tcp_bbr: add BBR congestion control
[linux-2.6-microblaze.git] / net / ipv4 / tcp_bbr.c
1 /* Bottleneck Bandwidth and RTT (BBR) congestion control
2  *
3  * BBR congestion control computes the sending rate based on the delivery
4  * rate (throughput) estimated from ACKs. In a nutshell:
5  *
6  *   On each ACK, update our model of the network path:
7  *      bottleneck_bandwidth = windowed_max(delivered / elapsed, 10 round trips)
8  *      min_rtt = windowed_min(rtt, 10 seconds)
9  *   pacing_rate = pacing_gain * bottleneck_bandwidth
10  *   cwnd = max(cwnd_gain * bottleneck_bandwidth * min_rtt, 4)
11  *
12  * The core algorithm does not react directly to packet losses or delays,
13  * although BBR may adjust the size of next send per ACK when loss is
14  * observed, or adjust the sending rate if it estimates there is a
15  * traffic policer, in order to keep the drop rate reasonable.
16  *
17  * BBR is described in detail in:
18  *   "BBR: Congestion-Based Congestion Control",
19  *   Neal Cardwell, Yuchung Cheng, C. Stephen Gunn, Soheil Hassas Yeganeh,
20  *   Van Jacobson. ACM Queue, Vol. 14 No. 5, September-October 2016.
21  *
22  * There is a public e-mail list for discussing BBR development and testing:
23  *   https://groups.google.com/forum/#!forum/bbr-dev
24  *
25  * NOTE: BBR *must* be used with the fq qdisc ("man tc-fq") with pacing enabled,
26  * since pacing is integral to the BBR design and implementation.
27  * BBR without pacing would not function properly, and may incur unnecessary
28  * high packet loss rates.
29  */
30 #include <linux/module.h>
31 #include <net/tcp.h>
32 #include <linux/inet_diag.h>
33 #include <linux/inet.h>
34 #include <linux/random.h>
35 #include <linux/win_minmax.h>
36
37 /* Scale factor for rate in pkt/uSec unit to avoid truncation in bandwidth
38  * estimation. The rate unit ~= (1500 bytes / 1 usec / 2^24) ~= 715 bps.
39  * This handles bandwidths from 0.06pps (715bps) to 256Mpps (3Tbps) in a u32.
40  * Since the minimum window is >=4 packets, the lower bound isn't
41  * an issue. The upper bound isn't an issue with existing technologies.
42  */
43 #define BW_SCALE 24
44 #define BW_UNIT (1 << BW_SCALE)
45
46 #define BBR_SCALE 8     /* scaling factor for fractions in BBR (e.g. gains) */
47 #define BBR_UNIT (1 << BBR_SCALE)
48
49 /* BBR has the following modes for deciding how fast to send: */
50 enum bbr_mode {
51         BBR_STARTUP,    /* ramp up sending rate rapidly to fill pipe */
52         BBR_DRAIN,      /* drain any queue created during startup */
53         BBR_PROBE_BW,   /* discover, share bw: pace around estimated bw */
54         BBR_PROBE_RTT,  /* cut cwnd to min to probe min_rtt */
55 };
56
57 /* BBR congestion control block */
58 struct bbr {
59         u32     min_rtt_us;             /* min RTT in min_rtt_win_sec window */
60         u32     min_rtt_stamp;          /* timestamp of min_rtt_us */
61         u32     probe_rtt_done_stamp;   /* end time for BBR_PROBE_RTT mode */
62         struct minmax bw;       /* Max recent delivery rate in pkts/uS << 24 */
63         u32     rtt_cnt;            /* count of packet-timed rounds elapsed */
64         u32     next_rtt_delivered; /* scb->tx.delivered at end of round */
65         struct skb_mstamp cycle_mstamp;  /* time of this cycle phase start */
66         u32     mode:3,              /* current bbr_mode in state machine */
67                 prev_ca_state:3,     /* CA state on previous ACK */
68                 packet_conservation:1,  /* use packet conservation? */
69                 restore_cwnd:1,      /* decided to revert cwnd to old value */
70                 round_start:1,       /* start of packet-timed tx->ack round? */
71                 tso_segs_goal:7,     /* segments we want in each skb we send */
72                 idle_restart:1,      /* restarting after idle? */
73                 probe_rtt_round_done:1,  /* a BBR_PROBE_RTT round at 4 pkts? */
74                 unused:5,
75                 lt_is_sampling:1,    /* taking long-term ("LT") samples now? */
76                 lt_rtt_cnt:7,        /* round trips in long-term interval */
77                 lt_use_bw:1;         /* use lt_bw as our bw estimate? */
78         u32     lt_bw;               /* LT est delivery rate in pkts/uS << 24 */
79         u32     lt_last_delivered;   /* LT intvl start: tp->delivered */
80         u32     lt_last_stamp;       /* LT intvl start: tp->delivered_mstamp */
81         u32     lt_last_lost;        /* LT intvl start: tp->lost */
82         u32     pacing_gain:10, /* current gain for setting pacing rate */
