GNU Linux-libre 4.9.309-gnu1
[releases.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_reached:1,   /* reached full bw in Startup? */
85                 full_bw_cnt:2,  /* number of rounds without large bw gains */
86                 cycle_idx:3,    /* current index in pacing_gain cycle array */
87                 has_seen_rtt:1, /* have we seen an RTT sample yet? */
88                 unused_b:5;
89         u32     prior_cwnd;     /* prior cwnd upon entering loss recovery */
90         u32     full_bw;        /* recent bw, to estimate if pipe is full */
91 };
92
93 #define CYCLE_LEN       8       /* number of phases in a pacing gain cycle */
94
95 /* Window length of bw filter (in rounds): */
96 static const int bbr_bw_rtts = CYCLE_LEN + 2;
97 /* Window length of min_rtt filter (in sec): */
98 static const u32 bbr_min_rtt_win_sec = 10;
99 /* Minimum time (in ms) spent at bbr_cwnd_min_target in BBR_PROBE_RTT mode: */
100 static const u32 bbr_probe_rtt_mode_ms = 200;
101 /* Skip TSO below the following bandwidth (bits/sec): */
102 static const int bbr_min_tso_rate = 1200000;
103
104 /* We use a high_gain value of 2/ln(2) because it's the smallest pacing gain
105  * that will allow a smoothly increasing pacing rate that will double each RTT
106  * and send the same number of packets per RTT that an un-paced, slow-starting
107  * Reno or CUBIC flow would:
108  */
109 static const int bbr_high_gain  = BBR_UNIT * 2885 / 1000 + 1;
110 /* The pacing gain of 1/high_gain in BBR_DRAIN is calculated to typically drain
111  * the queue created in BBR_STARTUP in a single round:
112  */
113 static const int bbr_drain_gain = BBR_UNIT * 1000 / 2885;
114 /* The gain for deriving steady-state cwnd tolerates delayed/stretched ACKs: */
115 static const int bbr_cwnd_gain  = BBR_UNIT * 2;
116 /* The pacing_gain values for the PROBE_BW gain cycle, to discover/share bw: */
117 static const int bbr_pacing_gain[] = {
118         BBR_UNIT * 5 / 4,       /* probe for more available bw */
119         BBR_UNIT * 3 / 4,       /* drain queue and/or yield bw to other flows */
120         BBR_UNIT, BBR_UNIT, BBR_UNIT,   /* cruise at 1.0*bw to utilize pipe, */
121         BBR_UNIT, BBR_UNIT, BBR_UNIT    /* without creating excess queue... */
122 };
123 /* Randomize the starting gain cycling phase over N phases: */
124 static const u32 bbr_cycle_rand = 7;
125
126 /* Try to keep at least this many packets in flight, if things go smoothly. For
127  * smooth functioning, a sliding window protocol ACKing every other packet
128  * needs at least 4 packets in flight:
129  */
130 static const u32 bbr_cwnd_min_target = 4;
131
132 /* To estimate if BBR_STARTUP mode (i.e. high_gain) has filled pipe... */
133 /* If bw has increased significantly (1.25x), there may be more bw available: */
134 static const u32 bbr_full_bw_thresh = BBR_UNIT * 5 / 4;
135 /* But after 3 rounds w/o significant bw growth, estimate pipe is full: */
136 static const u32 bbr_full_bw_cnt = 3;
137
138 /* "long-term" ("LT") bandwidth estimator parameters... */
139 /* The minimum number of rounds in an LT bw sampling interval: */
140 static const u32 bbr_lt_intvl_min_rtts = 4;
141 /* If lost/delivered ratio > 20%, interval is "lossy" and we may be policed: */
142 static const u32 bbr_lt_loss_thresh = 50;
143 /* If 2 intervals have a bw ratio <= 1/8, their bw is "consistent": */
144 static const u32 bbr_lt_bw_ratio = BBR_UNIT / 8;
145 /* If 2 intervals have a bw diff <= 4 Kbit/sec their bw is "consistent": */
146 static const u32 bbr_lt_bw_diff = 4000 / 8;
147 /* If we estimate we're policed, use lt_bw for this many round trips: */
148 static const u32 bbr_lt_bw_max_rtts = 48;
149
150 /* Do we estimate that STARTUP filled the pipe? */
151 static bool bbr_full_bw_reached(const struct sock *sk)
152 {
153         const struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
154
155         return bbr->full_bw_reached;
156 }
157
158 /* Return the windowed max recent bandwidth sample, in pkts/uS << BW_SCALE. */
159 static u32 bbr_max_bw(const struct sock *sk)
160 {
161         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
162
163         return minmax_get(&bbr->bw);
164 }
165
166 /* Return the estimated bandwidth of the path, in pkts/uS << BW_SCALE. */
167 static u32 bbr_bw(const struct sock *sk)
168 {
169         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
170
171         return bbr->lt_use_bw ? bbr->lt_bw : bbr_max_bw(sk);
172 }
173
174 /* Return rate in bytes per second, optionally with a gain.
