Merge git://git.infradead.org/~dwmw2/rbtree-2.6
[linux-2.6] / net / ipv4 / tcp_compound.c
1 /*
2  * TCP Vegas congestion control
3  *
4  * This is based on the congestion detection/avoidance scheme described in
5  *    Lawrence S. Brakmo and Larry L. Peterson.
6  *    "TCP Vegas: End to end congestion avoidance on a global internet."
7  *    IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 13(8):1465--1480,
8  *    October 1995. Available from:
9  *      ftp://ftp.cs.arizona.edu/xkernel/Papers/jsac.ps
10  *
11  * See http://www.cs.arizona.edu/xkernel/ for their implementation.
12  * The main aspects that distinguish this implementation from the
13  * Arizona Vegas implementation are:
14  *   o We do not change the loss detection or recovery mechanisms of
15  *     Linux in any way. Linux already recovers from losses quite well,
16  *     using fine-grained timers, NewReno, and FACK.
17  *   o To avoid the performance penalty imposed by increasing cwnd
18  *     only every-other RTT during slow start, we increase during
19  *     every RTT during slow start, just like Reno.
20  *   o Largely to allow continuous cwnd growth during slow start,
21  *     we use the rate at which ACKs come back as the "actual"
22  *     rate, rather than the rate at which data is sent.
23  *   o To speed convergence to the right rate, we set the cwnd
24  *     to achieve the right ("actual") rate when we exit slow start.
25  *   o To filter out the noise caused by delayed ACKs, we use the
26  *     minimum RTT sample observed during the last RTT to calculate
27  *     the actual rate.
28  *   o When the sender re-starts from idle, it waits until it has
29  *     received ACKs for an entire flight of new data before making
30  *     a cwnd adjustment decision. The original Vegas implementation
31  *     assumed senders never went idle.
32  *
33  *
34  *   TCP Compound based on TCP Vegas
35  *
36  *   further details can be found here:
37  *      ftp://ftp.research.microsoft.com/pub/tr/TR-2005-86.pdf
38  */
39
40 #include <linux/config.h>
41 #include <linux/mm.h>
42 #include <linux/module.h>
43 #include <linux/skbuff.h>
44 #include <linux/inet_diag.h>
45
46 #include <net/tcp.h>
47
48 /* Default values of the Vegas variables, in fixed-point representation
49  * with V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary point.
50  */
51 #define V_PARAM_SHIFT 1
52
53 #define TCP_COMPOUND_ALPHA          3U
54 #define TCP_COMPOUND_BETA           1U
55 #define TCP_COMPOUND_GAMMA         30
56 #define TCP_COMPOUND_ZETA           1
57
58 /* TCP compound variables */
59 struct compound {
60         u32 beg_snd_nxt;        /* right edge during last RTT */
61         u32 beg_snd_una;        /* left edge  during last RTT */
62         u32 beg_snd_cwnd;       /* saves the size of the cwnd */
63         u8 doing_vegas_now;     /* if true, do vegas for this RTT */
64         u16 cntRTT;             /* # of RTTs measured within last RTT */
65         u32 minRTT;             /* min of RTTs measured within last RTT (in usec) */
66         u32 baseRTT;            /* the min of all Vegas RTT measurements seen (in usec) */
67
68         u32 cwnd;
69         u32 dwnd;
70 };
71
72 /* There are several situations when we must "re-start" Vegas:
73  *
74  *  o when a connection is established
75  *  o after an RTO
76  *  o after fast recovery
77  *  o when we send a packet and there is no outstanding
78  *    unacknowledged data (restarting an idle connection)
79  *
80  * In these circumstances we cannot do a Vegas calculation at the
81  * end of the first RTT, because any calculation we do is using
82  * stale info -- both the saved cwnd and congestion feedback are
83  * stale.
84  *
85  * Instead we must wait until the completion of an RTT during
86  * which we actually receive ACKs.