83                 cwnd_gain:10,   /* current gain for setting cwnd */
84                 full_bw_cnt:3,  /* number of rounds without large bw gains */
85                 cycle_idx:3,    /* current index in pacing_gain cycle array */
86                 unused_b:6;
87         u32     prior_cwnd;     /* prior cwnd upon entering loss recovery */
88         u32     full_bw;        /* recent bw, to estimate if pipe is full */
89 };
90
91 #define CYCLE_LEN       8       /* number of phases in a pacing gain cycle */
92
93 /* Window length of bw filter (in rounds): */
94 static const int bbr_bw_rtts = CYCLE_LEN + 2;
95 /* Window length of min_rtt filter (in sec): */
96 static const u32 bbr_min_rtt_win_sec = 10;
97 /* Minimum time (in ms) spent at bbr_cwnd_min_target in BBR_PROBE_RTT mode: */
98 static const u32 bbr_probe_rtt_mode_ms = 200;
99 /* Skip TSO below the following bandwidth (bits/sec): */
100 static const int bbr_min_tso_rate = 1200000;
101
102 /* We use a high_gain value of 2/ln(2) because it's the smallest pacing gain
103  * that will allow a smoothly increasing pacing rate that will double each RTT
104  * and send the same number of packets per RTT that an un-paced, slow-starting
105  * Reno or CUBIC flow would:
106  */
107 static const int bbr_high_gain  = BBR_UNIT * 2885 / 1000 + 1;
108 /* The pacing gain of 1/high_gain in BBR_DRAIN is calculated to typically drain
109  * the queue created in BBR_STARTUP in a single round:
110  */
111 static const int bbr_drain_gain = BBR_UNIT * 1000 / 2885;
112 /* The gain for deriving steady-state cwnd tolerates delayed/stretched ACKs: */
113 static const int bbr_cwnd_gain  = BBR_UNIT * 2;
114 /* The pacing_gain values for the PROBE_BW gain cycle, to discover/share bw: */
115 static const int bbr_pacing_gain[] = {
116         BBR_UNIT * 5 / 4,       /* probe for more available bw */
117         BBR_UNIT * 3 / 4,       /* drain queue and/or yield bw to other flows */
118         BBR_UNIT, BBR_UNIT, BBR_UNIT,   /* cruise at 1.0*bw to utilize pipe, */
119         BBR_UNIT, BBR_UNIT, BBR_UNIT    /* without creating excess queue... */
120 };
121 /* Randomize the starting gain cycling phase over N phases: */
122 static const u32 bbr_cycle_rand = 7;
123
124 /* Try to keep at least this many packets in flight, if things go smoothly. For
125  * smooth functioning, a sliding window protocol ACKing every other packet
126  * needs at least 4 packets in flight:
127  */
128 static const u32 bbr_cwnd_min_target = 4;
129
130 /* To estimate if BBR_STARTUP mode (i.e. high_gain) has filled pipe... */
131 /* If bw has increased significantly (1.25x), there may be more bw available: */
132 static const u32 bbr_full_bw_thresh = BBR_UNIT * 5 / 4;
133 /* But after 3 rounds w/o significant bw growth, estimate pipe is full: */
134 static const u32 bbr_full_bw_cnt = 3;
135
136 /* "long-term" ("LT") bandwidth estimator parameters... */
137 /* The minimum number of rounds in an LT bw sampling interval: */
138 static const u32 bbr_lt_intvl_min_rtts = 4;
139 /* If lost/delivered ratio > 20%, interval is "lossy" and we may be policed: */
140 static const u32 bbr_lt_loss_thresh = 50;
141 /* If 2 intervals have a bw ratio <= 1/8, their bw is "consistent": */
142 static const u32 bbr_lt_bw_ratio = BBR_UNIT / 8;
143 /* If 2 intervals have a bw diff <= 4 Kbit/sec their bw is "consistent": */
144 static const u32 bbr_lt_bw_diff = 4000 / 8;
145 /* If we estimate we're policed, use lt_bw for this many round trips: */
146 static const u32 bbr_lt_bw_max_rtts = 48;
147
148 /* Do we estimate that STARTUP filled the pipe? */
149 static bool bbr_full_bw_reached(const struct sock *sk)
150 {
151         const struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
152
153         return bbr->full_bw_cnt >= bbr_full_bw_cnt;
154 }
155
156 /* Return the windowed max recent bandwidth sample, in pkts/uS << BW_SCALE. */
157 static u32 bbr_max_bw(const struct sock *sk)
158 {
159         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
160
161         return minmax_get(&bbr->bw);
162 }
163
164 /* Return the estimated bandwidth of the path, in pkts/uS << BW_SCALE. */
165 static u32 bbr_bw(const struct sock *sk)
166 {
167         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
168
169         return bbr->lt_use_bw ? bbr->lt_bw : bbr_max_bw(sk);
170 }
171
172 /* Return rate in bytes per second, optionally with a gain.
173  * The order here is chosen carefully to avoid overflow of u64. This should
174  * work for input rates of up to 2.9Tbit/sec and gain of 2.89x.