175  * The order here is chosen carefully to avoid overflow of u64. This should
176  * work for input rates of up to 2.9Tbit/sec and gain of 2.89x.
177  */
178 static u64 bbr_rate_bytes_per_sec(struct sock *sk, u64 rate, int gain)
179 {
180         rate *= tcp_mss_to_mtu(sk, tcp_sk(sk)->mss_cache);
181         rate *= gain;
182         rate >>= BBR_SCALE;
183         rate *= USEC_PER_SEC;
184         return rate >> BW_SCALE;
185 }
186
187 /* Convert a BBR bw and gain factor to a pacing rate in bytes per second. */
188 static u32 bbr_bw_to_pacing_rate(struct sock *sk, u32 bw, int gain)
189 {
190         u64 rate = bw;
191
192         rate = bbr_rate_bytes_per_sec(sk, rate, gain);
193         rate = min_t(u64, rate, sk->sk_max_pacing_rate);
194         return rate;
195 }
196
197 /* Initialize pacing rate to: high_gain * init_cwnd / RTT. */
198 static void bbr_init_pacing_rate_from_rtt(struct sock *sk)
199 {
200         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
201         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
202         u64 bw;
203         u32 rtt_us;
204
205         if (tp->srtt_us) {              /* any RTT sample yet? */
206                 rtt_us = max(tp->srtt_us >> 3, 1U);
207                 bbr->has_seen_rtt = 1;
208         } else {                         /* no RTT sample yet */
209                 rtt_us = USEC_PER_MSEC;  /* use nominal default RTT */
210         }
211         bw = (u64)tp->snd_cwnd * BW_UNIT;
212         do_div(bw, rtt_us);
213         sk->sk_pacing_rate = bbr_bw_to_pacing_rate(sk, bw, bbr_high_gain);
214 }
215
216 /* Pace using current bw estimate and a gain factor. In order to help drive the
217  * network toward lower queues while maintaining high utilization and low
218  * latency, the average pacing rate aims to be slightly (~1%) lower than the
219  * estimated bandwidth. This is an important aspect of the design. In this
220  * implementation this slightly lower pacing rate is achieved implicitly by not
221  * including link-layer headers in the packet size used for the pacing rate.
222  */
223 static void bbr_set_pacing_rate(struct sock *sk, u32 bw, int gain)
224 {
225         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
226         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
227         u32 rate = bbr_bw_to_pacing_rate(sk, bw, gain);
228
229         if (unlikely(!bbr->has_seen_rtt && tp->srtt_us))
230                 bbr_init_pacing_rate_from_rtt(sk);
231         if (bbr_full_bw_reached(sk) || rate > sk->sk_pacing_rate)
232                 sk->sk_pacing_rate = rate;
233 }
234
235 /* Return count of segments we want in the skbs we send, or 0 for default. */
236 static u32 bbr_tso_segs_goal(struct sock *sk)
237 {
238         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
239
240         return bbr->tso_segs_goal;
241 }
242
243 static void bbr_set_tso_segs_goal(struct sock *sk)
244 {
245         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
246         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
247         u32 min_segs;
248
249         min_segs = sk->sk_pacing_rate < (bbr_min_tso_rate >> 3) ? 1 : 2;
250         bbr->tso_segs_goal = min(tcp_tso_autosize(sk, tp->mss_cache, min_segs),
251                                  0x7FU);
252 }
253
254 /* Save "last known good" cwnd so we can restore it after losses or PROBE_RTT */
255 static void bbr_save_cwnd(struct sock *sk)
256 {
257         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
258         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
259
260         if (bbr->prev_ca_state < TCP_CA_Recovery && bbr->mode != BBR_PROBE_RTT)
261                 bbr->prior_cwnd = tp->snd_cwnd;  /* this cwnd is good enough */
262         else  /* loss recovery or BBR_PROBE_RTT have temporarily cut cwnd */
263                 bbr->prior_cwnd = max(bbr->prior_cwnd, tp->snd_cwnd);
264 }
265
266 static void bbr_cwnd_event(struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
267 {
268         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
269         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
270
271         if (event == CA_EVENT_TX_START && tp->app_limited) {
272                 bbr->idle_restart = 1;
273                 /* Avoid pointless buffer overflows: pace at est. bw if we don't
274                  * need more speed (we're restarting from idle and app-limited).
