H-TCP擁塞算法

根據對AIMD擁塞算法的觀察，對於傳統網絡，增加值α應當足夠小，以便於同傳統TCP擁塞算法（Reno/NewReno）相兼容；而對於高速和長距離（high-speed and long distance）網絡，可增大α的值，以便獲取額外的帶寬。基於以上判斷，H-TCP通過動態的調整α和β的值，來達到合理利用高速長距離網絡的帶寬，而又可在傳統網絡中與標準TCP保持友善性的目的。

在高速模式下，增長參數α的值等於 $\alpha^{H}(\Delta )$ .在低速模式下，增長參數alpha的值等於 $\alpha^{L}$ 。如下所示：

$\alpha \leftarrow \begin{cases} \alpha ^{L} & \text{ if } \Delta \leq \Delta ^{L} \\ \alpha ^{H}\left ( \Delta \right ) & \text{ if } \Delta > \Delta ^{L} \end{cases}$

Delta是上次發生擁塞以來所經過的時間，α-L是低速階段的增長參數，主要用於向後兼容。α-H是高速階段的增長參數。兩者模式的切換由Delta-L決定。

係數beta用於發生擁塞時減少窗口值，如果減少過多，吞吐將受到影響，如下吞吐的計算(降低後窗口值/RTT)：

$\frac{\beta \omega (k)}{RTT_{min}}$

HTCP通過以下公式計算β的值，由於最大RTT與最小RTT的差值，受到瓶頸鍊路的報文緩存的影響，β值的選擇有助於在擁塞發生之後，瓶頸鍊路清空其緩存隊列：

$\beta = \frac{RTT_{min}}{RTT_{max}}$

初始化

H-TCP的預設參數有以下三個，定義了α的值，以及β的取值範圍：

#define ALPHA_BASE  (1<<7)  /* 1.0 with shift << 7 */
#define BETA_MIN    (1<<6)  /* 0.5 with shift << 7 */
#define BETA_MAX    102 /* 0.8 with shift << 7 */

H-TCP模塊參數use_bandwidth_switch可控制是否啓用低速到高速網絡算法的轉換，默認值爲1。模塊參數use_rtt_scaling默認值爲1，通過開啓RTT擴展功能，alpha的值可不再依賴於RTT，這樣在擁塞發生到恢復之前窗口值的時長將不再取決於RTT。

static int use_rtt_scaling __read_mostly = 1;
module_param(use_rtt_scaling, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(use_rtt_scaling, "turn on/off RTT scaling");

static int use_bandwidth_switch __read_mostly = 1;
module_param(use_bandwidth_switch, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(use_bandwidth_switch, "turn on/off bandwidth switcher");

在初始化過程中，α的值設置爲1（ALPHA_BASE），β的值設置爲0.5（BETA_MIN），與傳統的TCP擁塞算法一致。每個RTT週期擁塞窗口增加1，擁塞發生時窗口減半。可見，此時H-TCP與傳統TCP行爲一致（TCP-friendliness）。

static void htcp_init(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    memset(ca, 0, sizeof(struct htcp));
    ca->alpha = ALPHA_BASE;
    ca->beta = BETA_MIN;
    ca->pkts_acked = 1;
    ca->last_cong = jiffies;
}

ACK報文處理

在處理ACK報文時，函數measure_achieved_throughput得到調用。變量pkts_acked表示此ACK確認的報文數量，如果RTT有值，調用measure_rtt更新H-TCP記錄的最小和最大RTT值。

static void measure_achieved_throughput(struct sock *sk, const struct ack_sample *sample)
{
    const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    u32 now = tcp_jiffies32;

    if (icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open)
        ca->pkts_acked = sample->pkts_acked;

    if (sample->rtt_us > 0)
        measure_rtt(sk, usecs_to_jiffies(sample->rtt_us));

    if (!use_bandwidth_switch)
        return;

