Merge tag 'pwm/for-5.9-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/thierry...
[linux-2.6-microblaze.git] / net / ipv4 / tcp_cubic.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * TCP CUBIC: Binary Increase Congestion control for TCP v2.3
4  * Home page:
5  *      http://netsrv.csc.ncsu.edu/twiki/bin/view/Main/BIC
6  * This is from the implementation of CUBIC TCP in
7  * Sangtae Ha, Injong Rhee and Lisong Xu,
8  *  "CUBIC: A New TCP-Friendly High-Speed TCP Variant"
9  *  in ACM SIGOPS Operating System Review, July 2008.
10  * Available from:
11  *  http://netsrv.csc.ncsu.edu/export/cubic_a_new_tcp_2008.pdf
12  *
13  * CUBIC integrates a new slow start algorithm, called HyStart.
14  * The details of HyStart are presented in
15  *  Sangtae Ha and Injong Rhee,
16  *  "Taming the Elephants: New TCP Slow Start", NCSU TechReport 2008.
17  * Available from:
18  *  http://netsrv.csc.ncsu.edu/export/hystart_techreport_2008.pdf
19  *
20  * All testing results are available from:
21  * http://netsrv.csc.ncsu.edu/wiki/index.php/TCP_Testing
22  *
23  * Unless CUBIC is enabled and congestion window is large
24  * this behaves the same as the original Reno.
25  */
26
27 #include <linux/mm.h>
28 #include <linux/module.h>
29 #include <linux/math64.h>
30 #include <net/tcp.h>
31
32 #define BICTCP_BETA_SCALE    1024       /* Scale factor beta calculation
33                                          * max_cwnd = snd_cwnd * beta
34                                          */
35 #define BICTCP_HZ               10      /* BIC HZ 2^10 = 1024 */
36
37 /* Two methods of hybrid slow start */
38 #define HYSTART_ACK_TRAIN       0x1
39 #define HYSTART_DELAY           0x2
40
41 /* Number of delay samples for detecting the increase of delay */
42 #define HYSTART_MIN_SAMPLES     8
43 #define HYSTART_DELAY_MIN       (4000U) /* 4 ms */
44 #define HYSTART_DELAY_MAX       (16000U)        /* 16 ms */
45 #define HYSTART_DELAY_THRESH(x) clamp(x, HYSTART_DELAY_MIN, HYSTART_DELAY_MAX)
46
47 static int fast_convergence __read_mostly = 1;
48 static int beta __read_mostly = 717;    /* = 717/1024 (BICTCP_BETA_SCALE) */
49 static int initial_ssthresh __read_mostly;
50 static int bic_scale __read_mostly = 41;
51 static int tcp_friendliness __read_mostly = 1;
52
53 static int hystart __read_mostly = 1;
54 static int hystart_detect __read_mostly = HYSTART_ACK_TRAIN | HYSTART_DELAY;
55 static int hystart_low_window __read_mostly = 16;
56 static int hystart_ack_delta_us __read_mostly = 2000;
57
58 static u32 cube_rtt_scale __read_mostly;
59 static u32 beta_scale __read_mostly;
60 static u64 cube_factor __read_mostly;
61
62 /* Note parameters that are used for precomputing scale factors are read-only */
63 module_param(fast_convergence, int, 0644);
64 MODULE_PARM_DESC(fast_convergence, "turn on/off fast convergence");
65 module_param(beta, int, 0644);
66 MODULE_PARM_DESC(beta, "beta for multiplicative increase");
67 module_param(initial_ssthresh, int, 0644);
68 MODULE_PARM_DESC(initial_ssthresh, "initial value of slow start threshold");
69 module_param(bic_scale, int, 0444);
70 MODULE_PARM_DESC(bic_scale, "scale (scaled by 1024) value for bic function (bic_scale/1024)");
71 module_param(tcp_friendliness, int, 0644);
72 MODULE_PARM_DESC(tcp_friendliness, "turn on/off tcp friendliness");
73 module_param(hystart, int, 0644);
74 MODULE_PARM_DESC(hystart, "turn on/off hybrid slow start algorithm");
75 module_param(hystart_detect, int, 0644);
76 MODULE_PARM_DESC(hystart_detect, "hybrid slow start detection mechanisms"
77                  " 1: packet-train 2: delay 3: both packet-train and delay");
78 module_param(hystart_low_window, int, 0644);
79 MODULE_PARM_DESC(hystart_low_window, "lower bound cwnd for hybrid slow start");
80 module_param(hystart_ack_delta_us, int, 0644);
81 MODULE_PARM_DESC(hystart_ack_delta_us, "spacing between ack's indicating train (usecs)");
82
83 /* BIC TCP Parameters */
84 struct bictcp {
85         u32     cnt;            /* increase cwnd by 1 after ACKs */
86         u32     last_max_cwnd;  /* last maximum snd_cwnd */
87         u32     last_cwnd;      /* the last snd_cwnd */
88         u32     last_time;      /* time when updated last_cwnd */
89         u32     bic_origin_point;/* origin point of bic function */
90         u32     bic_K;          /* time to origin point
91                                    from the beginning of the current epoch */
92         u32     delay_min;      /* min delay (usec) */
93         u32     epoch_start;    /* beginning of an epoch */