275                  */
276                 if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW)
277                         bbr_set_pacing_rate(sk, bbr_bw(sk), BBR_UNIT);
278         }
279 }
280
281 /* Find target cwnd. Right-size the cwnd based on min RTT and the
282  * estimated bottleneck bandwidth:
283  *
284  * cwnd = bw * min_rtt * gain = BDP * gain
285  *
286  * The key factor, gain, controls the amount of queue. While a small gain
287  * builds a smaller queue, it becomes more vulnerable to noise in RTT
288  * measurements (e.g., delayed ACKs or other ACK compression effects). This
289  * noise may cause BBR to under-estimate the rate.
290  *
291  * To achieve full performance in high-speed paths, we budget enough cwnd to
292  * fit full-sized skbs in-flight on both end hosts to fully utilize the path:
293  *   - one skb in sending host Qdisc,
294  *   - one skb in sending host TSO/GSO engine
295  *   - one skb being received by receiver host LRO/GRO/delayed-ACK engine
296  * Don't worry, at low rates (bbr_min_tso_rate) this won't bloat cwnd because
297  * in such cases tso_segs_goal is 1. The minimum cwnd is 4 packets,
298  * which allows 2 outstanding 2-packet sequences, to try to keep pipe
299  * full even with ACK-every-other-packet delayed ACKs.
300  */
301 static u32 bbr_target_cwnd(struct sock *sk, u32 bw, int gain)
302 {
303         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
304         u32 cwnd;
305         u64 w;
306
307         /* If we've never had a valid RTT sample, cap cwnd at the initial
308          * default. This should only happen when the connection is not using TCP
309          * timestamps and has retransmitted all of the SYN/SYNACK/data packets
310          * ACKed so far. In this case, an RTO can cut cwnd to 1, in which
311          * case we need to slow-start up toward something safe: TCP_INIT_CWND.
312          */
313         if (unlikely(bbr->min_rtt_us == ~0U))    /* no valid RTT samples yet? */
314                 return TCP_INIT_CWND;  /* be safe: cap at default initial cwnd*/
315
316         w = (u64)bw * bbr->min_rtt_us;
317
318         /* Apply a gain to the given value, then remove the BW_SCALE shift. */
319         cwnd = (((w * gain) >> BBR_SCALE) + BW_UNIT - 1) / BW_UNIT;
320
321         /* Allow enough full-sized skbs in flight to utilize end systems. */
322         cwnd += 3 * bbr->tso_segs_goal;
323
324         /* Reduce delayed ACKs by rounding up cwnd to the next even number. */
325         cwnd = (cwnd + 1) & ~1U;
326
327         /* Ensure gain cycling gets inflight above BDP even for small BDPs. */
328         if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW && gain > BBR_UNIT)
329                 cwnd += 2;
330
331         return cwnd;
332 }
333
334 /* An optimization in BBR to reduce losses: On the first round of recovery, we
335  * follow the packet conservation principle: send P packets per P packets acked.
336  * After that, we slow-start and send at most 2*P packets per P packets acked.
337  * After recovery finishes, or upon undo, we restore the cwnd we had when
338  * recovery started (capped by the target cwnd based on estimated BDP).
339  *
340  * TODO(ycheng/ncardwell): implement a rate-based approach.
341  */
342 static bool bbr_set_cwnd_to_recover_or_restore(
343         struct sock *sk, const struct rate_sample *rs, u32 acked, u32 *new_cwnd)
344 {
345         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
346         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
347         u8 prev_state = bbr->prev_ca_state, state = inet_csk(sk)->icsk_ca_state;
348         u32 cwnd = tp->snd_cwnd;
349
350         /* An ACK for P pkts should release at most 2*P packets. We do this
351          * in two steps. First, here we deduct the number of lost packets.
352          * Then, in bbr_set_cwnd() we slow start up toward the target cwnd.
353          */
354         if (rs->losses > 0)
355                 cwnd = max_t(s32, cwnd - rs->losses, 1);
356
357         if (state == TCP_CA_Recovery && prev_state != TCP_CA_Recovery) {
358                 /* Starting 1st round of Recovery, so do packet conservation. */
359                 bbr->packet_conservation = 1;
360                 bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;  /* start round now */
361                 /* Cut unused cwnd from app behavior, TSQ, or TSO deferral: */
362                 cwnd = tcp_packets_in_flight(tp) + acked;
363         } else if (prev_state >= TCP_CA_Recovery && state < TCP_CA_Recovery) {
364                 /* Exiting loss recovery; restore cwnd saved before recovery. */
365                 bbr->restore_cwnd = 1;
366                 bbr->packet_conservation = 0;
367         }
368         bbr->prev_ca_state = state;
369
370         if (bbr->restore_cwnd) {
371                 /* Restore cwnd after exiting loss recovery or PROBE_RTT. */
372                 cwnd = max(cwnd, bbr->prior_cwnd);
373                 bbr->restore_cwnd = 0;
374         }
375
376         if (bbr->packet_conservation) {
377                 *new_cwnd = max(cwnd, tcp_packets_in_flight(tp) + acked);
378                 return true;    /* yes, using packet conservation */
379         }
380         *new_cwnd = cwnd;
381         return false;
382 }
383
384 /* Slow-start up toward target cwnd (if bw estimate is growing, or packet loss
385  * has drawn us down below target), or snap down to target if we're above it.