175  */
176 static u64 bbr_rate_bytes_per_sec(struct sock *sk, u64 rate, int gain)
177 {
178         rate *= tcp_mss_to_mtu(sk, tcp_sk(sk)->mss_cache);
179         rate *= gain;
180         rate >>= BBR_SCALE;
181         rate *= USEC_PER_SEC;
182         return rate >> BW_SCALE;
183 }
184
185 /* Pace using current bw estimate and a gain factor. In order to help drive the
186  * network toward lower queues while maintaining high utilization and low
187  * latency, the average pacing rate aims to be slightly (~1%) lower than the
188  * estimated bandwidth. This is an important aspect of the design. In this
189  * implementation this slightly lower pacing rate is achieved implicitly by not
190  * including link-layer headers in the packet size used for the pacing rate.
191  */
192 static void bbr_set_pacing_rate(struct sock *sk, u32 bw, int gain)
193 {
194         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
195         u64 rate = bw;
196
197         rate = bbr_rate_bytes_per_sec(sk, rate, gain);
198         rate = min_t(u64, rate, sk->sk_max_pacing_rate);
199         if (bbr->mode != BBR_STARTUP || rate > sk->sk_pacing_rate)
200                 sk->sk_pacing_rate = rate;
201 }
202
203 /* Return count of segments we want in the skbs we send, or 0 for default. */
204 static u32 bbr_tso_segs_goal(struct sock *sk)
205 {
206         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
207
208         return bbr->tso_segs_goal;
209 }
210
211 static void bbr_set_tso_segs_goal(struct sock *sk)
212 {
213         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
214         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
215         u32 min_segs;
216
217         min_segs = sk->sk_pacing_rate < (bbr_min_tso_rate >> 3) ? 1 : 2;
218         bbr->tso_segs_goal = min(tcp_tso_autosize(sk, tp->mss_cache, min_segs),
219                                  0x7FU);
220 }
221
222 /* Save "last known good" cwnd so we can restore it after losses or PROBE_RTT */
223 static void bbr_save_cwnd(struct sock *sk)
224 {
225         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
226         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
227
228         if (bbr->prev_ca_state < TCP_CA_Recovery && bbr->mode != BBR_PROBE_RTT)
229                 bbr->prior_cwnd = tp->snd_cwnd;  /* this cwnd is good enough */
230         else  /* loss recovery or BBR_PROBE_RTT have temporarily cut cwnd */
231                 bbr->prior_cwnd = max(bbr->prior_cwnd, tp->snd_cwnd);
232 }
233
234 static void bbr_cwnd_event(struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
235 {
236         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
237         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
238
239         if (event == CA_EVENT_TX_START && tp->app_limited) {
240                 bbr->idle_restart = 1;
241                 /* Avoid pointless buffer overflows: pace at est. bw if we don't
242                  * need more speed (we're restarting from idle and app-limited).
243                  */
244                 if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW)
245                         bbr_set_pacing_rate(sk, bbr_bw(sk), BBR_UNIT);
246         }
247 }
248
249 /* Find target cwnd. Right-size the cwnd based on min RTT and the
250  * estimated bottleneck bandwidth:
251  *
252  * cwnd = bw * min_rtt * gain = BDP * gain
253  *
254  * The key factor, gain, controls the amount of queue. While a small gain
255  * builds a smaller queue, it becomes more vulnerable to noise in RTT
256  * measurements (e.g., delayed ACKs or other ACK compression effects). This
257  * noise may cause BBR to under-estimate the rate.
258  *
259  * To achieve full performance in high-speed paths, we budget enough cwnd to
260  * fit full-sized skbs in-flight on both end hosts to fully utilize the path:
261  *   - one skb in sending host Qdisc,
262  *   - one skb in sending host TSO/GSO engine
263  *   - one skb being received by receiver host LRO/GRO/delayed-ACK engine
264  * Don't worry, at low rates (bbr_min_tso_rate) this won't bloat cwnd because
265  * in such cases tso_segs_goal is 1. The minimum cwnd is 4 packets,
266  * which allows 2 outstanding 2-packet sequences, to try to keep pipe
267  * full even with ACK-every-other-packet delayed ACKs.
268  */
269 static u32 bbr_target_cwnd(struct sock *sk, u32 bw, int gain)
270 {
271         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
272         u32 cwnd;
273         u64 w;
274
275         /* If we've never had a valid RTT sample, cap cwnd at the initial
276          * default. This should only happen when the connection is not using TCP
277          * timestamps and has retransmitted all of the SYN/SYNACK/data packets
278          * ACKed so far. In this case, an RTO can cut cwnd to 1, in which
279          * case we need to slow-start up toward something safe: TCP_INIT_CWND.
280          */
281         if (unlikely(bbr->min_rtt_us == ~0U))    /* no valid RTT samples yet? */
282                 return TCP_INIT_CWND;  /* be safe: cap at default initial cwnd*/
283
284         w = (u64)bw * bbr->min_rtt_us;
285
286         /* Apply a gain to the given value, then remove the BW_SCALE shift. */
287         cwnd = (((w * gain) >> BBR_SCALE) + BW_UNIT - 1) / BW_UNIT;
288
289         /* Allow enough full-sized skbs in flight to utilize end systems. */
290         cwnd += 3 * bbr->tso_segs_goal;
291
292         /* Reduce delayed ACKs by rounding up cwnd to the next even number. */
293         cwnd = (cwnd + 1) & ~1U;
294
295         return cwnd;
296 }
297
298 /* An optimization in BBR to reduce losses: On the first round of recovery, we
299  * follow the packet conservation principle: send P packets per P packets acked.