94         u32     ack_cnt;        /* number of acks */
95         u32     tcp_cwnd;       /* estimated tcp cwnd */
96         u16     unused;
97         u8      sample_cnt;     /* number of samples to decide curr_rtt */
98         u8      found;          /* the exit point is found? */
99         u32     round_start;    /* beginning of each round */
100         u32     end_seq;        /* end_seq of the round */
101         u32     last_ack;       /* last time when the ACK spacing is close */
102         u32     curr_rtt;       /* the minimum rtt of current round */
103 };
104
105 static inline void bictcp_reset(struct bictcp *ca)
106 {
107         ca->cnt = 0;
108         ca->last_max_cwnd = 0;
109         ca->last_cwnd = 0;
110         ca->last_time = 0;
111         ca->bic_origin_point = 0;
112         ca->bic_K = 0;
113         ca->delay_min = 0;
114         ca->epoch_start = 0;
115         ca->ack_cnt = 0;
116         ca->tcp_cwnd = 0;
117         ca->found = 0;
118 }
119
120 static inline u32 bictcp_clock_us(const struct sock *sk)
121 {
122         return tcp_sk(sk)->tcp_mstamp;
123 }
124
125 static inline void bictcp_hystart_reset(struct sock *sk)
126 {
127         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
128         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
129
130         ca->round_start = ca->last_ack = bictcp_clock_us(sk);
131         ca->end_seq = tp->snd_nxt;
132         ca->curr_rtt = ~0U;
133         ca->sample_cnt = 0;
134 }
135
136 static void bictcp_init(struct sock *sk)
137 {
138         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
139
140         bictcp_reset(ca);
141
142         if (hystart)
143                 bictcp_hystart_reset(sk);
144
145         if (!hystart && initial_ssthresh)
146                 tcp_sk(sk)->snd_ssthresh = initial_ssthresh;
147 }
148
149 static void bictcp_cwnd_event(struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
150 {
151         if (event == CA_EVENT_TX_START) {
152                 struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
153                 u32 now = tcp_jiffies32;
154                 s32 delta;
155
156                 delta = now - tcp_sk(sk)->lsndtime;
157
158                 /* We were application limited (idle) for a while.
159                  * Shift epoch_start to keep cwnd growth to cubic curve.
160                  */
161                 if (ca->epoch_start && delta > 0) {
162                         ca->epoch_start += delta;
163                         if (after(ca->epoch_start, now))
164                                 ca->epoch_start = now;
165                 }
166                 return;
167         }
168 }
169
170 /* calculate the cubic root of x using a table lookup followed by one
171  * Newton-Raphson iteration.
172  * Avg err ~= 0.195%
173  */
174 static u32 cubic_root(u64 a)
175 {
176         u32 x, b, shift;
177         /*
178          * cbrt(x) MSB values for x MSB values in [0..63].
179          * Precomputed then refined by hand - Willy Tarreau
180          *
181          * For x in [0..63],
182          *   v = cbrt(x << 18) - 1
183          *   cbrt(x) = (v[x] + 10) >> 6
184          */
185         static const u8 v[] = {
186                 /* 0x00 */    0,   54,   54,   54,  118,  118,  118,  118,
187                 /* 0x08 */  123,  129,  134,  138,  143,  147,  151,  156,
188                 /* 0x10 */  157,  161,  164,  168,  170,  173,  176,  179,
189                 /* 0x18 */  181,  185,  187,  190,  192,  194,  197,  199,
190                 /* 0x20 */  200,  202,  204,  206,  209,  211,  213,  215,
191                 /* 0x28 */  217,  219,  221,  222,  224,  225,  227,  229,
192                 /* 0x30 */  231,  232,  234,  236,  237,  239,  240,  242,
193                 /* 0x38 */  244,  245,  246,  248,  250,  251,  252,  254,
194         };
195
196         b = fls64(a);
197         if (b < 7) {
198                 /* a in [0..63] */
199                 return ((u32)v[(u32)a] + 35) >> 6;
200         }
201
202         b = ((b * 84) >> 8) - 1;
203         shift = (a >> (b * 3));
204
205         x = ((u32)(((u32)v[shift] + 10) << b)) >> 6;
206
207         /*
208          * Newton-Raphson iteration
209          *                         2
210          * x    = ( 2 * x  +  a / x  ) / 3
211          *  k+1          k         k
212          */
213         x = (2 * x + (u32)div64_u64(a, (u64)x * (u64)(x - 1)));
214         x = ((x * 341) >> 10);
215         return x;
216 }
217
218 /*
219  * Compute congestion window to use.