如果發生擁塞，清空報文計數，記錄下發生時刻的時間戳，結束處理，不進行吞吐計算。

    /* achieved throughput calculations */
    if (!((1 << icsk->icsk_ca_state) & (TCPF_CA_Open | TCPF_CA_Disorder))) {
        ca->packetcount = 0;
        ca->lasttime = now;
        return;
    }

否則，遞增報文統計計數（packetcount ）。帶寬的計算週期爲最小RTT，即每個minRTT時長計算帶寬值，帶寬計算還需滿足另一個條件，即確認報文數量（packetcount）要大於alpha的值。帶寬的計算爲報文數量除以時長（擁塞發生到當前時刻的時長）。

如果發生擁塞時刻距今未超過3個minRTT週期，將當前計算的帶寬值賦值給最大帶寬（maxB）、最小帶寬（minB）和平均帶寬（Bi），此時二者相等。

否則，平均帶寬（Bi）等於3/4倍的之前平均帶寬Bi加上1/4倍的當前帶寬。使用平均帶寬Bi更新最大和最小帶寬（H-TCP未使用minB，在計算beta值時，將用到maxB值）。

    ca->packetcount += sample->pkts_acked;

    if (ca->packetcount >= tp->snd_cwnd - (ca->alpha >> 7 ? : 1) &&
        now - ca->lasttime >= ca->minRTT &&
        ca->minRTT > 0) {
        __u32 cur_Bi = ca->packetcount * HZ / (now - ca->lasttime);

        if (htcp_ccount(ca) <= 3) {
            /* just after backoff */
            ca->minB = ca->maxB = ca->Bi = cur_Bi;
        } else {
            ca->Bi = (3 * ca->Bi + cur_Bi) / 4;
            if (ca->Bi > ca->maxB)
                ca->maxB = ca->Bi;
            if (ca->minB > ca->maxB)
                ca->minB = ca->maxB;
        }
        ca->packetcount = 0;
        ca->lasttime = now;

子函數measure_rtt用於追蹤當前連接的最小RTT和最大RTT值。注意，最大RTT值的更新發生在TCP_CA_Open狀態，一方面maxRTT的值不應小於minRTT，另一方面，maxRTT值的增加每次不超過20毫秒的限值。

static inline void measure_rtt(struct sock *sk, u32 srtt)
{
    const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    /* keep track of minimum RTT seen so far, minRTT is zero at first */
    if (ca->minRTT > srtt || !ca->minRTT)
        ca->minRTT = srtt;

    /* max RTT */
    if (icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open) {
        if (ca->maxRTT < ca->minRTT)
            ca->maxRTT = ca->minRTT;
        if (ca->maxRTT < srtt && srtt <= ca->maxRTT + msecs_to_jiffies(20))
            ca->maxRTT = srtt;

函數htcp_ccount返回擁塞發生到當前時刻的時長，經過了多少個minRTT週期。

static inline u32 htcp_ccount(const struct htcp *ca)
{
    return htcp_cong_time(ca) / ca->minRTT;
}

慢啓動閾值

函數htcp_recalc_ssthresh計算慢啓動閾值ssthresh，即將當前擁塞窗口乘以係數β（beta>>7 = β），將ssthresh閾值限定在2以上。同時，調用函數htcp_param_update更新H-TCP參數。

static u32 htcp_recalc_ssthresh(struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    const struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    htcp_param_update(sk);
    return max((tp->snd_cwnd * ca->beta) >> 7, 2U);

根據最小RTT和最大RTT時長，更新β參數，隨後更新α參數。

/*
 * After we have the rtt data to calculate beta, we'd still prefer to wait one
 * rtt before we adjust our beta to ensure we are working from a consistent
 * data.
 *
 * This function should be called when we hit a congestion event since only at
 * that point do we really have a real sense of maxRTT (the queues en route
 * were getting just too full now).
 */
static void htcp_param_update(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    u32 minRTT = ca->minRTT;
    u32 maxRTT = ca->maxRTT;

    htcp_beta_update(ca, minRTT, maxRTT);
    htcp_alpha_update(ca);