300  * After that, we slow-start and send at most 2*P packets per P packets acked.
301  * After recovery finishes, or upon undo, we restore the cwnd we had when
302  * recovery started (capped by the target cwnd based on estimated BDP).
303  *
304  * TODO(ycheng/ncardwell): implement a rate-based approach.
305  */
306 static bool bbr_set_cwnd_to_recover_or_restore(
307         struct sock *sk, const struct rate_sample *rs, u32 acked, u32 *new_cwnd)
308 {
309         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
310         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
311         u8 prev_state = bbr->prev_ca_state, state = inet_csk(sk)->icsk_ca_state;
312         u32 cwnd = tp->snd_cwnd;
313
314         /* An ACK for P pkts should release at most 2*P packets. We do this
315          * in two steps. First, here we deduct the number of lost packets.
316          * Then, in bbr_set_cwnd() we slow start up toward the target cwnd.
317          */
318         if (rs->losses > 0)
319                 cwnd = max_t(s32, cwnd - rs->losses, 1);
320
321         if (state == TCP_CA_Recovery && prev_state != TCP_CA_Recovery) {
322                 /* Starting 1st round of Recovery, so do packet conservation. */
323                 bbr->packet_conservation = 1;
324                 bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;  /* start round now */
325                 /* Cut unused cwnd from app behavior, TSQ, or TSO deferral: */
326                 cwnd = tcp_packets_in_flight(tp) + acked;
327         } else if (prev_state >= TCP_CA_Recovery && state < TCP_CA_Recovery) {
328                 /* Exiting loss recovery; restore cwnd saved before recovery. */
329                 bbr->restore_cwnd = 1;
330                 bbr->packet_conservation = 0;
331         }
332         bbr->prev_ca_state = state;
333
334         if (bbr->restore_cwnd) {
335                 /* Restore cwnd after exiting loss recovery or PROBE_RTT. */
336                 cwnd = max(cwnd, bbr->prior_cwnd);
337                 bbr->restore_cwnd = 0;
338         }
339
340         if (bbr->packet_conservation) {
341                 *new_cwnd = max(cwnd, tcp_packets_in_flight(tp) + acked);
342                 return true;    /* yes, using packet conservation */
343         }
344         *new_cwnd = cwnd;
345         return false;
346 }
347
348 /* Slow-start up toward target cwnd (if bw estimate is growing, or packet loss
349  * has drawn us down below target), or snap down to target if we're above it.
350  */
351 static void bbr_set_cwnd(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs,
352                          u32 acked, u32 bw, int gain)
353 {
354         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
355         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
356         u32 cwnd = 0, target_cwnd = 0;
357
358         if (!acked)
359                 return;
360
361         if (bbr_set_cwnd_to_recover_or_restore(sk, rs, acked, &cwnd))
362                 goto done;
363
364         /* If we're below target cwnd, slow start cwnd toward target cwnd. */
365         target_cwnd = bbr_target_cwnd(sk, bw, gain);
366         if (bbr_full_bw_reached(sk))  /* only cut cwnd if we filled the pipe */
367                 cwnd = min(cwnd + acked, target_cwnd);
368         else if (cwnd < target_cwnd || tp->delivered < TCP_INIT_CWND)
369                 cwnd = cwnd + acked;
370         cwnd = max(cwnd, bbr_cwnd_min_target);
371
372 done:
373         tp->snd_cwnd = min(cwnd, tp->snd_cwnd_clamp);   /* apply global cap */
374         if (bbr->mode == BBR_PROBE_RTT)  /* drain queue, refresh min_rtt */
375                 tp->snd_cwnd = min(tp->snd_cwnd, bbr_cwnd_min_target);
376 }
377
378 /* End cycle phase if it's time and/or we hit the phase's in-flight target. */
379 static bool bbr_is_next_cycle_phase(struct sock *sk,
380                                     const struct rate_sample *rs)
381 {
382         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
383         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
384         bool is_full_length =
385                 skb_mstamp_us_delta(&tp->delivered_mstamp, &bbr->cycle_mstamp) >
386                 bbr->min_rtt_us;
387         u32 inflight, bw;
388
389         /* The pacing_gain of 1.0 paces at the estimated bw to try to fully
390          * use the pipe without increasing the queue.
391          */
392         if (bbr->pacing_gain == BBR_UNIT)
393                 return is_full_length;          /* just use wall clock time */
394
395         inflight = rs->prior_in_flight;  /* what was in-flight before ACK? */
396         bw = bbr_max_bw(sk);
397
398         /* A pacing_gain > 1.0 probes for bw by trying to raise inflight to at
399          * least pacing_gain*BDP; this may take more than min_rtt if min_rtt is
400          * small (e.g. on a LAN). We do not persist if packets are lost, since
401          * a path with small buffers may not hold that much.
402          */
403         if (bbr->pacing_gain > BBR_UNIT)
404                 return is_full_length &&
405                         (rs->losses ||  /* perhaps pacing_gain*BDP won't fit */
406                          inflight >= bbr_target_cwnd(sk, bw, bbr->pacing_gain));
407
408         /* A pacing_gain < 1.0 tries to drain extra queue we added if bw
409          * probing didn't find more bw. If inflight falls to match BDP then we
410          * estimate queue is drained; persisting would underutilize the pipe.