220  */
221 static inline void bictcp_update(struct bictcp *ca, u32 cwnd, u32 acked)
222 {
223         u32 delta, bic_target, max_cnt;
224         u64 offs, t;
225
226         ca->ack_cnt += acked;   /* count the number of ACKed packets */
227
228         if (ca->last_cwnd == cwnd &&
229             (s32)(tcp_jiffies32 - ca->last_time) <= HZ / 32)
230                 return;
231
232         /* The CUBIC function can update ca->cnt at most once per jiffy.
233          * On all cwnd reduction events, ca->epoch_start is set to 0,
234          * which will force a recalculation of ca->cnt.
235          */
236         if (ca->epoch_start && tcp_jiffies32 == ca->last_time)
237                 goto tcp_friendliness;
238
239         ca->last_cwnd = cwnd;
240         ca->last_time = tcp_jiffies32;
241
242         if (ca->epoch_start == 0) {
243                 ca->epoch_start = tcp_jiffies32;        /* record beginning */
244                 ca->ack_cnt = acked;                    /* start counting */
245                 ca->tcp_cwnd = cwnd;                    /* syn with cubic */
246
247                 if (ca->last_max_cwnd <= cwnd) {
248                         ca->bic_K = 0;
249                         ca->bic_origin_point = cwnd;
250                 } else {
251                         /* Compute new K based on
252                          * (wmax-cwnd) * (srtt>>3 / HZ) / c * 2^(3*bictcp_HZ)
253                          */
254                         ca->bic_K = cubic_root(cube_factor
255                                                * (ca->last_max_cwnd - cwnd));
256                         ca->bic_origin_point = ca->last_max_cwnd;
257                 }
258         }
259
260         /* cubic function - calc*/
261         /* calculate c * time^3 / rtt,
262          *  while considering overflow in calculation of time^3
263          * (so time^3 is done by using 64 bit)
264          * and without the support of division of 64bit numbers
265          * (so all divisions are done by using 32 bit)
266          *  also NOTE the unit of those veriables
267          *        time  = (t - K) / 2^bictcp_HZ
268          *        c = bic_scale >> 10
269          * rtt  = (srtt >> 3) / HZ
270          * !!! The following code does not have overflow problems,
271          * if the cwnd < 1 million packets !!!
272          */
273
274         t = (s32)(tcp_jiffies32 - ca->epoch_start);
275         t += usecs_to_jiffies(ca->delay_min);
276         /* change the unit from HZ to bictcp_HZ */
277         t <<= BICTCP_HZ;
278         do_div(t, HZ);
279
280         if (t < ca->bic_K)              /* t - K */
281                 offs = ca->bic_K - t;
282         else
283                 offs = t - ca->bic_K;
284
285         /* c/rtt * (t-K)^3 */
286         delta = (cube_rtt_scale * offs * offs * offs) >> (10+3*BICTCP_HZ);
287         if (t < ca->bic_K)                            /* below origin*/
288                 bic_target = ca->bic_origin_point - delta;
289         else                                          /* above origin*/
290                 bic_target = ca->bic_origin_point + delta;
291
292         /* cubic function - calc bictcp_cnt*/
293         if (bic_target > cwnd) {
294                 ca->cnt = cwnd / (bic_target - cwnd);
295         } else {
296                 ca->cnt = 100 * cwnd;              /* very small increment*/
297         }
298
299         /*
300          * The initial growth of cubic function may be too conservative
301          * when the available bandwidth is still unknown.
