS_MODULE,
.name = "westwood"
};

函数

westwood初始化函数。

/*
* @tcp_westwood_create
* This function initializes fields used in TCP Westwood+,
* it is called after the initial SYN, so the sequence numbers
* are correct but new passive connections we have no
* information about RTTmin at this time so we simply set it to
* TCP_WESTWOOD_INIT_RTT. This value was chosen to be too
* conservative since in this way we're sure it will be updated in a
* consistent way as soon as possible. It will reasonably happen
* within the first RTT period of the connection lifetime.
*/

static void tcp_westwood_init (struct sock *sk)
{
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

w->bk = 0;
w->bw_ns_est = 0;
w->bw_est = 0;
w->accounted = 0;
w->cumul_ack = 0;
w->reset_rtt_min = 1;
w->rtt_min = w->rtt = TCP_WESTWOOD_INIT_RTT;
w->rtt_win_sx = tcp_time_stamp;
w->snd_una = tcp_sk(sk)->snd_una;
w->first_ack = 1;
}

此函数在丢包后调用，根据带宽来设置拥塞窗口和慢启动阈值。

(更加具体的调用时机下文会分析)

/*
* TCP Westwood
* Here limit is evaluated as Bw estimation * RTTmin (for obtaining it
* in packets we use mss_cahe). Return value is guaranteed to be >= 2
* so avoid ever returning 0.
*/

static u32 tcp_westwood_bw_rttmin (const struct sock *sk)
{
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
const struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

return max_t (u32, (w->bw_est * w->rtt_min) / tp->mss_cache, 2);
}

带宽过滤器如下：

/*
* @westwood_do_filter
* Low-pass filter. Implemented using constant coefficients.
*/

static inline u32 westwood_do_filter (u32 a, u32 b)
{
return ((7 * a) + b) >> 3;
}

static void westwood_filter (struct westwood *w, u32 delta)
{
/* If the filter is empty fill it with the first sample of bandwidth */
/* 如果是第一次得到带宽测量样本*/
if (w->bw_ns_est == 0 && w->bw_est == 0) {
w->bw_ns_est = w->bk / delta;
w->bw_est = w->bw_ns_est;

} else { /*已经有收到过测量样本了*/
w->bw_ns_est = westwood_do_filter(w->bw_ns_est, w->bk / delta);
w->bw_est = westwood_do_filter(w->bw_est, w->bw_ns_est);
}
}

每收到一个ACK时，会更新当前的RTT（w->rtt）。

/*
* @westwood_pkts_acked
* Called after processing group of packets.
* but all westwood needs is the last sample of srtt.
*/

static void tcp_westwood_pkts_acked (struct sock *sk, u32 cnt, s32 rtt)
{
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

if (rtt > 0)
w->rtt = usecs_to_jiffies(rtt);
}

每经过一个RTT后，采集一个新的测量样本，更新带宽估计值。

/*
* @westwood_update_window
* It updates RTT evaluation window if it is the right moment to do it.
* If so it calls filter for evaluating bandwidth.
*/

static void westwood_update_window (struct sock *sk)
{
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);
s32 delta = tcp_time_stamp - w->rtt_win_sx;

/* Initialize w->snd_una with the first acked sequence number in order
* fix mismatch between tp->snd_una and w->snd_una for the first
* bandwidth sample.
*/
if (w->first_ack) { /* 是第一个ACK */
w->snd_una = tcp_sk(sk)->snd_una;
w->first_ack = 0;
}

/* See if a RTT-window has passed.
* Be careful since if RTT is less than 50ms we don't filter
* but we continue building the sample.
* This minimum limit was chosen since an estimation on small
* time intervals is better to avoid ...
* Obviously on a LAN we reasonably will always have
* right_bound = left_bound + WESTWOOD_RTT_MIN
*/
if (w-rtt && delta > max_t (u32, w->rtt, TCP_WESTWOOD_RTT_MIN)) {
westwood_filter(w, delta); /* 更新带宽估计值*/
w->bk = 0; /*清零确认字节数*/
w->rtt_win_sx = tcp_time_stamp; /* 重设取样周期开始时间*/
}
}

更新最小RTT。

static inline void update_rtt_min(struct westwood *w)
{
if (w->reset_rtt_min) {
/* 当发生超时后，最小RTT可能不再准确，需要更新*/
w->rtt_min = w->rtt;

} else {
w->rtt_min = min(w->rtt, w->rtt_min); /* 更新最小RTT*/
}
}

快速路径时的带宽估计值更新。

处于快速路径时调用，说明此时收到的数据包是顺序的，此时应该处于Open状态。

这种状态下，收到新的ACK会使tp->snd_una前进。

所以，tp->snd_una - w->snd_una能代表此ACK确认的数据量。

/*
* @westwood_fast_bw
* It is called when we are in fast path. In particular it is called when
* header prediction is successful. In such case in fact update is
* straight forward and doesn't need any particular care.
*/

static inline void westwood_fast_bw(struct sock *sk)
{
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

westwood_update_window(sk); /* 更新带宽估计值*/

w->bk += tp->snd_una - w->snd_una; /* 累计确认的字节数*/
w->snd_una = tp->snd_una;

update_rtt_min(w); /* 更新最小RTT*/
}

慢速路径时，计算所收到ACK确认的数据量。这时候的ACK可能是delayed ACK、partial ACK、

duplicate ACK、cumulative ACK following a retransmission event.

