[NETFILTER]: make some netfilter globals __read_mostly
[linux-2.6] / net / ipv4 / tcp_cubic.c
1 /*
2  * TCP CUBIC: Binary Increase Congestion control for TCP v2.0
3  *
4  * This is from the implementation of CUBIC TCP in
5  * Injong Rhee, Lisong Xu.
6  *  "CUBIC: A New TCP-Friendly High-Speed TCP Variant
7  *  in PFLDnet 2005
8  * Available from:
9  *  http://www.csc.ncsu.edu/faculty/rhee/export/bitcp/cubic-paper.pdf
10  *
11  * Unless CUBIC is enabled and congestion window is large
12  * this behaves the same as the original Reno.
13  */
14
15 #include <linux/mm.h>
16 #include <linux/module.h>
17 #include <net/tcp.h>
18 #include <asm/div64.h>
19
20 #define BICTCP_BETA_SCALE    1024       /* Scale factor beta calculation
21                                          * max_cwnd = snd_cwnd * beta
22                                          */
23 #define BICTCP_B                4        /*
24                                           * In binary search,
25                                           * go to point (max+min)/N
26                                           */
27 #define BICTCP_HZ               10      /* BIC HZ 2^10 = 1024 */
28
29 static int fast_convergence = 1;
30 static int max_increment = 16;
31 static int beta = 819;          /* = 819/1024 (BICTCP_BETA_SCALE) */
32 static int initial_ssthresh = 100;
33 static int bic_scale = 41;
34 static int tcp_friendliness = 1;
35
36 static u32 cube_rtt_scale;
37 static u32 beta_scale;
38 static u64 cube_factor;
39
40 /* Note parameters that are used for precomputing scale factors are read-only */
41 module_param(fast_convergence, int, 0644);
42 MODULE_PARM_DESC(fast_convergence, "turn on/off fast convergence");
43 module_param(max_increment, int, 0644);
44 MODULE_PARM_DESC(max_increment, "Limit on increment allowed during binary search");
45 module_param(beta, int, 0444);
46 MODULE_PARM_DESC(beta, "beta for multiplicative increase");
47 module_param(initial_ssthresh, int, 0644);
48 MODULE_PARM_DESC(initial_ssthresh, "initial value of slow start threshold");
49 module_param(bic_scale, int, 0444);
50 MODULE_PARM_DESC(bic_scale, "scale (scaled by 1024) value for bic function (bic_scale/1024)");
51 module_param(tcp_friendliness, int, 0644);
52 MODULE_PARM_DESC(tcp_friendliness, "turn on/off tcp friendliness");
53
54 #include <asm/div64.h>
55
56 /* BIC TCP Parameters */
57 struct bictcp {
58         u32     cnt;            /* increase cwnd by 1 after ACKs */
59         u32     last_max_cwnd;  /* last maximum snd_cwnd */
60         u32     loss_cwnd;      /* congestion window at last loss */
61         u32     last_cwnd;      /* the last snd_cwnd */
62         u32     last_time;      /* time when updated last_cwnd */
63         u32     bic_origin_point;/* origin point of bic function */
64         u32     bic_K;          /* time to origin point from the beginning of the current epoch */
65         u32     delay_min;      /* min delay */
66         u32     epoch_start;    /* beginning of an epoch */
67         u32     ack_cnt;        /* number of acks */
68         u32     tcp_cwnd;       /* estimated tcp cwnd */
69 #define ACK_RATIO_SHIFT 4
70         u32     delayed_ack;    /* estimate the ratio of Packets/ACKs << 4 */
71 };
72
73 static inline void bictcp_reset(struct bictcp *ca)
74 {
75         ca->cnt = 0;
76         ca->last_max_cwnd = 0;
77         ca->loss_cwnd = 0;
78         ca->last_cwnd = 0;
79         ca->last_time = 0;
80         ca->bic_origin_point = 0;
81         ca->bic_K = 0;
82         ca->delay_min = 0;
83         ca->epoch_start = 0;
84         ca->delayed_ack = 2 << ACK_RATIO_SHIFT;