386  */
387 static void bbr_set_cwnd(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs,
388                          u32 acked, u32 bw, int gain)
389 {
390         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
391         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
392         u32 cwnd = 0, target_cwnd = 0;
393
394         if (!acked)
395                 return;
396
397         if (bbr_set_cwnd_to_recover_or_restore(sk, rs, acked, &cwnd))
398                 goto done;
399
400         /* If we're below target cwnd, slow start cwnd toward target cwnd. */
401         target_cwnd = bbr_target_cwnd(sk, bw, gain);
402         if (bbr_full_bw_reached(sk))  /* only cut cwnd if we filled the pipe */
403                 cwnd = min(cwnd + acked, target_cwnd);
404         else if (cwnd < target_cwnd || tp->delivered < TCP_INIT_CWND)
405                 cwnd = cwnd + acked;
406         cwnd = max(cwnd, bbr_cwnd_min_target);
407
408 done:
409         tp->snd_cwnd = min(cwnd, tp->snd_cwnd_clamp);   /* apply global cap */
410         if (bbr->mode == BBR_PROBE_RTT)  /* drain queue, refresh min_rtt */
411                 tp->snd_cwnd = min(tp->snd_cwnd, bbr_cwnd_min_target);
412 }
413
414 /* End cycle phase if it's time and/or we hit the phase's in-flight target. */
415 static bool bbr_is_next_cycle_phase(struct sock *sk,
416                                     const struct rate_sample *rs)
417 {
418         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
419         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
420         bool is_full_length =
421                 skb_mstamp_us_delta(&tp->delivered_mstamp, &bbr->cycle_mstamp) >
422                 bbr->min_rtt_us;
423         u32 inflight, bw;
424
425         /* The pacing_gain of 1.0 paces at the estimated bw to try to fully
426          * use the pipe without increasing the queue.
427          */
428         if (bbr->pacing_gain == BBR_UNIT)
429                 return is_full_length;          /* just use wall clock time */
430
431         inflight = rs->prior_in_flight;  /* what was in-flight before ACK? */
432         bw = bbr_max_bw(sk);
433
434         /* A pacing_gain > 1.0 probes for bw by trying to raise inflight to at
435          * least pacing_gain*BDP; this may take more than min_rtt if min_rtt is
436          * small (e.g. on a LAN). We do not persist if packets are lost, since
437          * a path with small buffers may not hold that much.
438          */
439         if (bbr->pacing_gain > BBR_UNIT)
440                 return is_full_length &&
441                         (rs->losses ||  /* perhaps pacing_gain*BDP won't fit */
442                          inflight >= bbr_target_cwnd(sk, bw, bbr->pacing_gain));
443
444         /* A pacing_gain < 1.0 tries to drain extra queue we added if bw
445          * probing didn't find more bw. If inflight falls to match BDP then we
446          * estimate queue is drained; persisting would underutilize the pipe.
447          */
448         return is_full_length ||
449                 inflight <= bbr_target_cwnd(sk, bw, BBR_UNIT);
450 }
451
452 static void bbr_advance_cycle_phase(struct sock *sk)
453 {
454         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
455         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
456
457         bbr->cycle_idx = (bbr->cycle_idx + 1) & (CYCLE_LEN - 1);
458         bbr->cycle_mstamp = tp->delivered_mstamp;
459         bbr->pacing_gain = bbr->lt_use_bw ? BBR_UNIT :
460                                             bbr_pacing_gain[bbr->cycle_idx];
461 }
462
463 /* Gain cycling: cycle pacing gain to converge to fair share of available bw. */
464 static void bbr_update_cycle_phase(struct sock *sk,
465                                    const struct rate_sample *rs)
466 {
467         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
468
469         if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW && bbr_is_next_cycle_phase(sk, rs))
470                 bbr_advance_cycle_phase(sk);
471 }
472
473 static void bbr_reset_startup_mode(struct sock *sk)
474 {
475         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
476
477         bbr->mode = BBR_STARTUP;
478         bbr->pacing_gain = bbr_high_gain;
479         bbr->cwnd_gain   = bbr_high_gain;
480 }
481
482 static void bbr_reset_probe_bw_mode(struct sock *sk)
483 {
484         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
485
486         bbr->mode = BBR_PROBE_BW;
487         bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;
488         bbr->cwnd_gain = bbr_cwnd_gain;
489         bbr->cycle_idx = CYCLE_LEN - 1 - prandom_u32_max(bbr_cycle_rand);
490         bbr_advance_cycle_phase(sk);    /* flip to next phase of gain cycle */
491 }
492
493 static void bbr_reset_mode(struct sock *sk)
494 {
495         if (!bbr_full_bw_reached(sk))