87  */
88 static inline void vegas_enable(struct sock *sk)
89 {
90         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
91         struct compound *vegas = inet_csk_ca(sk);
92
93         /* Begin taking Vegas samples next time we send something. */
94         vegas->doing_vegas_now = 1;
95
96         /* Set the beginning of the next send window. */
97         vegas->beg_snd_nxt = tp->snd_nxt;
98
99         vegas->cntRTT = 0;
100         vegas->minRTT = 0x7fffffff;
101 }
102
103 /* Stop taking Vegas samples for now. */
104 static inline void vegas_disable(struct sock *sk)
105 {
106         struct compound *vegas = inet_csk_ca(sk);
107
108         vegas->doing_vegas_now = 0;
109 }
110
111 static void tcp_compound_init(struct sock *sk)
112 {
113         struct compound *vegas = inet_csk_ca(sk);
114         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
115
116         vegas->baseRTT = 0x7fffffff;
117         vegas_enable(sk);
118
119         vegas->dwnd = 0;
120         vegas->cwnd = tp->snd_cwnd;
121 }
122
123 /* Do RTT sampling needed for Vegas.
124  * Basically we:
125  *   o min-filter RTT samples from within an RTT to get the current
126  *     propagation delay + queuing delay (we are min-filtering to try to
127  *     avoid the effects of delayed ACKs)
128  *   o min-filter RTT samples from a much longer window (forever for now)
129  *     to find the propagation delay (baseRTT)
130  */
131 static void tcp_compound_rtt_calc(struct sock *sk, u32 usrtt)
132 {
133         struct compound *vegas = inet_csk_ca(sk);
134         u32 vrtt = usrtt + 1;   /* Never allow zero rtt or baseRTT */
135
136         /* Filter to find propagation delay: */
137         if (vrtt < vegas->baseRTT)
138                 vegas->baseRTT = vrtt;
139
140         /* Find the min RTT during the last RTT to find
141          * the current prop. delay + queuing delay:
142          */
143
144         vegas->minRTT = min(vegas->minRTT, vrtt);
145         vegas->cntRTT++;
146 }
147
148 static void tcp_compound_state(struct sock *sk, u8 ca_state)
149 {
150
151         if (ca_state == TCP_CA_Open)
152                 vegas_enable(sk);
153         else
154                 vegas_disable(sk);
155 }
156
157
158 /* 64bit divisor, dividend and result. dynamic precision */
159 static inline u64 div64_64(u64 dividend, u64 divisor)
160 {
161         u32 d = divisor;
162
163         if (divisor > 0xffffffffULL) {
164                 unsigned int shift = fls(divisor >> 32);
165
166                 d = divisor >> shift;
167                 dividend >>= shift;
168         }
169
170         /* avoid 64 bit division if possible */
171         if (dividend >> 32)
172                 do_div(dividend, d);
173         else
174                 dividend = (u32) dividend / d;
175
176         return dividend;
177 }
178
179 /* calculate the quartic root of "a" using Newton-Raphson */
180 static u32 qroot(u64 a)
181 {
182         u32 x, x1;
183
184         /* Initial estimate is based on:
185          * qrt(x) = exp(log(x) / 4)
186          */
187         x = 1u << (fls64(a) >> 2);
188
189         /*
190          * Iteration based on:
191          *                         3
192          * x    = ( 3 * x  +  a / x  ) / 4
193          *  k+1          k         k
194          */
195         do {
196                 u64 x3 = x;
197
198                 x1 = x;
199                 x3 *= x;
200                 x3 *= x;
201
202                 x = (3 * x + (u32) div64_64(a, x3)) / 4;
203         } while (abs(x1 - x) > 1);
204
205         return x;
206 }
207
208
209 /*
210  * If the connection is idle and we are restarting,
211  * then we don't want to do any Vegas calculations
212  * until we get fresh RTT samples.  So when we
213  * restart, we reset our Vegas state to a clean
214  * slate. After we get acks for this flight of
215  * packets, _then_ we can make Vegas calculations
216  * again.