85         ca->ack_cnt = 0;
86         ca->tcp_cwnd = 0;
87 }
88
89 static void bictcp_init(struct sock *sk)
90 {
91         bictcp_reset(inet_csk_ca(sk));
92         if (initial_ssthresh)
93                 tcp_sk(sk)->snd_ssthresh = initial_ssthresh;
94 }
95
96 /* 64bit divisor, dividend and result. dynamic precision */
97 static inline u_int64_t div64_64(u_int64_t dividend, u_int64_t divisor)
98 {
99         u_int32_t d = divisor;
100
101         if (divisor > 0xffffffffULL) {
102                 unsigned int shift = fls(divisor >> 32);
103
104                 d = divisor >> shift;
105                 dividend >>= shift;
106         }
107
108         /* avoid 64 bit division if possible */
109         if (dividend >> 32)
110                 do_div(dividend, d);
111         else
112                 dividend = (uint32_t) dividend / d;
113
114         return dividend;
115 }
116
117 /*
118  * calculate the cubic root of x using Newton-Raphson
119  */
120 static u32 cubic_root(u64 a)
121 {
122         u32 x, x1;
123
124         /* Initial estimate is based on:
125          * cbrt(x) = exp(log(x) / 3)
126          */
127         x = 1u << (fls64(a)/3);
128
129         /*
130          * Iteration based on:
131          *                         2
132          * x    = ( 2 * x  +  a / x  ) / 3
133          *  k+1          k         k
134          */
135         do {
136                 x1 = x;
137                 x = (2 * x + (uint32_t) div64_64(a, x*x)) / 3;
138         } while (abs(x1 - x) > 1);
139
140         return x;
141 }
142
143 /*
144  * Compute congestion window to use.
145  */
146 static inline void bictcp_update(struct bictcp *ca, u32 cwnd)
147 {
148         u64 offs;
149         u32 delta, t, bic_target, min_cnt, max_cnt;
150
151         ca->ack_cnt++;  /* count the number of ACKs */
152
153         if (ca->last_cwnd == cwnd &&
154             (s32)(tcp_time_stamp - ca->last_time) <= HZ / 32)
155                 return;
156
157         ca->last_cwnd = cwnd;
158         ca->last_time = tcp_time_stamp;
159
160         if (ca->epoch_start == 0) {
161                 ca->epoch_start = tcp_time_stamp;       /* record the beginning of an epoch */
162                 ca->ack_cnt = 1;                        /* start counting */
163                 ca->tcp_cwnd = cwnd;                    /* syn with cubic */
164
165                 if (ca->last_max_cwnd <= cwnd) {
166                         ca->bic_K = 0;
167                         ca->bic_origin_point = cwnd;
168                 } else {
169                         /* Compute new K based on
170                          * (wmax-cwnd) * (srtt>>3 / HZ) / c * 2^(3*bictcp_HZ)
171                          */
172                         ca->bic_K = cubic_root(cube_factor
173                                                * (ca->last_max_cwnd - cwnd));
174                         ca->bic_origin_point = ca->last_max_cwnd;
175                 }
176         }
177
178         /* cubic function - calc*/
179         /* calculate c * time^3 / rtt,
180          *  while considering overflow in calculation of time^3
181          * (so time^3 is done by using 64 bit)
182          * and without the support of division of 64bit numbers
183          * (so all divisions are done by using 32 bit)
184          *  also NOTE the unit of those veriables
185          *        time  = (t - K) / 2^bictcp_HZ
186          *        c = bic_scale >> 10
187          * rtt  = (srtt >> 3) / HZ
188          * !!! The following code does not have overflow problems,
189          * if the cwnd < 1 million packets !!!