/*
* @westwood_acked_count
* This function evaluates cumul_ack for evaluating bk in case of delayed
* or partial acks.
*/

static inline u32 westwood_acked_count (struct sock *sk)
{
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

/* 计算此ACK确认的字节数*/
w->cumul_ack = tp->snd_una - w->snd_una;

/* If cumul_ack is 0 this is a dupack since it's no moving tp->snd_una.
* 如果cumul_ack=0，那么此ACK是dupack，代表接收端收到一个数据包，
* /
if (! w->cumul_ack) {
w->accounted += tp->mss_cache; /* 接收端保存的乱序数据包加一*/
w->cumul_ack = tp->mss_cache; /* 代表传输了一个数据包*/
}

/* 如果cumul_ack > 1，则有可能是多种情况。*/
if (w->cumul_ack > tp->mss_cache) {

/* 表示此ACK为partial ACK */
if (w->accounted >= w->cumul_ack) {
w->accounted -= w->cumul_ack;
/* 表示只确认了一个包，其它包已经被dupack确认过了*/
w->cumul_ack = tp->mss_cache;

} else {
/* delayed ack or cumulative ack，表示被延迟的确认，
* 或者结束Recovery的累积确认*/
w->cumul_ack -= w->accounted;
w->accounted = 0;
}
}

w->snd_una = tp->snd_una;
return w->cumul_ack; /* 返回此ACK确认的字节数*/
}

westwood的入口函数！以上的函数都是通过此函数调用的。

这一点跟其它TCP拥塞控制算法不太一样。

static void tcp_westwood_event (struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

switch(event) {

case CA_EVENT_FAST_ACK:
/* 处于快速路径时，用此函数更新w->bw_est和w->rtt_min */
westwood_fast_bw(sk);
break;

case CA_EVENT_COMPLETE_CWR:
/* 退出Recovery或CWR状态时，进行拥塞窗口和慢启动阈值设置*/
tp->snd_cwnd = tp->snd_ssthresh = tcp_westwood_bw_rttmin(sk);
break;

case CA_EVENT_FRTO:
/* 当RTO超时时，会先进行FRTO检测，这时可设置慢启动阈值，
* 而拥塞窗口则设置为1.
*/
tp->snd_ssthresh = tcp_westwood_bw_rttmin(sk);
/* Update RTT_min when next ack arrives，如果超时了，那么
* 最小RTT可能不准确，需要重新设置
*/
w->reset_rtt_min = 1;
break;

case CA_EVENT_SLOW_ACK:
/* 处于慢速路径时，这时候的拥塞状态可能是CWR、Recovery、Loss等。
* 必须采用westwood_acked_count()来统计此ACK确认的数据量。
* 同时也进行w->bw_est和w->rtt_min的更新。
*/
westwood_update_window(sk);
w->bk += westwood_acked_count(sk);
update_rtt_min(w);
break;

default :
/* don't care，对其它的事件则不做响应*/
break;
}
}

性能

westwood在丢包率较高的无线网络中表现较好。

Reno对随机丢包和拥塞丢包都较为敏感，随机丢包会导致Reno不必要的降低拥塞窗口和慢启动阈值。

在westwood算法中，需要强调的一点是：丢包对带宽的影响不大。

每个RTT采样一次带宽值，而这次样本只占bw_est的1/64。丢包后进入快速恢复阶段，尽管在快速恢复阶段

中得到的几个采样值较小，但是整体的bw_est却没有太大的减小。

来看一下为什么westwood对随机丢包不敏感。

（1）随机丢包

丢包前：cwnd = bw_est * RTT

丢包后：cwnd = bw_est * RTTmin

因为是随机丢包，所以丢包前的RTT只是比RTTmin略大。丢包后的bw_est也只是微略减小。

所以丢包后的cwnd只是微略的减小。

（2）拥塞丢包

丢包前：cwnd = bw_est * RTTmax => BDP + Queue

丢包后：cwnd = bw_est * RTTmin => BDP

因为是拥塞丢包，所以丢包前的bw_est已经是连接的最大带宽，并且时延也达到了最大值。

这是丢包后就达到了完全利用BDP，同时使Queue为空的效果。

可以看到，westwood对随机丢包和拥塞丢包采取同样的算法来处理，却能达到不同的效果。

但是，westwood不能主动的区分随机丢包和拥塞丢包。