496                 bbr_reset_startup_mode(sk);
497         else
498                 bbr_reset_probe_bw_mode(sk);
499 }
500
501 /* Start a new long-term sampling interval. */
502 static void bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(struct sock *sk)
503 {
504         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
505         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
506
507         bbr->lt_last_stamp = tp->delivered_mstamp.stamp_jiffies;
508         bbr->lt_last_delivered = tp->delivered;
509         bbr->lt_last_lost = tp->lost;
510         bbr->lt_rtt_cnt = 0;
511 }
512
513 /* Completely reset long-term bandwidth sampling. */
514 static void bbr_reset_lt_bw_sampling(struct sock *sk)
515 {
516         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
517
518         bbr->lt_bw = 0;
519         bbr->lt_use_bw = 0;
520         bbr->lt_is_sampling = false;
521         bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
522 }
523
524 /* Long-term bw sampling interval is done. Estimate whether we're policed. */
525 static void bbr_lt_bw_interval_done(struct sock *sk, u32 bw)
526 {
527         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
528         u32 diff;
529
530         if (bbr->lt_bw) {  /* do we have bw from a previous interval? */
531                 /* Is new bw close to the lt_bw from the previous interval? */
532                 diff = abs(bw - bbr->lt_bw);
533                 if ((diff * BBR_UNIT <= bbr_lt_bw_ratio * bbr->lt_bw) ||
534                     (bbr_rate_bytes_per_sec(sk, diff, BBR_UNIT) <=
535                      bbr_lt_bw_diff)) {
536                         /* All criteria are met; estimate we're policed. */
537                         bbr->lt_bw = (bw + bbr->lt_bw) >> 1;  /* avg 2 intvls */
538                         bbr->lt_use_bw = 1;
539                         bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;  /* try to avoid drops */
540                         bbr->lt_rtt_cnt = 0;
541                         return;
542                 }
543         }
544         bbr->lt_bw = bw;
545         bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
546 }
547
548 /* Token-bucket traffic policers are common (see "An Internet-Wide Analysis of
549  * Traffic Policing", SIGCOMM 2016). BBR detects token-bucket policers and
550  * explicitly models their policed rate, to reduce unnecessary losses. We
551  * estimate that we're policed if we see 2 consecutive sampling intervals with
552  * consistent throughput and high packet loss. If we think we're being policed,
553  * set lt_bw to the "long-term" average delivery rate from those 2 intervals.
554  */
555 static void bbr_lt_bw_sampling(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
556 {
557         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
558         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
559         u32 lost, delivered;
560         u64 bw;
561         s32 t;
562
563         if (bbr->lt_use_bw) {   /* already using long-term rate, lt_bw? */
564                 if (bbr->mode == BBR_PROBE_BW && bbr->round_start &&
565                     ++bbr->lt_rtt_cnt >= bbr_lt_bw_max_rtts) {
566                         bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);    /* stop using lt_bw */
567                         bbr_reset_probe_bw_mode(sk);  /* restart gain cycling */
568                 }
569                 return;
570         }
571
572         /* Wait for the first loss before sampling, to let the policer exhaust
573          * its tokens and estimate the steady-state rate allowed by the policer.
574          * Starting samples earlier includes bursts that over-estimate the bw.
575          */
576         if (!bbr->lt_is_sampling) {
577                 if (!rs->losses)
578                         return;
579                 bbr_reset_lt_bw_sampling_interval(sk);
580                 bbr->lt_is_sampling = true;
581         }
582
583         /* To avoid underestimates, reset sampling if we run out of data. */
584         if (rs->is_app_limited) {
585                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);
586                 return;
587         }
588
589         if (bbr->round_start)
590                 bbr->lt_rtt_cnt++;      /* count round trips in this interval */
591         if (bbr->lt_rtt_cnt < bbr_lt_intvl_min_rtts)
592                 return;         /* sampling interval needs to be longer */
593         if (bbr->lt_rtt_cnt > 4 * bbr_lt_intvl_min_rtts) {
594                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);  /* interval is too long */
595                 return;
596         }
597
598         /* End sampling interval when a packet is lost, so we estimate the
599          * policer tokens were exhausted. Stopping the sampling before the
600          * tokens are exhausted under-estimates the policed rate.