190          */
191
192         /* change the unit from HZ to bictcp_HZ */
193         t = ((tcp_time_stamp + ca->delay_min - ca->epoch_start)
194              << BICTCP_HZ) / HZ;
195
196         if (t < ca->bic_K)              /* t - K */
197                 offs = ca->bic_K - t;
198         else
199                 offs = t - ca->bic_K;
200
201         /* c/rtt * (t-K)^3 */
202         delta = (cube_rtt_scale * offs * offs * offs) >> (10+3*BICTCP_HZ);
203         if (t < ca->bic_K)                                      /* below origin*/
204                 bic_target = ca->bic_origin_point - delta;
205         else                                                    /* above origin*/
206                 bic_target = ca->bic_origin_point + delta;
207
208         /* cubic function - calc bictcp_cnt*/
209         if (bic_target > cwnd) {
210                 ca->cnt = cwnd / (bic_target - cwnd);
211         } else {
212                 ca->cnt = 100 * cwnd;              /* very small increment*/
213         }
214
215         if (ca->delay_min > 0) {
216                 /* max increment = Smax * rtt / 0.1  */
217                 min_cnt = (cwnd * HZ * 8)/(10 * max_increment * ca->delay_min);
218                 if (ca->cnt < min_cnt)
219                         ca->cnt = min_cnt;
220         }
221
222         /* slow start and low utilization  */
223         if (ca->loss_cwnd == 0)         /* could be aggressive in slow start */
224                 ca->cnt = 50;
225
226         /* TCP Friendly */
227         if (tcp_friendliness) {
228                 u32 scale = beta_scale;
229                 delta = (cwnd * scale) >> 3;
230                 while (ca->ack_cnt > delta) {           /* update tcp cwnd */
231                         ca->ack_cnt -= delta;
232                         ca->tcp_cwnd++;
233                 }
234
235                 if (ca->tcp_cwnd > cwnd){       /* if bic is slower than tcp */
236                         delta = ca->tcp_cwnd - cwnd;
237                         max_cnt = cwnd / delta;
238                         if (ca->cnt > max_cnt)
239                                 ca->cnt = max_cnt;
240                 }
241         }
242
243         ca->cnt = (ca->cnt << ACK_RATIO_SHIFT) / ca->delayed_ack;
244         if (ca->cnt == 0)                       /* cannot be zero */
245                 ca->cnt = 1;
246 }
247
248
249 /* Keep track of minimum rtt */
250 static inline void measure_delay(struct sock *sk)
251 {
252         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
253         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
254         u32 delay;
255
256         /* No time stamp */
257         if (!(tp->rx_opt.saw_tstamp && tp->rx_opt.rcv_tsecr) ||
258              /* Discard delay samples right after fast recovery */
259             (s32)(tcp_time_stamp - ca->epoch_start) < HZ)
260                 return;
261
262         delay = tcp_time_stamp - tp->rx_opt.rcv_tsecr;
263         if (delay == 0)
264                 delay = 1;
265
266         /* first time call or link delay decreases */
267         if (ca->delay_min == 0 || ca->delay_min > delay)
268                 ca->delay_min = delay;
269 }
270
271 static void bictcp_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack,
272                               u32 seq_rtt, u32 in_flight, int data_acked)
273 {
274         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
275         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
276
277         if (data_acked)
278                 measure_delay(sk);
279
280         if (!tcp_is_cwnd_limited(sk, in_flight))
281                 return;
282
283         if (tp->snd_cwnd <= tp->snd_ssthresh)
284                 tcp_slow_start(tp);
285         else {
286                 bictcp_update(ca, tp->snd_cwnd);
287
288                 /* In dangerous area, increase slowly.