302          */
303         if (ca->last_max_cwnd == 0 && ca->cnt > 20)
304                 ca->cnt = 20;   /* increase cwnd 5% per RTT */
305
306 tcp_friendliness:
307         /* TCP Friendly */
308         if (tcp_friendliness) {
309                 u32 scale = beta_scale;
310
311                 delta = (cwnd * scale) >> 3;
312                 while (ca->ack_cnt > delta) {           /* update tcp cwnd */
313                         ca->ack_cnt -= delta;
314                         ca->tcp_cwnd++;
315                 }
316
317                 if (ca->tcp_cwnd > cwnd) {      /* if bic is slower than tcp */
318                         delta = ca->tcp_cwnd - cwnd;
319                         max_cnt = cwnd / delta;
320                         if (ca->cnt > max_cnt)
321                                 ca->cnt = max_cnt;
322                 }
323         }
324
325         /* The maximum rate of cwnd increase CUBIC allows is 1 packet per
326          * 2 packets ACKed, meaning cwnd grows at 1.5x per RTT.
327          */
328         ca->cnt = max(ca->cnt, 2U);
329 }
330
331 static void bictcp_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack, u32 acked)
332 {
333         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
334         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
335
336         if (!tcp_is_cwnd_limited(sk))
337                 return;
338
339         if (tcp_in_slow_start(tp)) {
340                 if (hystart && after(ack, ca->end_seq))
341                         bictcp_hystart_reset(sk);
342                 acked = tcp_slow_start(tp, acked);
343                 if (!acked)
344                         return;
345         }
346         bictcp_update(ca, tp->snd_cwnd, acked);
347         tcp_cong_avoid_ai(tp, ca->cnt, acked);
348 }
349
350 static u32 bictcp_recalc_ssthresh(struct sock *sk)
351 {
352         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
353         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
354
355         ca->epoch_start = 0;    /* end of epoch */
356
357         /* Wmax and fast convergence */
358         if (tp->snd_cwnd < ca->last_max_cwnd && fast_convergence)
359                 ca->last_max_cwnd = (tp->snd_cwnd * (BICTCP_BETA_SCALE + beta))
360                         / (2 * BICTCP_BETA_SCALE);
361         else
362                 ca->last_max_cwnd = tp->snd_cwnd;
363
364         return max((tp->snd_cwnd * beta) / BICTCP_BETA_SCALE, 2U);
365 }
366
367 static void bictcp_state(struct sock *sk, u8 new_state)
368 {
369         if (new_state == TCP_CA_Loss) {
370                 bictcp_reset(inet_csk_ca(sk));
371                 bictcp_hystart_reset(sk);
372         }
373 }
374
375 /* Account for TSO/GRO delays.
376  * Otherwise short RTT flows could get too small ssthresh, since during
377  * slow start we begin with small TSO packets and ca->delay_min would
378  * not account for long aggregation delay when TSO packets get bigger.
379  * Ideally even with a very small RTT we would like to have at least one
380  * TSO packet being sent and received by GRO, and another one in qdisc layer.
381  * We apply another 100% factor because @rate is doubled at this point.
382  * We cap the cushion to 1ms.
383  */
384 static u32 hystart_ack_delay(struct sock *sk)
385 {
386         unsigned long rate;
387
388         rate = READ_ONCE(sk->sk_pacing_rate);
389         if (!rate)
390                 return 0;
391         return min_t(u64, USEC_PER_MSEC,
392                      div64_ul((u64)GSO_MAX_SIZE * 4 * USEC_PER_SEC, rate));
393 }
394
395 static void hystart_update(struct sock *sk, u32 delay)
396 {
397         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
398         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
399         u32 threshold;
400
401         if (hystart_detect & HYSTART_ACK_TRAIN) {
402                 u32 now = bictcp_clock_us(sk);
403
404                 /* first detection parameter - ack-train detection */
405                 if ((s32)(now - ca->last_ack) <= hystart_ack_delta_us) {
406                         ca->last_ack = now;
407
408                         threshold = ca->delay_min + hystart_ack_delay(sk);
409
410                         /* Hystart ack train triggers if we get ack past
411                          * ca->delay_min/2.
412                          * Pacing might have delayed packets up to RTT/2
413                          * during slow start.
