net/ipv4/tcp_rate.c

   1 #include <net/tcp.h>
   2
   3 /* The bandwidth estimator estimates the rate at which the network
   4  * can currently deliver outbound data packets for this flow. At a high
   5  * level, it operates by taking a delivery rate sample for each ACK.
   6  *
   7  * A rate sample records the rate at which the network delivered packets
   8  * for this flow, calculated over the time interval between the transmission
   9  * of a data packet and the acknowledgment of that packet.
  10  *
  11  * Specifically, over the interval between each transmit and corresponding ACK,
  12  * the estimator generates a delivery rate sample. Typically it uses the rate
  13  * at which packets were acknowledged. However, the approach of using only the
  14  * acknowledgment rate faces a challenge under the prevalent ACK decimation or
  15  * compression: packets can temporarily appear to be delivered much quicker
  16  * than the bottleneck rate. Since it is physically impossible to do that in a
  17  * sustained fashion, when the estimator notices that the ACK rate is faster
  18  * than the transmit rate, it uses the latter:
  19  *
  20  *    send_rate = #pkts_delivered/(last_snd_time - first_snd_time)
  21  *    ack_rate  = #pkts_delivered/(last_ack_time - first_ack_time)
  22  *    bw = min(send_rate, ack_rate)
  23  *
  24  * Notice the estimator essentially estimates the goodput, not always the
  25  * network bottleneck link rate when the sending or receiving is limited by
  26  * other factors like applications or receiver window limits.  The estimator
  27  * deliberately avoids using the inter-packet spacing approach because that
  28  * approach requires a large number of samples and sophisticated filtering.
  29  *
  30  * TCP flows can often be application-limited in request/response workloads.
  31  * The estimator marks a bandwidth sample as application-limited if there
  32  * was some moment during the sampled window of packets when there was no data
  33  * ready to send in the write queue.
  34  */
  35
  36 /* Snapshot the current delivery information in the skb, to generate
  37  * a rate sample later when the skb is (s)acked in tcp_rate_skb_delivered().
  38  */
  39 void tcp_rate_skb_sent(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
  40 {
  41         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  42
  43          /* In general we need to start delivery rate samples from the
  44           * time we received the most recent ACK, to ensure we include
  45           * the full time the network needs to deliver all in-flight
  46           * packets. If there are no packets in flight yet, then we
  47           * know that any ACKs after now indicate that the network was
  48           * able to deliver those packets completely in the sampling
  49           * interval between now and the next ACK.
  50           *
  51           * Note that we use packets_out instead of tcp_packets_in_flight(tp)
  52           * because the latter is a guess based on RTO and loss-marking
  53           * heuristics. We don't want spurious RTOs or loss markings to cause
  54           * a spuriously small time interval, causing a spuriously high
  55           * bandwidth estimate.
  56           */
  57         if (!tp->packets_out) {
  58                 u64 tstamp_us = tcp_skb_timestamp_us(skb);
  59
  60                 tp->first_tx_mstamp  = tstamp_us;
  61                 tp->delivered_mstamp = tstamp_us;
  62         }
  63
  64         TCP_SKB_CB(skb)->tx.first_tx_mstamp     = tp->first_tx_mstamp;
  65         TCP_SKB_CB(skb)->tx.delivered_mstamp    = tp->delivered_mstamp;
  66         TCP_SKB_CB(skb)->tx.delivered           = tp->delivered;
  67         TCP_SKB_CB(skb)->tx.is_app_limited      = tp->app_limited ? 1 : 0;
  68 }
  69
  70 /* When an skb is sacked or acked, we fill in the rate sample with the (prior)
  71  * delivery information when the skb was last transmitted.
  72  *
  73  * If an ACK (s)acks multiple skbs (e.g., stretched-acks), this function is
  74  * called multiple times. We favor the information from the most recently
  75  * sent skb, i.e., the skb with the highest prior_delivered count.
  76  */
  77 void tcp_rate_skb_delivered(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
  78                             struct rate_sample *rs)
  79 {
  80         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  81         struct tcp_skb_cb *scb = TCP_SKB_CB(skb);
  82
  83         if (!scb->tx.delivered_mstamp)
  84                 return;
  85
  86         if (!rs->prior_delivered ||
  87             after(scb->tx.delivered, rs->prior_delivered)) {
  88                 rs->prior_delivered  = scb->tx.delivered;
  89                 rs->prior_mstamp     = scb->tx.delivered_mstamp;
  90                 rs->is_app_limited   = scb->tx.is_app_limited;
  91                 rs->is_retrans       = scb->sacked & TCPCB_RETRANS;
  92
  93                 /* Record send time of most recently ACKed packet: */
  94                 tp->first_tx_mstamp  = tcp_skb_timestamp_us(skb);
  95                 /* Find the duration of the "send phase" of this window: */
  96                 rs->interval_us = tcp_stamp_us_delta(tp->first_tx_mstamp,
  97                                                      scb->tx.first_tx_mstamp);
  98
  99         }
 100         /* Mark off the skb delivered once it's sacked to avoid being
 101          * used again when it's cumulatively acked. For acked packets
 102          * we don't need to reset since it'll be freed soon.