289                  * In theory this is tp->snd_cwnd += 1 / tp->snd_cwnd
290                  */
291                 if (tp->snd_cwnd_cnt >= ca->cnt) {
292                         if (tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp)
293                                 tp->snd_cwnd++;
294                         tp->snd_cwnd_cnt = 0;
295                 } else
296                         tp->snd_cwnd_cnt++;
297         }
298
299 }
300
301 static u32 bictcp_recalc_ssthresh(struct sock *sk)
302 {
303         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
304         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
305
306         ca->epoch_start = 0;    /* end of epoch */
307
308         /* Wmax and fast convergence */
309         if (tp->snd_cwnd < ca->last_max_cwnd && fast_convergence)
310                 ca->last_max_cwnd = (tp->snd_cwnd * (BICTCP_BETA_SCALE + beta))
311                         / (2 * BICTCP_BETA_SCALE);
312         else
313                 ca->last_max_cwnd = tp->snd_cwnd;
314
315         ca->loss_cwnd = tp->snd_cwnd;
316
317         return max((tp->snd_cwnd * beta) / BICTCP_BETA_SCALE, 2U);
318 }
319
320 static u32 bictcp_undo_cwnd(struct sock *sk)
321 {
322         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
323
324         return max(tcp_sk(sk)->snd_cwnd, ca->last_max_cwnd);
325 }
326
327 static void bictcp_state(struct sock *sk, u8 new_state)
328 {
329         if (new_state == TCP_CA_Loss)
330                 bictcp_reset(inet_csk_ca(sk));
331 }
332
333 /* Track delayed acknowledgment ratio using sliding window
334  * ratio = (15*ratio + sample) / 16
335  */
336 static void bictcp_acked(struct sock *sk, u32 cnt)
337 {
338         const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
339
340         if (cnt > 0 && icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open) {
341                 struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
342                 cnt -= ca->delayed_ack >> ACK_RATIO_SHIFT;
343                 ca->delayed_ack += cnt;
344         }
345 }
346
347
348 static struct tcp_congestion_ops cubictcp = {
349         .init           = bictcp_init,
350         .ssthresh       = bictcp_recalc_ssthresh,
351         .cong_avoid     = bictcp_cong_avoid,
352         .set_state      = bictcp_state,
353         .undo_cwnd      = bictcp_undo_cwnd,
354         .pkts_acked     = bictcp_acked,
355         .owner          = THIS_MODULE,
356         .name           = "cubic",
357 };
358
359 static int __init cubictcp_register(void)
360 {
361         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct bictcp) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
362
363         /* Precompute a bunch of the scaling factors that are used per-packet
364          * based on SRTT of 100ms
365          */
366
367         beta_scale = 8*(BICTCP_BETA_SCALE+beta)/ 3 / (BICTCP_BETA_SCALE - beta);
368
369         cube_rtt_scale = (bic_scale << 3) / 10; /* 1024*c/rtt */
370
371         /* calculate the "K" for (wmax-cwnd) = c/rtt * K^3
372          *  so K = cubic_root( (wmax-cwnd)*rtt/c )
373          * the unit of K is bictcp_HZ=2^10, not HZ
374          *
375          *  c = bic_scale >> 10
376          *  rtt = 100ms
377          *
378          * the following code has been designed and tested for
379          * cwnd < 1 million packets
380          * RTT < 100 seconds
381          * HZ < 1,000,00  (corresponding to 10 nano-second)
382          */
383
384         /* 1/c * 2^2*bictcp_HZ * srtt */
385         cube_factor = 1ull << (10+3*BICTCP_HZ); /* 2^40 */
386
387         /* divide by bic_scale and by constant Srtt (100ms) */
388         do_div(cube_factor, bic_scale * 10);
389
390         return tcp_register_congestion_control(&cubictcp);
391 }
392
393 static void __exit cubictcp_unregister(void)
394 {
395         tcp_unregister_congestion_control(&cubictcp);
396 }
397
398 module_init(cubictcp_register);
399 module_exit(cubictcp_unregister);
400
401 MODULE_AUTHOR("Sangtae Ha, Stephen Hemminger");
402 MODULE_LICENSE("GPL");
403 MODULE_DESCRIPTION("CUBIC TCP");
404 MODULE_VERSION("2.0");