217  */
218 static void tcp_compound_cwnd_event(struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
219 {
220         if (event == CA_EVENT_CWND_RESTART || event == CA_EVENT_TX_START)
221                 tcp_compound_init(sk);
222 }
223
224 static void tcp_compound_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack,
225                                     u32 seq_rtt, u32 in_flight, int flag)
226 {
227         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
228         struct compound *vegas = inet_csk_ca(sk);
229         u8 inc = 0;
230
231         if (vegas->cwnd + vegas->dwnd > tp->snd_cwnd) {
232                 if (vegas->cwnd > tp->snd_cwnd || vegas->dwnd > tp->snd_cwnd) {
233                         vegas->cwnd = tp->snd_cwnd;
234                         vegas->dwnd = 0;
235                 } else
236                         vegas->cwnd = tp->snd_cwnd - vegas->dwnd;
237
238         }
239
240         if (!tcp_is_cwnd_limited(sk, in_flight))
241                 return;
242
243         if (vegas->cwnd <= tp->snd_ssthresh)
244                 inc = 1;
245         else if (tp->snd_cwnd_cnt < tp->snd_cwnd)
246                 tp->snd_cwnd_cnt++;
247
248         if (tp->snd_cwnd_cnt >= tp->snd_cwnd) {
249                 inc = 1;
250                 tp->snd_cwnd_cnt = 0;
251         }
252
253         if (inc && tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp)
254                 vegas->cwnd++;
255
256         /* The key players are v_beg_snd_una and v_beg_snd_nxt.
257          *
258          * These are so named because they represent the approximate values
259          * of snd_una and snd_nxt at the beginning of the current RTT. More
260          * precisely, they represent the amount of data sent during the RTT.
261          * At the end of the RTT, when we receive an ACK for v_beg_snd_nxt,
262          * we will calculate that (v_beg_snd_nxt - v_beg_snd_una) outstanding
263          * bytes of data have been ACKed during the course of the RTT, giving
264          * an "actual" rate of:
265          *
266          *     (v_beg_snd_nxt - v_beg_snd_una) / (rtt duration)
267          *
268          * Unfortunately, v_beg_snd_una is not exactly equal to snd_una,
269          * because delayed ACKs can cover more than one segment, so they
270          * don't line up nicely with the boundaries of RTTs.
271          *
272          * Another unfortunate fact of life is that delayed ACKs delay the
273          * advance of the left edge of our send window, so that the number
274          * of bytes we send in an RTT is often less than our cwnd will allow.
275          * So we keep track of our cwnd separately, in v_beg_snd_cwnd.
276          */
277
278         if (after(ack, vegas->beg_snd_nxt)) {
279                 /* Do the Vegas once-per-RTT cwnd adjustment. */
280                 u32 old_wnd, old_snd_cwnd;
281
282                 /* Here old_wnd is essentially the window of data that was
283                  * sent during the previous RTT, and has all
284                  * been acknowledged in the course of the RTT that ended
285                  * with the ACK we just received. Likewise, old_snd_cwnd
286                  * is the cwnd during the previous RTT.
287                  */
288                 if (!tp->mss_cache)
289                         return;
290
291                 old_wnd = (vegas->beg_snd_nxt - vegas->beg_snd_una) /
292                     tp->mss_cache;
293                 old_snd_cwnd = vegas->beg_snd_cwnd;
294
295                 /* Save the extent of the current window so we can use this
296                  * at the end of the next RTT.
297                  */
298                 vegas->beg_snd_una = vegas->beg_snd_nxt;
299                 vegas->beg_snd_nxt = tp->snd_nxt;
300                 vegas->beg_snd_cwnd = tp->snd_cwnd;
301
302                 /* We do the Vegas calculations only if we got enough RTT
303                  * samples that we can be reasonably sure that we got
304                  * at least one RTT sample that wasn't from a delayed ACK.
305                  * If we only had 2 samples total,
306                  * then that means we're getting only 1 ACK per RTT, which
307                  * means they're almost certainly delayed ACKs.
308                  * If  we have 3 samples, we should be OK.
309                  */
310
311                 if (vegas->cntRTT > 2) {
312                         u32 rtt, target_cwnd, diff;
313                         u32 brtt, dwnd;
314
315                         /* We have enough RTT samples, so, using the Vegas
316                          * algorithm, we determine if we should increase or
317                          * decrease cwnd, and by how much.
318                          */
319
320                         /* Pluck out the RTT we are using for the Vegas
321                          * calculations. This is the min RTT seen during the
322                          * last RTT. Taking the min filters out the effects
323                          * of delayed ACKs, at the cost of noticing congestion
324                          * a bit later.
325                          */
326                         rtt = vegas->minRTT;
327
328                         /* Calculate the cwnd we should have, if we weren't
329                          * going too fast.
330                          *
331                          * This is:
332                          *     (actual rate in segments) * baseRTT
333                          * We keep it as a fixed point number with
334                          * V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary point.