    /* add slowly fading memory for maxRTT to accommodate routing changes */
    if (minRTT > 0 && maxRTT > minRTT)
        ca->maxRTT = minRTT + ((maxRTT - minRTT) * 95) / 100;
}

更新beta參數，由函數htcp_beta_update完成。如果開啓H-TCP模式轉換，並且當前帶寬maxB滿足以下條件，將beta設置爲最小值BETA_MIN（0.5<<7），清空modeswitch，進入低速模式。

$maxB \Rightarrow [\frac{4}{5} * oldmaxB, \frac{6}{5} * oldmaxB]$

即無論是最大帶寬maxB太大或者太小，只要變化範圍超出以上定義，都將關閉modeswitch模式，beta重設爲與標準TCP一致的值（BETA_MIN）。

static inline void htcp_beta_update(struct htcp *ca, u32 minRTT, u32 maxRTT)
{
    if (use_bandwidth_switch) {
        u32 maxB = ca->maxB;
        u32 old_maxB = ca->old_maxB;

        ca->old_maxB = ca->maxB;
        if (!between(5 * maxB, 4 * old_maxB, 6 * old_maxB)) {
            ca->beta = BETA_MIN;
            ca->modeswitch = 0;
            return;
        }
    }

如果以上條件不成立，當前H-TCP位於高速模式，最小minRTT大於10毫秒，並且maxRTT不爲零，調整β的值爲等於minRTT/maxRTT（beta = β << 7），beta的最終值不能小於BETA_MIN，不能大於BETA_MAX，取值區間爲：[BETA_MIN, BETA_MAX]，真實的β取值爲：[0.5, 0.8]。

否則，當前處於低速模式，或者最小RTT的值小於等於10毫秒，將beta的值調整爲BETA_MIN，並且開啓高速模式。如此小的RTT值，beta恢復原值，與標準TCP保持一致。

    if (ca->modeswitch && minRTT > msecs_to_jiffies(10) && maxRTT) {
        ca->beta = (minRTT << 7) / maxRTT;
        if (ca->beta < BETA_MIN)
            ca->beta = BETA_MIN;
        else if (ca->beta > BETA_MAX)
            ca->beta = BETA_MAX;
    } else {
        ca->beta = BETA_MIN;
        ca->modeswitch = 1;
    }

alpha值的調整由函數htcp_alpha_update完成，對於H-TCP，α值與擁塞發生的時長成比例，函數htcp_cong_time用於計算這段時間長度。

static inline u32 htcp_cong_time(const struct htcp *ca)
{
    return jiffies - ca->last_cong;
}

α值的計算公式如下：

$\alpha \leftarrow \begin{cases} 1 & \text{ if } \Delta \leq \Delta ^{L} \\ 1 + 10(\Delta - \Delta ^{L}) + \left ( \frac{\Delta - \Delta ^{L}}{2} \right )^{2} & \text{ if } \Delta > \Delta ^{L} \end{cases}$

之後：

$\alpha \leftarrow 2\left ( 1-\beta \right )\alpha$

對於H-TCP，delta-L取值HZ（1秒鐘）。

static inline void htcp_alpha_update(struct htcp *ca)
{
    u32 minRTT = ca->minRTT;
    u32 factor = 1;
    u32 diff = htcp_cong_time(ca);

    if (diff > HZ) {
        diff -= HZ;
        factor = 1 + (10 * diff + ((diff / 2) * (diff / 2) / HZ)) / HZ;
    }

如果開啓了RTT擴展係數功能（use_rtt_scaling），使用擴展係數scale修正因數factor的值。如下，scale值等於HZ除以10倍的minRTT的值，範圍限定在[0.5, 10]，反之過小或者過大的RTT值引發的不當行爲。最後因數factor除以scale得到最終的值。

    if (use_rtt_scaling && minRTT) {
        u32 scale = (HZ << 3) / (10 * minRTT);