411          */
412         return is_full_length ||
413                 inflight <= bbr_target_cwnd(sk, bw, BBR_UNIT);
414 }
415
416 static void bbr_advance_cycle_phase(struct sock *sk)
417 {
418         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
419         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
420
421         bbr->cycle_idx = (bbr->cycle_idx + 1) & (CYCLE_LEN - 1);
422         bbr->cycle_mstamp = tp->delivered_mstamp;
423         bbr->pacing_gain = bbr_pacing_gain[bbr->cycle_idx];
424 }
425
426 /* Gain cycling: cycle pacing gain to converge to fair share of available bw. */
427 static void bbr_update_cycle_phase(struct sock *sk,
428                                    const struct rate_sample *rs)
429 {
430         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
431
432         if ((bbr->mode == BBR_PROBE_BW) && !bbr->lt_use_bw &&
433             bbr_is_next_cycle_phase(sk, rs))
434                 bbr_advance_cycle_phase(sk);
435 }
436
437 static void bbr_reset_startup_mode(struct sock *sk)
438 {
439         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
440
441         bbr->mode = BBR_STARTUP;
442         bbr->pacing_gain = bbr_high_gain;
443         bbr->cwnd_gain   = bbr_high_gain;
444 }
445
446 static void bbr_reset_probe_bw_mode(struct sock *sk)
447 {
448         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
449
450         bbr->mode = BBR_PROBE_BW;
451         bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;
452         bbr->cwnd_gain = bbr_cwnd_gain;
453         bbr->cycle_idx = CYCLE_LEN - 1 - prandom_u32_max(bbr_cycle_rand);
454         bbr_advance_cycle_phase(sk);    /* flip to next phase of gain cycle */
455 }
456
457 static void bbr_reset_mode(struct sock *sk)
458 {
459         if (!bbr_full_bw_reached(sk))
460                 bbr_reset_startup_mode(sk);
461         else
462                 bbr_reset_probe_bw_mode(sk);
463 }
464
465 /* Start a new long-term sampling interval. */
466 static void bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(struct sock *sk)
467 {
468         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
469         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
470
471         bbr->lt_last_stamp = tp->delivered_mstamp.stamp_jiffies;
472         bbr->lt_last_delivered = tp->delivered;
473         bbr->lt_last_lost = tp->lost;
474         bbr->lt_rtt_cnt = 0;
475 }
476
477 /* Completely reset long-term bandwidth sampling. */
478 static void bbr_reset_lt_bw_sampling(struct sock *sk)
479 {
480         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
481
482         bbr->lt_bw = 0;
483         bbr->lt_use_bw = 0;
484         bbr->lt_is_sampling = false;
485         bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
486 }
487
488 /* Long-term bw sampling interval is done. Estimate whether we're policed. */
489 static void bbr_lt_bw_interval_done(struct sock *sk, u32 bw)
490 {
491         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
492         u32 diff;
493
494         if (bbr->lt_bw) {  /* do we have bw from a previous interval? */
495                 /* Is new bw close to the lt_bw from the previous interval? */
496                 diff = abs(bw - bbr->lt_bw);
497                 if ((diff * BBR_UNIT <= bbr_lt_bw_ratio * bbr->lt_bw) ||
498                     (bbr_rate_bytes_per_sec(sk, diff, BBR_UNIT) <=
499                      bbr_lt_bw_diff)) {
500                         /* All criteria are met; estimate we're policed. */
501                         bbr->lt_bw = (bw + bbr->lt_bw) >> 1;  /* avg 2 intvls */
502                         bbr->lt_use_bw = 1;
503                         bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;  /* try to avoid drops */
504                         bbr->lt_rtt_cnt = 0;
505                         return;
506                 }
507         }
508         bbr->lt_bw = bw;
509         bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
510 }
511
512 /* Token-bucket traffic policers are common (see "An Internet-Wide Analysis of
513  * Traffic Policing", SIGCOMM 2016). BBR detects token-bucket policers and
514  * explicitly models their policed rate, to reduce unnecessary losses. We
515  * estimate that we're policed if we see 2 consecutive sampling intervals with
516  * consistent throughput and high packet loss. If we think we're being policed,
517  * set lt_bw to the "long-term" average delivery rate from those 2 intervals.
518  */
519 static void bbr_lt_bw_sampling(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
520 {
521         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
522         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
523         u32 lost, delivered;
524         u64 bw;
525         s32 t;
526
527         if (bbr->lt_use_bw) {   /* already using long-term rate, lt_bw? */
528                 if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW && bbr->round_start &&
529                     ++bbr->lt_rtt_cnt >= bbr_lt_bw_max_rtts) {
530                         bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);    /* stop using lt_bw */
531                         bbr_reset_probe_bw_mode(sk);  /* restart gain cycling */
532                 }
533                 return;
534         }
535
536         /* Wait for the first loss before sampling, to let the policer exhaust
537          * its tokens and estimate the steady-state rate allowed by the policer.
538          * Starting samples earlier includes bursts that over-estimate the bw.