601          */
602         if (!rs->losses)
603                 return;
604
605         /* Calculate packets lost and delivered in sampling interval. */
606         lost = tp->lost - bbr->lt_last_lost;
607         delivered = tp->delivered - bbr->lt_last_delivered;
608         /* Is loss rate (lost/delivered) >= lt_loss_thresh? If not, wait. */
609         if (!delivered || (lost << BBR_SCALE) < bbr_lt_loss_thresh * delivered)
610                 return;
611
612         /* Find average delivery rate in this sampling interval. */
613         t = (s32)(tp->delivered_mstamp.stamp_jiffies - bbr->lt_last_stamp);
614         if (t < 1)
615                 return;         /* interval is less than one jiffy, so wait */
616         t = jiffies_to_usecs(t);
617         /* Interval long enough for jiffies_to_usecs() to return a bogus 0? */
618         if (t < 1) {
619                 bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);  /* interval too long; reset */
620                 return;
621         }
622         bw = (u64)delivered * BW_UNIT;
623         do_div(bw, t);
624         bbr_lt_bw_interval_done(sk, bw);
625 }
626
627 /* Estimate the bandwidth based on how fast packets are delivered */
628 static void bbr_update_bw(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
629 {
630         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
631         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
632         u64 bw;
633
634         bbr->round_start = 0;
635         if (rs->delivered < 0 || rs->interval_us <= 0)
636                 return; /* Not a valid observation */
637
638         /* See if we've reached the next RTT */
639         if (!before(rs->prior_delivered, bbr->next_rtt_delivered)) {
640                 bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;
641                 bbr->rtt_cnt++;
642                 bbr->round_start = 1;
643                 bbr->packet_conservation = 0;
644         }
645
646         bbr_lt_bw_sampling(sk, rs);
647
648         /* Divide delivered by the interval to find a (lower bound) bottleneck
649          * bandwidth sample. Delivered is in packets and interval_us in uS and
650          * ratio will be <<1 for most connections. So delivered is first scaled.
651          */
652         bw = div64_long((u64)rs->delivered * BW_UNIT, rs->interval_us);
653
654         /* If this sample is application-limited, it is likely to have a very
655          * low delivered count that represents application behavior rather than
656          * the available network rate. Such a sample could drag down estimated
657          * bw, causing needless slow-down. Thus, to continue to send at the
658          * last measured network rate, we filter out app-limited samples unless
659          * they describe the path bw at least as well as our bw model.
660          *
661          * So the goal during app-limited phase is to proceed with the best
662          * network rate no matter how long. We automatically leave this
663          * phase when app writes faster than the network can deliver :)
664          */
665         if (!rs->is_app_limited || bw >= bbr_max_bw(sk)) {
666                 /* Incorporate new sample into our max bw filter. */
667                 minmax_running_max(&bbr->bw, bbr_bw_rtts, bbr->rtt_cnt, bw);
668         }
669 }
670
671 /* Estimate when the pipe is full, using the change in delivery rate: BBR
672  * estimates that STARTUP filled the pipe if the estimated bw hasn't changed by
673  * at least bbr_full_bw_thresh (25%) after bbr_full_bw_cnt (3) non-app-limited
674  * rounds. Why 3 rounds: 1: rwin autotuning grows the rwin, 2: we fill the
675  * higher rwin, 3: we get higher delivery rate samples. Or transient
676  * cross-traffic or radio noise can go away. CUBIC Hystart shares a similar
677  * design goal, but uses delay and inter-ACK spacing instead of bandwidth.
678  */
679 static void bbr_check_full_bw_reached(struct sock *sk,
680                                       const struct rate_sample *rs)
681 {
682         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
683         u32 bw_thresh;
684
685         if (bbr_full_bw_reached(sk) || !bbr->round_start || rs->is_app_limited)
686                 return;
687
688         bw_thresh = (u64)bbr->full_bw * bbr_full_bw_thresh >> BBR_SCALE;
689         if (bbr_max_bw(sk) >= bw_thresh) {
690                 bbr->full_bw = bbr_max_bw(sk);
691                 bbr->full_bw_cnt = 0;
692                 return;
693         }
694         ++bbr->full_bw_cnt;
695         bbr->full_bw_reached = bbr->full_bw_cnt >= bbr_full_bw_cnt;
696 }
697
698 /* If pipe is probably full, drain the queue and then enter steady-state. */
699 static void bbr_check_drain(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
700 {
701         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
702
703         if (bbr->mode == BBR_STARTUP && bbr_full_bw_reached(sk)) {
704                 bbr->mode = BBR_DRAIN;  /* drain queue we created */
705                 bbr->pacing_gain = bbr_drain_gain;      /* pace slow to drain */
706                 bbr->cwnd_gain = bbr_high_gain; /* maintain cwnd */
707         }       /* fall through to check if in-flight is already small: */
708         if (bbr->mode == BBR_DRAIN &&
709             tcp_packets_in_flight(tcp_sk(sk)) <=
710             bbr_target_cwnd(sk, bbr_max_bw(sk), BBR_UNIT))
711                 bbr_reset_probe_bw_mode(sk);  /* we estimate queue is drained */
712 }
713
714 /* The goal of PROBE_RTT mode is to have BBR flows cooperatively and
715  * periodically drain the bottleneck queue, to converge to measure the true
716  * min_rtt (unloaded propagation delay). This allows the flows to keep queues
717  * small (reducing queuing delay and packet loss) and achieve fairness among
718  * BBR flows.
