内核版本:3.2.12

主要源文件:linux-3.2.12/ net/ ipv4/ tcp_veno.c

主要内容:Veno的原理和实现

Author:zhangskd @ csdn blog

概要

Veno结合了Vegas和Reno,故得此名。

Veno的主要目的在于区分随机丢包和无线丢包。

Vegas能够测量网络瓶颈路由器中属于此连接的数据包个数,Veno正是利用这一变量来区分随机丢包和

拥塞丢包,并采取不同的措施。

Veno也改进了窗口增长函数,当网络瓶颈路由器中属于此连接的数据包个数超过一定值时,放缓窗口增长速度。

原理

我们通过3个问题来了解Veno的原理。

(1)如何区分随机丢包和拥塞丢包?

Vegas能够测量网络瓶颈路由器中属于此连接的数据包的个数diff,并以此来进行主动的拥塞控制,避免数据包的丢失。

Veno并不进行主动的拥塞控制,而是利用diff来区分随机丢包和拥塞丢包。

当检测到丢包时:

(1) diff < 3 ,说明此时路由器缓存的数据包不多,路由器很可能没有拥塞,所以判定此丢包为随机丢包。

由于没有发生拥塞,所以拥塞窗口和阈值的减小幅度不宜太大。

拥塞窗口和阈值设置为:0.8 * snd_cwnd。

(2) diff >= 3,说明此时路由器缓存的数据包较多,路由器很可能发生拥塞,所以判定此丢包为拥塞丢包。

由于发生了拥塞,所以拥塞窗口和阈值的减小幅度需要适当加大。

拥塞窗口和阈值设置为:0.5 * snd_cwnd。

(2)拥塞窗口增长函数的改进

(1) diff < 3,说明此时路由器缓存的数据包不多,采用和Reno相同的窗口增长函数,即每个RTT后cwnd增加一个数据包。

(2) diff >= 3,说明此时路由器缓存的数据包较多,不久之后可能发生拥塞,所以应该放缓窗口增长速度,

这样就可以延迟拥塞事件的到来,使cwnd保持在接近网络容量处较长时间,从而达到减少拥塞丢包

和增加网络带宽利用率的效果。

在此期间,每两个RTT才使cwnd增加一个数据包,拥塞窗口增长速度减半。

(3)如何测量网络瓶颈路由器中属于此连接的数据包个数diff?

diiff的测量方法和Vegas中的相同,这里再简单描述下(具体可见前面blog):

期望吞吐量:Expected = cwnd / baseRTT

实际吞吐量:Actual = cwnd / minRTT

吞吐量差值:Diff = Expected - Actual

其中,baseRTT代表当路由器缓存中没有数据包时的RTT值。minRTT为上个RTT的测量值,由于此时路由器中已有数据包,

需要排队,故minRTT > baseRTT。

网络瓶颈路由器中缓存此连接的数据包个数:

diff = Diff * baseRTT = (Expected - Actual) * baseRTT

参数和变量

#define V_PARAM_SHIFT 1
static const int beta = 3 << V_PARAM_SHIFT;

beta是一个阈值,表示网络瓶颈路由器中缓存的属于此连接的数据包的拥塞临界值。

/* Veno variables */

struct veno {
        /* 表示是否使用Veno,只有在Open态才能使用。*/
        u8 doing_veno_now; 

        /* 在Vegas中是表示上个RTT内得到的RTT样本的个数,但是在Veno中却没用到,
          * 形同虚设。
          */
        u16 cntrtt;

        /* 在Vegas中表示上个RTT内得到的RTT样本中的最小值,用于过滤delayed ACK,
          * 每个RTT才重置一次。而Veno却每个ACK重置一次,所以代表即时rtt。
          */
        u32 minrtt;

        /* 连接的最小RTT,代表propagation delay。只有在连接刚建立或者idle后才重置,
          * 在其它情况下实时更新。
          */
        u32 basertt;

        /* decide whether to increase cwnd,在拥塞避免阶段使用,当diff > 3时,在0和1转换,
          * 使cwnd两个RTT才加一。
          */
        u32 inc; 