539          */
540         if (!bbr->lt_is_sampling) {
541                 if (!rs->losses)
542                         return;
543                 bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
544                 bbr->lt_is_sampling = true;
545         }
546
547         /* To avoid underestimates, reset sampling if we run out of data. */
548         if (rs->is_app_limited) {
549                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);
550                 return;
551         }
552
553         if (bbr->round_start)
554                 bbr->lt_rtt_cnt++;      /* count round trips in this interval */
555         if (bbr->lt_rtt_cnt < bbr_lt_intvl_min_rtts)
556                 return;         /* sampling interval needs to be longer */
557         if (bbr->lt_rtt_cnt > 4 * bbr_lt_intvl_min_rtts) {
558                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);  /* interval is too long */
559                 return;
560         }
561
562         /* End sampling interval when a packet is lost, so we estimate the
563          * policer tokens were exhausted. Stopping the sampling before the
564          * tokens are exhausted under-estimates the policed rate.
565          */
566         if (!rs->losses)
567                 return;
568
569         /* Calculate packets lost and delivered in sampling interval. */
570         lost = tp->lost - bbr->lt_last_lost;
571         delivered = tp->delivered - bbr->lt_last_delivered;
572         /* Is loss rate (lost/delivered) >= lt_loss_thresh? If not, wait. */
573         if (!delivered || (lost << BBR_SCALE) < bbr_lt_loss_thresh * delivered)
574                 return;
575
576         /* Find average delivery rate in this sampling interval. */
577         t = (s32)(tp->delivered_mstamp.stamp_jiffies - bbr->lt_last_stamp);
578         if (t < 1)
579                 return;         /* interval is less than one jiffy, so wait */
580         t = jiffies_to_usecs(t);
581         /* Interval long enough for jiffies_to_usecs() to return a bogus 0? */
582         if (t < 1) {
583                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);  /* interval too long; reset */
584                 return;
585         }
586         bw = (u64)delivered * BW_UNIT;
587         do_div(bw, t);
588         bbr_lt_bw_interval_done(sk, bw);
589 }
590
591 /* Estimate the bandwidth based on how fast packets are delivered */
592 static void bbr_update_bw(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
593 {
594         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
595         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
596         u64 bw;
597
598         bbr->round_start = 0;
599         if (rs->delivered < 0 || rs->interval_us <= 0)
600                 return; /* Not a valid observation */
601
602         /* See if we've reached the next RTT */
603         if (!before(rs->prior_delivered, bbr->next_rtt_delivered)) {
604                 bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;
605                 bbr->rtt_cnt++;
606                 bbr->round_start = 1;
607                 bbr->packet_conservation = 0;
608         }
609
610         bbr_lt_bw_sampling(sk, rs);
611
612         /* Divide delivered by the interval to find a (lower bound) bottleneck
613          * bandwidth sample. Delivered is in packets and interval_us in uS and
614          * ratio will be <<1 for most connections. So delivered is first scaled.
615          */
616         bw = (u64)rs->delivered * BW_UNIT;
617         do_div(bw, rs->interval_us);
618
619         /* If this sample is application-limited, it is likely to have a very
620          * low delivered count that represents application behavior rather than
621          * the available network rate. Such a sample could drag down estimated
622          * bw, causing needless slow-down. Thus, to continue to send at the
623          * last measured network rate, we filter out app-limited samples unless
624          * they describe the path bw at least as well as our bw model.
625          *
626          * So the goal during app-limited phase is to proceed with the best
627          * network rate no matter how long. We automatically leave this
628          * phase when app writes faster than the network can deliver :)
629          */
630         if (!rs->is_app_limited || bw >= bbr_max_bw(sk)) {
631                 /* Incorporate new sample into our max bw filter. */
632                 minmax_running_max(&bbr->bw, bbr_bw_rtts, bbr->rtt_cnt, bw);
633         }
634 }
635
636 /* Estimate when the pipe is full, using the change in delivery rate: BBR
637  * estimates that STARTUP filled the pipe if the estimated bw hasn't changed by
638  * at least bbr_full_bw_thresh (25%) after bbr_full_bw_cnt (3) non-app-limited
639  * rounds. Why 3 rounds: 1: rwin autotuning grows the rwin, 2: we fill the
640  * higher rwin, 3: we get higher delivery rate samples. Or transient
641  * cross-traffic or radio noise can go away. CUBIC Hystart shares a similar
642  * design goal, but uses delay and inter-ACK spacing instead of bandwidth.