335                          */
336                         if (!rtt)
337                                 return;
338
339                         brtt = vegas->baseRTT;
340                         target_cwnd = ((old_wnd * brtt)
341                                        << V_PARAM_SHIFT) / rtt;
342
343                         /* Calculate the difference between the window we had,
344                          * and the window we would like to have. This quantity
345                          * is the "Diff" from the Arizona Vegas papers.
346                          *
347                          * Again, this is a fixed point number with
348                          * V_PARAM_SHIFT bits to the right of the binary
349                          * point.
350                          */
351
352                         diff = (old_wnd << V_PARAM_SHIFT) - target_cwnd;
353
354                         dwnd = vegas->dwnd;
355
356                         if (diff < (TCP_COMPOUND_GAMMA << V_PARAM_SHIFT)) {
357                                 u64 v;
358                                 u32 x;
359
360                                 /*
361                                  * The TCP Compound paper describes the choice
362                                  * of "k" determines the agressiveness,
363                                  * ie. slope of the response function.
364                                  *
365                                  * For same value as HSTCP would be 0.8
366                                  * but for computaional reasons, both the
367                                  * original authors and this implementation
368                                  * use 0.75.
369                                  */
370                                 v = old_wnd;
371                                 x = qroot(v * v * v) >> TCP_COMPOUND_ALPHA;
372                                 if (x > 1)
373                                         dwnd = x - 1;
374                                 else
375                                         dwnd = 0;
376
377                                 dwnd += vegas->dwnd;
378
379                         } else if ((dwnd << V_PARAM_SHIFT) <
380                                    (diff * TCP_COMPOUND_BETA))
381                                 dwnd = 0;
382                         else
383                                 dwnd =
384                                     ((dwnd << V_PARAM_SHIFT) -
385                                      (diff *
386                                       TCP_COMPOUND_BETA)) >> V_PARAM_SHIFT;
387
388                         vegas->dwnd = dwnd;
389
390                 }
391
392                 /* Wipe the slate clean for the next RTT. */
393                 vegas->cntRTT = 0;
394                 vegas->minRTT = 0x7fffffff;
395         }
396
397         tp->snd_cwnd = vegas->cwnd + vegas->dwnd;
398 }
399
400 /* Extract info for Tcp socket info provided via netlink. */
401 static void tcp_compound_get_info(struct sock *sk, u32 ext, struct sk_buff *skb)
402 {
403         const struct compound *ca = inet_csk_ca(sk);
404         if (ext & (1 << (INET_DIAG_VEGASINFO - 1))) {
405                 struct tcpvegas_info *info;
406
407                 info = RTA_DATA(__RTA_PUT(skb, INET_DIAG_VEGASINFO,
408                                           sizeof(*info)));
409
410                 info->tcpv_enabled = ca->doing_vegas_now;
411                 info->tcpv_rttcnt = ca->cntRTT;
412                 info->tcpv_rtt = ca->baseRTT;
413                 info->tcpv_minrtt = ca->minRTT;
414         rtattr_failure:;
415         }
416 }
417
418 static struct tcp_congestion_ops tcp_compound = {
419         .init           = tcp_compound_init,
420         .ssthresh       = tcp_reno_ssthresh,
421         .cong_avoid     = tcp_compound_cong_avoid,
422         .rtt_sample     = tcp_compound_rtt_calc,
423         .set_state      = tcp_compound_state,
424         .cwnd_event     = tcp_compound_cwnd_event,
425         .get_info       = tcp_compound_get_info,
426
427         .owner          = THIS_MODULE,
428         .name           = "compound",
429 };
430
431 static int __init tcp_compound_register(void)
432 {
433         BUG_ON(sizeof(struct compound) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
434         tcp_register_congestion_control(&tcp_compound);
435         return 0;
436 }
437
438 static void __exit tcp_compound_unregister(void)
439 {
440         tcp_unregister_congestion_control(&tcp_compound);
441 }
442
443 module_init(tcp_compound_register);
444 module_exit(tcp_compound_unregister);
445
446 MODULE_AUTHOR("Angelo P. Castellani, Stephen Hemminger");
447 MODULE_LICENSE("GPL");
448 MODULE_DESCRIPTION("TCP Compound");