        /* calculate the diff rate,计算网络瓶颈路由器中缓存的属于此连接的数据包的个数,
          * 是衡量网络是否处于拥塞状态的标准,从而判断丢包是随机丢包还是无线丢包,
          * 判断拥塞避免阶段是否应该放缓拥塞窗口增长速度。
          */
        u32 diff;
}

函数

/* There are several situations when we must "re-start" Veno:
 * (1) when a connection is establish
 * (2) after an RTO
 * (3) after fast recovery
 * (4) when we send a packet and there is no outstanding unacknowledged
 *       data (restarting an idle connection)
 */
static inline void veno_enable (struct sock *sk)
{
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);

    /* turn on Veno */
    veno->doing_veno_now = 1;
    veno->minrtt = 0x7fffffff;
}

static inline void veno_disable (struct sock *sk)
{
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);

    /* turn off Veno */
    veno->doing_veno_now = 0;
}

static void tcp_veno_init (struct sock *sk)
{
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);

    veno->basertt = 0x7fffffff;
    veno->inc = 1;
    veno_enable(sk);
}

static void tcp_veno_state(struct sock *sk, u8 ca state)
{
    if (ca_state == TCP_CA_Open)
        veno_enable(sk);
    else
        veno_disable(sk);
}

static void tcp_veno_cwnd_event (struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
{
    if (event == CA_EVENT_CWND_RESTART || event == CA_EVENT_TX_START)
        tcp_veno_init(sk);
}

我们来看一下以上各个状态的转换:

(1)当连接刚建立时,触发CA_EVENT_TX_START事件,调用

tcp_veno_cwnd_event(sk, CA_EVENT_TX_START),其中又调用

tcp_veno_init(sk),做了以下事情:

basertt = 0x7fffffff; /* 重置basertt */

minrtt = 0x7fffffff; /* 重置minrtt */

inc = 1;

doing_veno_now = 1;

(2)从其它拥塞状态进入Open时,调用tcp_veno_state(sk, TCP_CA_Open),

又调用veno_enable(sk),做了以下事情:

doing_veno_now = 1; /* 表示使用veno,在非Open态置为0*/

minrtt = 0x7fffffff; /* 重置minrtt */

(3)从Open态进入其它拥塞状态时,调用tcp_veno_state(sk, ca_state),

ca_state = TCP_CA_Recovery | TCP_CA_Loss,调用veno_disable(sk),

doing_veno_now = 0;

表示在Recovery或Loss等其它非Open状态不能使用Veno。

(4)闲置的连接重新开始传输数据,restarting an idle connection。

触发了CA_EVENT_CWND_RESTART事件,调用

tcp_veno_cwnd_event(sk, CA_EVENT_CWND_RESTART),其中又调用

tcp_veno_init(sk),做的事情和(1)连接刚建立一样。

tcp_veno_pkts_acked()在每收到ACK时调用,用于更新basertt和minrtt。

/* Do rtt sampling needed for Veno. */
static void tcp_veno_pkts_acked (struct sock *sk, u32 cnt, s32 rtt_us)
{
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);
    u32 vrtt;

    if (rtt_us < 0)
        return;

    /* Never allow zero rtt or baseRTT */
    vrtt = rtt_us + 1;

    /* Filter to find propagation delay : */
    if (vrtt < veno->basertt)
        veno->basertt = vrtt;

    /* 和vegas的不一样,minrtt并不是上个RTT内的最小采样值,而是即时的rtt,
      * 因为每处理一个ACK后,minrtt都置为0x7fffffff。
      */
    veno->minrtt = min(veno->minrtt, vrtt);

    /* 这个cntrtt形同虚设,因为它根本没清零重置过。*/
    veno->cntrtt ++;
}

tcp_veno_cong_avoid()为核心函数,主要用于计算diff、根据窗口增长函数调整cwnd。

static void tcp_veno_cong_avoid (struct sock *sk, u32 ack, u32 in_flight)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);

    /* 只允许在Open态使用veno,计算diff和调整cwnd。*/
    if (! veno->doing_veno_now) {
        tcp_reno_cong_avoid(sk, ack, in_flight);
        return;
    }

    /* limited by applications */
    if (! tcp_is_cwnd_limited(sk, in_flight))
        return;

    /* 既然cntrtt没清零过,这个判断式毫无意义。*/
    if (veno->cntrtt <= 2) {
        tcp_reno_cong_avoid(sk, ack, in_flight);