643  */
644 static void bbr_check_full_bw_reached(struct sock *sk,
645                                       const struct rate_sample *rs)
646 {
647         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
648         u32 bw_thresh;
649
650         if (bbr_full_bw_reached(sk) || !bbr->round_start || rs->is_app_limited)
651                 return;
652
653         bw_thresh = (u64)bbr->full_bw * bbr_full_bw_thresh >> BBR_SCALE;
654         if (bbr_max_bw(sk) >= bw_thresh) {
655                 bbr->full_bw = bbr_max_bw(sk);
656                 bbr->full_bw_cnt = 0;
657                 return;
658         }
659         ++bbr->full_bw_cnt;
660 }
661
662 /* If pipe is probably full, drain the queue and then enter steady-state. */
663 static void bbr_check_drain(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
664 {
665         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
666
667         if (bbr->mode == BBR_STARTUP && bbr_full_bw_reached(sk)) {
668                 bbr->mode = BBR_DRAIN;  /* drain queue we created */
669                 bbr->pacing_gain = bbr_drain_gain;      /* pace slow to drain */
670                 bbr->cwnd_gain = bbr_high_gain; /* maintain cwnd */
671         }       /* fall through to check if in-flight is already small: */
672         if (bbr->mode == BBR_DRAIN &&
673             tcp_packets_in_flight(tcp_sk(sk)) <=
674             bbr_target_cwnd(sk, bbr_max_bw(sk), BBR_UNIT))
675                 bbr_reset_probe_bw_mode(sk);  /* we estimate queue is drained */
676 }
677
678 /* The goal of PROBE_RTT mode is to have BBR flows cooperatively and
679  * periodically drain the bottleneck queue, to converge to measure the true
680  * min_rtt (unloaded propagation delay). This allows the flows to keep queues
681  * small (reducing queuing delay and packet loss) and achieve fairness among
682  * BBR flows.
683  *
684  * The min_rtt filter window is 10 seconds. When the min_rtt estimate expires,
685  * we enter PROBE_RTT mode and cap the cwnd at bbr_cwnd_min_target=4 packets.
686  * After at least bbr_probe_rtt_mode_ms=200ms and at least one packet-timed
687  * round trip elapsed with that flight size <= 4, we leave PROBE_RTT mode and
688  * re-enter the previous mode. BBR uses 200ms to approximately bound the
689  * performance penalty of PROBE_RTT's cwnd capping to roughly 2% (200ms/10s).
690  *
691  * Note that flows need only pay 2% if they are busy sending over the last 10
692  * seconds. Interactive applications (e.g., Web, RPCs, video chunks) often have
693  * natural silences or low-rate periods within 10 seconds where the rate is low
694  * enough for long enough to drain its queue in the bottleneck. We pick up
695  * these min RTT measurements opportunistically with our min_rtt filter. :-)
696  */
697 static void bbr_update_min_rtt(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
698 {
699         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
700         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
701         bool filter_expired;
702
703         /* Track min RTT seen in the min_rtt_win_sec filter window: */
704         filter_expired = after(tcp_time_stamp,
705                                bbr->min_rtt_stamp + bbr_min_rtt_win_sec * HZ);
706         if (rs->rtt_us >= 0 &&
707             (rs->rtt_us <= bbr->min_rtt_us || filter_expired)) {
708                 bbr->min_rtt_us = rs->rtt_us;
709                 bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
710         }
711
712         if (bbr_probe_rtt_mode_ms > 0 && filter_expired &&
713             !bbr->idle_restart && bbr->mode != BBR_PROBE_RTT) {
714                 bbr->mode = BBR_PROBE_RTT;  /* dip, drain queue */
715                 bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;
716                 bbr->cwnd_gain = BBR_UNIT;
717                 bbr_save_cwnd(sk);  /* note cwnd so we can restore it */
718                 bbr->probe_rtt_done_stamp = 0;
719         }
720
721         if (bbr->mode == BBR_PROBE_RTT) {
722                 /* Ignore low rate samples during this mode. */
723                 tp->app_limited =
724                         (tp->delivered + tcp_packets_in_flight(tp)) ? : 1;
725                 /* Maintain min packets in flight for max(200 ms, 1 round). */
726                 if (!bbr->probe_rtt_done_stamp &&
727                     tcp_packets_in_flight(tp) <= bbr_cwnd_min_target) {
728                         bbr->probe_rtt_done_stamp = tcp_time_stamp +
729                                 msecs_to_jiffies(bbr_probe_rtt_mode_ms);
730                         bbr->probe_rtt_round_done = 0;
731                         bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;
732                 } else if (bbr->probe_rtt_done_stamp) {
733                         if (bbr->round_start)
734                                 bbr->probe_rtt_round_done = 1;
735                         if (bbr->probe_rtt_round_done &&
736                             after(tcp_time_stamp, bbr->probe_rtt_done_stamp)) {
737                                 bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
738                                 bbr->restore_cwnd = 1;  /* snap to prior_cwnd */
739                                 bbr_reset_mode(sk);
740                         }
741                 }
742         }
743         bbr->idle_restart = 0;
744 }
745
746 static void bbr_update_model(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
747 {
748         bbr_update_bw(sk, rs);
749         bbr_update_cycle_phase(sk, rs);
750         bbr_check_full_bw_reached(sk, rs);
