net/ipv4/tcp_illinois.c

   1 /*
   2  * TCP Illinois congestion control.
   3  * Home page:
   4  *      http://www.ews.uiuc.edu/~shaoliu/tcpillinois/index.html
   5  *
   6  * The algorithm is described in:
   7  * "TCP-Illinois: A Loss and Delay-Based Congestion Control Algorithm
   8  *  for High-Speed Networks"
   9  * http://www.ews.uiuc.edu/~shaoliu/papersandslides/liubassri06perf.pdf
  10  *
  11  * Implemented from description in paper and ns-2 simulation.
  12  * Copyright (C) 2007 Stephen Hemminger <shemminger@linux-foundation.org>
  13  */
  14
  15 #include <linux/module.h>
  16 #include <linux/skbuff.h>
  17 #include <linux/inet_diag.h>
  18 #include <asm/div64.h>
  19 #include <net/tcp.h>
  20
  21 #define ALPHA_SHIFT     7
  22 #define ALPHA_SCALE     (1u<<ALPHA_SHIFT)
  23 #define ALPHA_MIN       ((3*ALPHA_SCALE)/10)    /* ~0.3 */
  24 #define ALPHA_MAX       (10*ALPHA_SCALE)        /* 10.0 */
  25 #define ALPHA_BASE      ALPHA_SCALE             /* 1.0 */
  26
  27 #define BETA_SHIFT      6
  28 #define BETA_SCALE      (1u<<BETA_SHIFT)
  29 #define BETA_MIN        (BETA_SCALE/8)          /* 0.8 */
  30 #define BETA_MAX        (BETA_SCALE/2)
  31 #define BETA_BASE       BETA_MAX                /* 0.5 */
  32
  33 #define THETA           5
  34
  35 static int win_thresh __read_mostly = 15;
  36 module_param(win_thresh, int, 0644);
  37 MODULE_PARM_DESC(win_thresh, "Window threshold for starting adaptive sizing");
  38
  39 #define MAX_RTT         0x7fffffff
  40
  41 /* TCP Illinois Parameters */
  42 struct tcp_illinois {
  43         u32     last_alpha;
  44         u32     min_rtt;
  45         u32     max_rtt;
  46         u32     rtt_low;
  47         u32     rtt_cnt;
  48         u64     sum_rtt;
  49 };
  50
  51 static void tcp_illinois_init(struct sock *sk)
  52 {
  53         struct tcp_illinois *ca = inet_csk_ca(sk);
  54
  55         ca->last_alpha = ALPHA_BASE;
  56         ca->min_rtt = 0x7fffffff;
  57 }
  58
  59 /*
  60  * Keep track of min, max and average RTT
  61  */
  62 static void tcp_illinois_rtt_calc(struct sock *sk, u32 rtt)
  63 {
  64         struct tcp_illinois *ca = inet_csk_ca(sk);
  65
  66         if (rtt < ca->min_rtt)
  67                 ca->min_rtt = rtt;
  68         if (rtt > ca->max_rtt)
  69                 ca->max_rtt = rtt;
  70
  71         if (++ca->rtt_cnt == 1)
  72                 ca->sum_rtt = rtt;
  73         else
  74                 ca->sum_rtt += rtt;
  75 }
  76
  77 /* max queuing delay */
  78 static inline u32 max_delay(const struct tcp_illinois *ca)
  79 {
  80         return ca->max_rtt - ca->min_rtt;
  81 }
  82
  83 /* average queueing delay */
  84 static u32 avg_delay(struct tcp_illinois *ca)
  85 {
  86         u64 avg_rtt = ca->sum_rtt;
  87
  88         do_div(avg_rtt, ca->rtt_cnt);
  89
  90         ca->sum_rtt = 0;
  91         ca->rtt_cnt = 0;
  92
  93         return avg_rtt - ca->min_rtt;
  94 }
  95
  96 /*
  97  * Compute value of alpha used for additive increase.
  98  * If small window then use 1.0, equivalent to Reno.
  99  *
 100  * For larger windows, adjust based on average delay.
 101  * A. If average delay is at minimum (we are uncongested),
 102  *    then use large alpha (10.0) to increase faster.
 103  * B. If average delay is at maximum (getting congested)
 104  *    then use small alpha (1.0)
 105  *
 106  * The result is a convex window growth curve.
 107  */
 108 static u32 alpha(const struct sock *sk)
 109 {
 110         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 111         struct tcp_illinois *ca = inet_csk_ca(sk);
 112         u32 dm = max_delay(ca);
 113         u32 da = avg_delay(ca);
 114         u32 d1, a;
 115
 116         if (tp->snd_cwnd < win_thresh)
 117                 return ALPHA_BASE;      /* same as Reno (1.0) */
 118
 119         d1 = dm / 100;
 120         if (da <= d1) {
 121                 /* Don't let noise force agressive response */
 122                 if (ca->rtt_low < THETA) {
 123                         ++ca->rtt_low;
 124                         return ca->last_alpha;
 125                 } else
 126                         return ALPHA_MAX;
 127         }
 128
 129         ca->rtt_low = 0;
 130
 131         /*
 132          * Based on:
 133          *
 134          *      (dm - d1) amin amax
 135          * k1 = -------------------
 136          *         amax - amin
 137          *
 138          *       (dm - d1) amin
 139          * k2 = ----------------  - d1
 140          *        amax - amin
 141          *
 142          *             k1
 143          * alpha = ----------
 144          *          k2 + da
 145          */
 146
 147         dm -= d1;
 148         da -= d1;
 149
 150         a = (dm * ALPHA_MAX) / (dm - (da  * (ALPHA_MAX - ALPHA_MIN)) / ALPHA_MIN);
 151         ca->last_alpha = a;
 152         return a;
 153 }
 154
 155 /*
 156  * Increase window in response to successful acknowledgment.