    } else {
        u64 target_cwnd;
        u32 rtt;

        rtt = veno->minrtt;

        target_cwnd = tp->snd_cwnd * veno->basertt;
        target_cwnd <<= V_PARAM_SHIFT;
        do_div(target_cwnd, rtt);

        /* 跟Vegas中diff的计算一样,只是这里乘2 */
        veno->diff = (tp->snd_cwnd << V_PARAM_SHIFT) - target_cwnd;

        /* 处于慢启动阶段*/
        if (tp->snd_cwnd <= tp->snd_ssthresh) {
            tcp_slow_start(tp);

        } else { /* 处于拥塞避免阶段 */
            /* In the non-congestive state, increase cwnd every rtt。判断网络不处于拥塞,
               * 则cwnd的增长和Reno一样。
               */
            if (veno->diff < beta) {
                tcp_cong_avoid_ai(tp, tp->snd_cwnd);

            } else {
                /* In the congestive state, increasse cwnd every other rtt.
                 * 判断网络拥塞,则每两个RTT才使cwnd增加一个。
                    */
                if (tp->snd_cwnd_cnt >= tp->snd_cwnd) {
                    if (veno->inc && tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp) {
                        tp->snd_cwnd++;
                        veno->inc = 0;
                    } else
                        veno->inc = 1;
                    tp->snd_cwnd_cnt = 0;
                } else
                    tp->snd_cwnd_cnt++;
            }
        }
        if (tp->snd_cwnd < 2)
            tp->snd_cwnd = 2;
        else if (tp->snd_cwnd > tp->snd_cwnd_clamp)
            tp->snd_cwnd = tp->snd_cwnd_clamp;
    }

    /* 重置minrtt,所以minrtt是每个ACK的RTT测量值*/
    veno->minrtt = 0x7fffffff;
}

丢包后重新设置慢启动阈值,这就是区分随机丢包和拥塞丢包的函数。

static u32 tcp_veno_ssthresh (struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct veno *veno = inet_csk_ca(sk);

    /* in non-congestive state, cut cwnd by 1/5,如果判断为随机丢包,那么慢启动
     * 阈值的减小幅度为0.2。
     */
    if (veno->diff < beta)
        return max(tp->snd_cwnd * 4 / 5, 2U);
    else
        /* in congestive state, cut cwnd by 1/2,如果判断为拥塞丢包,那么慢启动阈值
          * 的减小幅度为0.5。
          */
         return max(tp->snd_cwnd >> 1U, 2U);
}

笔者评价

在Vegas中,diff是每个RTT后才计算一次的,因为其中的minrtt的取值是上个RTT内的最小采样值。

这样做得好处是:由于minrtt是多个样本中的最小值,所以可以避免一些异常的RTT样本,比如

delayed ACK。minrtt能代表一段时间内的网络瓶颈路由器的情况,计算得到的diff会更准确一些。

在Veno中,diff是每收到一个ACK计算一次的,因为其中的minrtt的取值是本次ACK的RTT测量值。

这样一来,diff的值可能会有偏差。

这两种方法的区别在于对diff准确性和检测及时性的权衡。

Vegas注重于diff的准确性,所以用一个RTT的时间来测量。

Veno注重于检测的及时性,对每个ACK都做diff计算,为了更及时的检测到网络拥塞。

因为以上原因,Veno可能会出现误判,比如一个ACK的RTT值偏大,却不是由于路由器拥塞,

但是计算得到的diff可能会判定路由器拥塞,这样一些随机丢包可能会被判定成拥塞丢包。

veno在随机丢包率较高的无线网络中有较好的表现。

veno能够区分随机丢包和拥塞丢包,因此避免了随机丢包时不必要的降低吞吐量。

veno改进了窗口增长函数,试图使cwnd停留在接近网络容量处较长时间,延迟丢包事件的到来,

这样不仅能减少丢包,还能提高吞吐量。但实际上这也会导致veno的带宽竞争力变弱。

veno的不足:它对拥塞丢包的判断有着较高的准确率,但是对随机丢包的判断准确率不高,经常

把随机丢包判成拥塞丢包。所以它对随机丢包判断的准确率还有待提高。

此外,beta设为3纯粹是一个经验值,很多场合并不适用。

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