751         bbr_check_drain(sk, rs);
752         bbr_update_min_rtt(sk, rs);
753 }
754
755 static void bbr_main(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
756 {
757         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
758         u32 bw;
759
760         bbr_update_model(sk, rs);
761
762         bw = bbr_bw(sk);
763         bbr_set_pacing_rate(sk, bw, bbr->pacing_gain);
764         bbr_set_tso_segs_goal(sk);
765         bbr_set_cwnd(sk, rs, rs->acked_sacked, bw, bbr->cwnd_gain);
766 }
767
768 static void bbr_init(struct sock *sk)
769 {
770         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
771         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
772         u64 bw;
773
774         bbr->prior_cwnd = 0;
775         bbr->tso_segs_goal = 0;  /* default segs per skb until first ACK */
776         bbr->rtt_cnt = 0;
777         bbr->next_rtt_delivered = 0;
778         bbr->prev_ca_state = TCP_CA_Open;
779         bbr->packet_conservation = 0;
780
781         bbr->probe_rtt_done_stamp = 0;
782         bbr->probe_rtt_round_done = 0;
783         bbr->min_rtt_us = tcp_min_rtt(tp);
784         bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
785
786         minmax_reset(&bbr->bw, bbr->rtt_cnt, 0);  /* init max bw to 0 */
787
788         /* Initialize pacing rate to: high_gain * init_cwnd / RTT. */
789         bw = (u64)tp->snd_cwnd * BW_UNIT;
790         do_div(bw, (tp->srtt_us >> 3) ? : USEC_PER_MSEC);
791         sk->sk_pacing_rate = 0;         /* force an update of sk_pacing_rate */
792         bbr_set_pacing_rate(sk, bw, bbr_high_gain);
793
794         bbr->restore_cwnd = 0;
795         bbr->round_start = 0;
796         bbr->idle_restart = 0;
797         bbr->full_bw = 0;
798         bbr->full_bw_cnt = 0;
799         bbr->cycle_mstamp.v64 = 0;
800         bbr->cycle_idx = 0;
801         bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);
802         bbr_reset_startup_mode(sk);
803 }
804
805 static u32 bbr_sndbuf_expand(struct sock *sk)
806 {
807         /* Provision 3 * cwnd since BBR may slow-start even during recovery. */
808         return 3;
809 }
810
811 /* In theory BBR does not need to undo the cwnd since it does not
812  * always reduce cwnd on losses (see bbr_main()). Keep it for now.
813  */
814 static u32 bbr_undo_cwnd(struct sock *sk)
815 {
816         return tcp_sk(sk)->snd_cwnd;
817 }
818
819 /* Entering loss recovery, so save cwnd for when we exit or undo recovery. */
820 static u32 bbr_ssthresh(struct sock *sk)
821 {
822         bbr_save_cwnd(sk);
823         return TCP_INFINITE_SSTHRESH;    /* BBR does not use ssthresh */
824 }
825
826 static size_t bbr_get_info(struct sock *sk, u32 ext, int *attr,
827                            union tcp_cc_info *info)
828 {
829         if (ext & (1 << (INET_DIAG_BBRINFO - 1)) ||
830             ext & (1 << (INET_DIAG_VEGASINFO - 1))) {
831                 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
832                 struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
833                 u64 bw = bbr_bw(sk);
834
835                 bw = bw * tp->mss_cache * USEC_PER_SEC >> BW_SCALE;
836                 memset(&info->bbr, 0, sizeof(info->bbr));
837                 info->bbr.bbr_bw_lo             = (u32)bw;
838                 info->bbr.bbr_bw_hi             = (u32)(bw >> 32);
839                 info->bbr.bbr_min_rtt           = bbr->min_rtt_us;
840                 info->bbr.bbr_pacing_gain       = bbr->pacing_gain;
841                 info->bbr.bbr_cwnd_gain         = bbr->cwnd_gain;
842                 *attr = INET_DIAG_BBRINFO;
843                 return sizeof(info->bbr);
844         }
845         return 0;
846 }
847
848 static void bbr_set_state(struct sock *sk, u8 new_state)
849 {
850         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
851
852         if (new_state == TCP_CA_Loss) {
853                 struct rate_sample rs = { .losses = 1 };
854
855                 bbr->prev_ca_state = TCP_CA_Loss;
856                 bbr->full_bw = 0;
857                 bbr->round_start = 1;   /* treat RTO like end of a round */
858                 bbr_lt_bw_sampling(sk, &rs);
859         }
860 }
861
862 static struct tcp_congestion_ops tcp_bbr_cong_ops __read_mostly = {
863         .flags          = TCP_CONG_NON_RESTRICTED,
864         .name           = "bbr",
865         .owner          = THIS_MODULE,
866         .init           = bbr_init,
867         .cong_control   = bbr_main,
868         .sndbuf_expand  = bbr_sndbuf_expand,
869         .undo_cwnd      = bbr_undo_cwnd,
870         .cwnd_event     = bbr_cwnd_event,
871         .ssthresh       = bbr_ssthresh,
872         .tso_segs_goal  = bbr_tso_segs_goal,
873         .get_info       = bbr_get_info,
874         .set_state      = bbr_set_state,
875 };
876
877 static int __init bbr_register(void)
878 {
879         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct bbr) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
880         return tcp_register_congestion_control(&tcp_bbr_cong_ops);
881 }
882
883 static void __exit bbr_unregister(void)
884 {
885         tcp_unregister_congestion_control(&tcp_bbr_cong_ops);
886 }
887
888 module_init(bbr_register);
889 module_exit(bbr_unregister);
890
891 MODULE_AUTHOR("Van Jacobson <vanj@google.com>");
892 MODULE_AUTHOR("Neal Cardwell <ncardwell@google.com>");
893 MODULE_AUTHOR("Yuchung Cheng <ycheng@google.com>");
894 MODULE_AUTHOR("Soheil Hassas Yeganeh <soheil@google.com>");
895 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
896 MODULE_DESCRIPTION("TCP BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)");