        /* clamping ratio to interval [0.5,10]<<3 */
        scale = min(max(scale, 1U << 2), 10U << 3);
        factor = (factor << 3) / scale;
        if (!factor)
            factor = 1;
    }

    ca->alpha = 2 * factor * ((1 << 7) - ca->beta);
    if (!ca->alpha)   ca->alpha = ALPHA_BASE;
}

擁塞避免

在擁塞避免處理函數htcp_cong_avoid中，如果數據發送被沒有因爲擁塞窗口而受到限制，不做處理。在SlowStart階段，H-TCP的處理與標準TCP相同。在TCP擁塞避免階段，由變量snd_cwnd_cnt記錄確認的報文總數，如果當前確認報文總數與alpha的乘積大於擁塞窗口時，將擁塞窗口增加一，對於標準TCP，α的值爲1，即僅當確認報文數量等於擁塞窗口時，才能加一（每個RTT週期加一）。對於H-TCP，如果α大於一，擁塞窗口將加速增長。

擁塞窗口增長之後，復位snd_cwnd_cnt計數，並且更新alpha的值，由以上介紹的函數htcp_alpha_update實現。

static void htcp_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack, u32 acked)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    if (!tcp_is_cwnd_limited(sk)) return;

    if (tcp_in_slow_start(tp))
        tcp_slow_start(tp, acked);
    else {
        /* In dangerous area, increase slowly.
         * In theory this is tp->snd_cwnd += alpha / tp->snd_cwnd
         */
        if ((tp->snd_cwnd_cnt * ca->alpha)>>7 >= tp->snd_cwnd) {
            if (tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp)
                tp->snd_cwnd++;
            tp->snd_cwnd_cnt = 0;
            htcp_alpha_update(ca);
        } else
            tp->snd_cwnd_cnt += ca->pkts_acked;

        ca->pkts_acked = 1;

TCP擁塞狀態變化

對於H-TCP，進入TCP_CA_Open狀態，表明擁塞結束，記錄下擁塞發生的時間戳，清空undo_last_cong標誌，確定發生擁塞，不在需要undo撤銷操作。在CWR/Recovery/Loss狀態，復位H-TCP。

static void htcp_state(struct sock *sk, u8 new_state)
{
    switch (new_state) {
    case TCP_CA_Open:
        {
            struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    
            if (ca->undo_last_cong) {
                ca->last_cong = jiffies;
                ca->undo_last_cong = 0;
            }
        }
        break;
    case TCP_CA_CWR:
    case TCP_CA_Recovery:
    case TCP_CA_Loss:
        htcp_reset(inet_csk_ca(sk));
        break;

在進入CWR/Recovery/Loss狀態時，調用復位函數，記錄下H-TCP相關參數，包括undo相關參數。更新擁塞發生時刻的時間戳。記錄undo參數以便在執行擁塞窗口撤銷時進行恢復。

static inline void htcp_reset(struct htcp *ca)
{
    ca->undo_last_cong = ca->last_cong;
    ca->undo_maxRTT = ca->maxRTT;
    ca->undo_old_maxB = ca->old_maxB;

    ca->last_cong = jiffies;
}

擁塞窗口撤銷

H-TCP的擁塞窗口撤銷函數htcp_cwnd_undo借用了Reno的撤銷函數，在此之前，使用undo保存的變量恢復之前的狀態，參見上一節的htcp_reset函數。

static u32 htcp_cwnd_undo(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    if (ca->undo_last_cong) {
        ca->last_cong = ca->undo_last_cong;
        ca->maxRTT = ca->undo_maxRTT;
        ca->old_maxB = ca->undo_old_maxB;
        ca->undo_last_cong = 0;
    }

    return tcp_reno_undo_cwnd(sk);

關於H-TCP算法，詳細內容參見文檔：H-TCP: TCP for high-speed and long-distance networks

內核版本 5.0

初始化

ACK報文處理

慢啓動閾值

擁塞避免

TCP擁塞狀態變化

擁塞窗口撤銷

DPDK-l3fwd示例IPv6測試

測試DPDK示例程序l3fwd

TCP-Westwood擁塞算法

TCP-Hybla擁塞算法

SACK Reneging

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結