719  *
720  * The min_rtt filter window is 10 seconds. When the min_rtt estimate expires,
721  * we enter PROBE_RTT mode and cap the cwnd at bbr_cwnd_min_target=4 packets.
722  * After at least bbr_probe_rtt_mode_ms=200ms and at least one packet-timed
723  * round trip elapsed with that flight size <= 4, we leave PROBE_RTT mode and
724  * re-enter the previous mode. BBR uses 200ms to approximately bound the
725  * performance penalty of PROBE_RTT's cwnd capping to roughly 2% (200ms/10s).
726  *
727  * Note that flows need only pay 2% if they are busy sending over the last 10
728  * seconds. Interactive applications (e.g., Web, RPCs, video chunks) often have
729  * natural silences or low-rate periods within 10 seconds where the rate is low
730  * enough for long enough to drain its queue in the bottleneck. We pick up
731  * these min RTT measurements opportunistically with our min_rtt filter. :-)
732  */
733 static void bbr_update_min_rtt(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
734 {
735         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
736         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
737         bool filter_expired;
738
739         /* Track min RTT seen in the min_rtt_win_sec filter window: */
740         filter_expired = after(tcp_time_stamp,
741                                bbr->min_rtt_stamp + bbr_min_rtt_win_sec * HZ);
742         if (rs->rtt_us >= 0 &&
743             (rs->rtt_us < bbr->min_rtt_us || filter_expired)) {
744                 bbr->min_rtt_us = rs->rtt_us;
745                 bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
746         }
747
748         if (bbr_probe_rtt_mode_ms > 0 && filter_expired &&
749             !bbr->idle_restart && bbr->mode != BBR_PROBE_RTT) {
750                 bbr->mode = BBR_PROBE_RTT;  /* dip, drain queue */
751                 bbr->pacing_gain = BBR_UNIT;
752                 bbr->cwnd_gain = BBR_UNIT;
753                 bbr_save_cwnd(sk);  /* note cwnd so we can restore it */
754                 bbr->probe_rtt_done_stamp = 0;
755         }
756
757         if (bbr->mode == BBR_PROBE_RTT) {
758                 /* Ignore low rate samples during this mode. */
759                 tp->app_limited =
760                         (tp->delivered + tcp_packets_in_flight(tp)) ? : 1;
761                 /* Maintain min packets in flight for max(200 ms, 1 round). */
762                 if (!bbr->probe_rtt_done_stamp &&
763                     tcp_packets_in_flight(tp) <= bbr_cwnd_min_target) {
764                         bbr->probe_rtt_done_stamp = tcp_time_stamp +
765                                 msecs_to_jiffies(bbr_probe_rtt_mode_ms);
766                         bbr->probe_rtt_round_done = 0;
767                         bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;
768                 } else if (bbr->probe_rtt_done_stamp) {
769                         if (bbr->round_start)
770                                 bbr->probe_rtt_round_done = 1;
771                         if (bbr->probe_rtt_round_done &&
772                             after(tcp_time_stamp, bbr->probe_rtt_done_stamp)) {
773                                 bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
774                                 bbr->restore_cwnd = 1;  /* snap to prior_cwnd */
775                                 bbr_reset_mode(sk);
776                         }
777                 }
778         }
779         /* Restart after idle ends only once we process a new S/ACK for data */
780         if (rs->delivered > 0)
781                 bbr->idle_restart = 0;
782 }
783
784 static void bbr_update_model(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
785 {
786         bbr_update_bw(sk, rs);
787         bbr_update_cycle_phase(sk, rs);
788         bbr_check_full_bw_reached(sk, rs);
789         bbr_check_drain(sk, rs);
790         bbr_update_min_rtt(sk, rs);
791 }
792
793 static void bbr_main(struct sock *sk, const struct rate_sample *rs)
794 {
795         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
796         u32 bw;
797
798         bbr_update_model(sk, rs);
799
800         bw = bbr_bw(sk);
801         bbr_set_pacing_rate(sk, bw, bbr->pacing_gain);
802         bbr_set_tso_segs_goal(sk);
803         bbr_set_cwnd(sk, rs, rs->acked_sacked, bw, bbr->cwnd_gain);
804 }
805
806 static void bbr_init(struct sock *sk)