 157  */
 158 static void tcp_illinois_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack, u32 rtt,
 159                                     u32 in_flight, int flag)
 160 {
 161         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 162
 163         /* RFC2861 only increase cwnd if fully utilized */
 164         if (!tcp_is_cwnd_limited(sk, in_flight))
 165                 return;
 166
 167         /* In slow start */
 168         if (tp->snd_cwnd <= tp->snd_ssthresh)
 169                 tcp_slow_start(tp);
 170
 171         else {
 172                 /* additive increase  cwnd += alpha / cwnd */
 173                 if ((tp->snd_cwnd_cnt * alpha(sk)) >> ALPHA_SHIFT >= tp->snd_cwnd) {
 174                         if (tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp)
 175                                 tp->snd_cwnd++;
 176                         tp->snd_cwnd_cnt = 0;
 177                 } else
 178                         tp->snd_cwnd_cnt++;
 179         }
 180 }
 181
 182 /*
 183  * Beta used for multiplicative decrease.
 184  * For small window sizes returns same value as Reno (0.5)
 185  *
 186  * If delay is small (10% of max) then beta = 1/8
 187  * If delay is up to 80% of max then beta = 1/2
 188  * In between is a linear function
 189  */
 190 static inline u32 beta(struct sock *sk)
 191 {
 192         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 193         struct tcp_illinois *ca = inet_csk_ca(sk);
 194         u32 dm = max_delay(ca);
 195         u32 da = avg_delay(ca);
 196         u32 d2, d3;
 197
 198         if (tp->snd_cwnd < win_thresh)
 199                 return BETA_BASE;
 200
 201         d2 = dm / 10;
 202         if (da <= d2)
 203                 return BETA_MIN;
 204         d3 = (8 * dm) / 10;
 205         if (da >= d3 || d3 <= d2)
 206                 return BETA_MAX;
 207
 208         /*
 209          * Based on:
 210          *
 211          *       bmin d3 - bmax d2
 212          * k3 = -------------------
 213          *         d3 - d2
 214          *
 215          *       bmax - bmin
 216          * k4 = -------------
 217          *         d3 - d2
 218          *
 219          * b = k3 + k4 da
 220          */
 221         return (BETA_MIN * d3 - BETA_MAX * d2 + (BETA_MAX - BETA_MIN) * da)
 222                 / (d3 - d2);
 223 }
 224
 225 static u32 tcp_illinois_ssthresh(struct sock *sk)
 226 {
 227         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 228
 229         /* Multiplicative decrease */
 230         return max((tp->snd_cwnd * beta(sk)) >> BETA_SHIFT, 2U);
 231 }
 232
 233 /* Extract info for TCP socket info provided via netlink.
 234  * We aren't really doing Vegas, but we can provide RTT info
 235  */
 236 static void tcp_illinois_get_info(struct sock *sk, u32 ext,
 237                                struct sk_buff *skb)
 238 {
 239         const struct tcp_illinois *ca = inet_csk_ca(sk);
 240
 241         if (ext & (1 << (INET_DIAG_VEGASINFO - 1))) {
 242                 struct tcpvegas_info info = {
 243                         .tcpv_enabled = 1,
 244                         .tcpv_rttcnt = ca->rtt_cnt,
 245                         .tcpv_minrtt = ca->min_rtt,
 246                 };
 247                 u64 avg_rtt = ca->sum_rtt;
 248                 do_div(avg_rtt, ca->rtt_cnt);
 249                 info.tcpv_rtt = avg_rtt;
 250
 251                 nla_put(skb, INET_DIAG_VEGASINFO, sizeof(info), &info);
 252         }
 253 }
 254
 255 static struct tcp_congestion_ops tcp_illinois = {
 256         .init           = tcp_illinois_init,
 257         .ssthresh       = tcp_illinois_ssthresh,
 258         .min_cwnd       = tcp_reno_min_cwnd,
 259         .cong_avoid     = tcp_illinois_cong_avoid,
 260         .rtt_sample     = tcp_illinois_rtt_calc,
 261         .get_info       = tcp_illinois_get_info,
 262
 263         .owner          = THIS_MODULE,
 264         .name           = "illinois",
 265 };
 266
 267 static int __init tcp_illinois_register(void)
 268 {
 269         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct tcp_illinois) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
 270         return tcp_register_congestion_control(&tcp_illinois);
 271 }
 272
 273 static void __exit tcp_illinois_unregister(void)
 274 {
 275         tcp_unregister_congestion_control(&tcp_illinois);
 276 }
 277
 278 module_init(tcp_illinois_register);
 279 module_exit(tcp_illinois_unregister);
 280
 281 MODULE_AUTHOR("Stephen Hemminger, Shao Liu");
 282 MODULE_LICENSE("GPL");
 283 MODULE_DESCRIPTION("TCP Illinois");
 284 MODULE_VERSION("0.3");