414                          */
415                         if (sk->sk_pacing_status == SK_PACING_NONE)
416                                 threshold >>= 1;
417
418                         if ((s32)(now - ca->round_start) > threshold) {
419                                 ca->found = 1;
420                                 pr_debug("hystart_ack_train (%u > %u) delay_min %u (+ ack_delay %u) cwnd %u\n",
421                                          now - ca->round_start, threshold,
422                                          ca->delay_min, hystart_ack_delay(sk), tp->snd_cwnd);
423                                 NET_INC_STATS(sock_net(sk),
424                                               LINUX_MIB_TCPHYSTARTTRAINDETECT);
425                                 NET_ADD_STATS(sock_net(sk),
426                                               LINUX_MIB_TCPHYSTARTTRAINCWND,
427                                               tp->snd_cwnd);
428                                 tp->snd_ssthresh = tp->snd_cwnd;
429                         }
430                 }
431         }
432
433         if (hystart_detect & HYSTART_DELAY) {
434                 /* obtain the minimum delay of more than sampling packets */
435                 if (ca->curr_rtt > delay)
436                         ca->curr_rtt = delay;
437                 if (ca->sample_cnt < HYSTART_MIN_SAMPLES) {
438                         ca->sample_cnt++;
439                 } else {
440                         if (ca->curr_rtt > ca->delay_min +
441                             HYSTART_DELAY_THRESH(ca->delay_min >> 3)) {
442                                 ca->found = 1;
443                                 NET_INC_STATS(sock_net(sk),
444                                               LINUX_MIB_TCPHYSTARTDELAYDETECT);
445                                 NET_ADD_STATS(sock_net(sk),
446                                               LINUX_MIB_TCPHYSTARTDELAYCWND,
447                                               tp->snd_cwnd);
448                                 tp->snd_ssthresh = tp->snd_cwnd;
449                         }
450                 }
451         }
452 }
453
454 static void bictcp_acked(struct sock *sk, const struct ack_sample *sample)
455 {
456         const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
457         struct bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
458         u32 delay;
459
460         /* Some calls are for duplicates without timetamps */
461         if (sample->rtt_us < 0)
462                 return;
463
464         /* Discard delay samples right after fast recovery */
465         if (ca->epoch_start && (s32)(tcp_jiffies32 - ca->epoch_start) < HZ)
466                 return;
467
468         delay = sample->rtt_us;
469         if (delay == 0)
470                 delay = 1;
471
472         /* first time call or link delay decreases */
473         if (ca->delay_min == 0 || ca->delay_min > delay)
474                 ca->delay_min = delay;
475
476         /* hystart triggers when cwnd is larger than some threshold */
477         if (!ca->found && tcp_in_slow_start(tp) && hystart &&
478             tp->snd_cwnd >= hystart_low_window)
479                 hystart_update(sk, delay);
480 }
481
482 static struct tcp_congestion_ops cubictcp __read_mostly = {
483         .init           = bictcp_init,
484         .ssthresh       = bictcp_recalc_ssthresh,
485         .cong_avoid     = bictcp_cong_avoid,
486         .set_state      = bictcp_state,
487         .undo_cwnd      = tcp_reno_undo_cwnd,
488         .cwnd_event     = bictcp_cwnd_event,
489         .pkts_acked     = bictcp_acked,
490         .owner          = THIS_MODULE,
491         .name           = "cubic",
492 };
493
494 static int __init cubictcp_register(void)
495 {
496         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct bictcp) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
497
498         /* Precompute a bunch of the scaling factors that are used per-packet
499          * based on SRTT of 100ms
500          */
501
502         beta_scale = 8*(BICTCP_BETA_SCALE+beta) / 3
503                 / (BICTCP_BETA_SCALE - beta);
504
505         cube_rtt_scale = (bic_scale * 10);      /* 1024*c/rtt */
506
507         /* calculate the "K" for (wmax-cwnd) = c/rtt * K^3
508          *  so K = cubic_root( (wmax-cwnd)*rtt/c )
509          * the unit of K is bictcp_HZ=2^10, not HZ
510          *
511          *  c = bic_scale >> 10
512          *  rtt = 100ms
513          *
514          * the following code has been designed and tested for
515          * cwnd < 1 million packets
516          * RTT < 100 seconds
517          * HZ < 1,000,00  (corresponding to 10 nano-second)
518          */
519
520         /* 1/c * 2^2*bictcp_HZ * srtt */
521         cube_factor = 1ull << (10+3*BICTCP_HZ); /* 2^40 */
522
523         /* divide by bic_scale and by constant Srtt (100ms) */
524         do_div(cube_factor, bic_scale * 10);
525
526         return tcp_register_congestion_control(&cubictcp);
527 }
528
529 static void __exit cubictcp_unregister(void)
530 {
531         tcp_unregister_congestion_control(&cubictcp);
532 }
533
534 module_init(cubictcp_register);
535 module_exit(cubictcp_unregister);
536
537 MODULE_AUTHOR("Sangtae Ha, Stephen Hemminger");
538 MODULE_LICENSE("GPL");
539 MODULE_DESCRIPTION("CUBIC TCP");
540 MODULE_VERSION("2.3");