 103          */
 104         if (scb->sacked & TCPCB_SACKED_ACKED)
 105                 scb->tx.delivered_mstamp = 0;
 106 }
 107
 108 /* Update the connection delivery information and generate a rate sample. */
 109 void tcp_rate_gen(struct sock *sk, u32 delivered, u32 lost,
 110                   bool is_sack_reneg, struct rate_sample *rs)
 111 {
 112         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 113         u32 snd_us, ack_us;
 114
 115         /* Clear app limited if bubble is acked and gone. */
 116         if (tp->app_limited && after(tp->delivered, tp->app_limited))
 117                 tp->app_limited = 0;
 118
 119         /* TODO: there are multiple places throughout tcp_ack() to get
 120          * current time. Refactor the code using a new "tcp_acktag_state"
 121          * to carry current time, flags, stats like "tcp_sacktag_state".
 122          */
 123         if (delivered)
 124                 tp->delivered_mstamp = tp->tcp_mstamp;
 125
 126         rs->acked_sacked = delivered;   /* freshly ACKed or SACKed */
 127         rs->losses = lost;              /* freshly marked lost */
 128         /* Return an invalid sample if no timing information is available or
 129          * in recovery from loss with SACK reneging. Rate samples taken during
 130          * a SACK reneging event may overestimate bw by including packets that
 131          * were SACKed before the reneg.
 132          */
 133         if (!rs->prior_mstamp || is_sack_reneg) {
 134                 rs->delivered = -1;
 135                 rs->interval_us = -1;
 136                 return;
 137         }
 138         rs->delivered   = tp->delivered - rs->prior_delivered;
 139
 140         /* Model sending data and receiving ACKs as separate pipeline phases
 141          * for a window. Usually the ACK phase is longer, but with ACK
 142          * compression the send phase can be longer. To be safe we use the
 143          * longer phase.
 144          */
 145         snd_us = rs->interval_us;                               /* send phase */
 146         ack_us = tcp_stamp_us_delta(tp->tcp_mstamp,
 147                                     rs->prior_mstamp); /* ack phase */
 148         rs->interval_us = max(snd_us, ack_us);
 149
 150         /* Record both segment send and ack receive intervals */
 151         rs->snd_interval_us = snd_us;
 152         rs->rcv_interval_us = ack_us;
 153
 154         /* Normally we expect interval_us >= min-rtt.
 155          * Note that rate may still be over-estimated when a spuriously
 156          * retransmistted skb was first (s)acked because "interval_us"
 157          * is under-estimated (up to an RTT). However continuously
 158          * measuring the delivery rate during loss recovery is crucial
 159          * for connections suffer heavy or prolonged losses.
 160          */
 161         if (unlikely(rs->interval_us < tcp_min_rtt(tp))) {
 162                 if (!rs->is_retrans)
 163                         pr_debug("tcp rate: %ld %d %u %u %u\n",
 164                                  rs->interval_us, rs->delivered,
 165                                  inet_csk(sk)->icsk_ca_state,
 166                                  tp->rx_opt.sack_ok, tcp_min_rtt(tp));
 167                 rs->interval_us = -1;
 168                 return;
 169         }
 170
 171         /* Record the last non-app-limited or the highest app-limited bw */
 172         if (!rs->is_app_limited ||
 173             ((u64)rs->delivered * tp->rate_interval_us >=
 174              (u64)tp->rate_delivered * rs->interval_us)) {
 175                 tp->rate_delivered = rs->delivered;
 176                 tp->rate_interval_us = rs->interval_us;
 177                 tp->rate_app_limited = rs->is_app_limited;
 178         }
 179 }
 180
 181 /* If a gap is detected between sends, mark the socket application-limited. */
 182 void tcp_rate_check_app_limited(struct sock *sk)
 183 {
 184         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 185
 186         if (/* We have less than one packet to send. */
 187             tp->write_seq - tp->snd_nxt < tp->mss_cache &&
 188             /* Nothing in sending host's qdisc queues or NIC tx queue. */
 189             sk_wmem_alloc_get(sk) < SKB_TRUESIZE(1) &&
 190             /* We are not limited by CWND. */
 191             tcp_packets_in_flight(tp) < tp->snd_cwnd &&
 192             /* All lost packets have been retransmitted. */
 193             tp->lost_out <= tp->retrans_out)
 194                 tp->app_limited =
 195                         (tp->delivered + tcp_packets_in_flight(tp)) ? : 1;
 196 }
 197 EXPORT_SYMBOL_GPL(tcp_rate_check_app_limited);