807 {
808         struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
809         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
810
811         bbr->prior_cwnd = 0;
812         bbr->tso_segs_goal = 0;  /* default segs per skb until first ACK */
813         bbr->rtt_cnt = 0;
814         bbr->next_rtt_delivered = tp->delivered;
815         bbr->prev_ca_state = TCP_CA_Open;
816         bbr->packet_conservation = 0;
817
818         bbr->probe_rtt_done_stamp = 0;
819         bbr->probe_rtt_round_done = 0;
820         bbr->min_rtt_us = tcp_min_rtt(tp);
821         bbr->min_rtt_stamp = tcp_time_stamp;
822
823         minmax_reset(&bbr->bw, bbr->rtt_cnt, 0);  /* init max bw to 0 */
824
825         bbr->has_seen_rtt = 0;
826         bbr_init_pacing_rate_from_rtt(sk);
827
828         bbr->restore_cwnd = 0;
829         bbr->round_start = 0;
830         bbr->idle_restart = 0;
831         bbr->full_bw_reached = 0;
832         bbr->full_bw = 0;
833         bbr->full_bw_cnt = 0;
834         bbr->cycle_mstamp.v64 = 0;
835         bbr->cycle_idx = 0;
836         bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);
837         bbr_reset_startup_mode(sk);
838 }
839
840 static u32 bbr_sndbuf_expand(struct sock *sk)
841 {
842         /* Provision 3 * cwnd since BBR may slow-start even during recovery. */
843         return 3;
844 }
845
846 /* In theory BBR does not need to undo the cwnd since it does not
847  * always reduce cwnd on losses (see bbr_main()). Keep it for now.
848  */
849 static u32 bbr_undo_cwnd(struct sock *sk)
850 {
851         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
852
853         bbr->full_bw = 0;   /* spurious slow-down; reset full pipe detection */
854         bbr->full_bw_cnt = 0;
855         bbr_reset_lt_bw_sampling(sk);
856         return tcp_sk(sk)->snd_cwnd;
857 }
858
859 /* Entering loss recovery, so save cwnd for when we exit or undo recovery. */
860 static u32 bbr_ssthresh(struct sock *sk)
861 {
862         bbr_save_cwnd(sk);
863         return TCP_INFINITE_SSTHRESH;    /* BBR does not use ssthresh */
864 }
865
866 static size_t bbr_get_info(struct sock *sk, u32 ext, int *attr,
867                            union tcp_cc_info *info)
868 {
869         if (ext & (1 << (INET_DIAG_BBRINFO - 1)) ||
870             ext & (1 << (INET_DIAG_VEGASINFO - 1))) {
871                 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
872                 struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
873                 u64 bw = bbr_bw(sk);
874
875                 bw = bw * tp->mss_cache * USEC_PER_SEC >> BW_SCALE;
876                 memset(&info->bbr, 0, sizeof(info->bbr));
877                 info->bbr.bbr_bw_lo             = (u32)bw;
878                 info->bbr.bbr_bw_hi             = (u32)(bw >> 32);
879                 info->bbr.bbr_min_rtt           = bbr->min_rtt_us;
880                 info->bbr.bbr_pacing_gain       = bbr->pacing_gain;
881                 info->bbr.bbr_cwnd_gain         = bbr->cwnd_gain;
882                 *attr = INET_DIAG_BBRINFO;
883                 return sizeof(info->bbr);
884         }
885         return 0;
886 }
887
888 static void bbr_set_state(struct sock *sk, u8 new_state)
889 {
890         struct bbr *bbr = inet_csk_ca(sk);
891
892         if (new_state == TCP_CA_Loss) {
893                 struct rate_sample rs = { .losses = 1 };
894
895                 bbr->prev_ca_state = TCP_CA_Loss;
896                 bbr->full_bw = 0;
897                 bbr->round_start = 1;   /* treat RTO like end of a round */
898                 bbr_lt_bw_sampling(sk, &rs);
899         }
900 }
901
902 static struct tcp_congestion_ops tcp_bbr_cong_ops __read_mostly = {
903         .flags          = TCP_CONG_NON_RESTRICTED,
904         .name           = "bbr",
905         .owner          = THIS_MODULE,
906         .init           = bbr_init,
907         .cong_control   = bbr_main,
908         .sndbuf_expand  = bbr_sndbuf_expand,
909         .undo_cwnd      = bbr_undo_cwnd,
910         .cwnd_event     = bbr_cwnd_event,
911         .ssthresh       = bbr_ssthresh,
912         .tso_segs_goal  = bbr_tso_segs_goal,
913         .get_info       = bbr_get_info,
914         .set_state      = bbr_set_state,
915 };
916
917 static int __init bbr_register(void)
918 {
919         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct bbr) > ICSK_CA_PRIV_SIZE);
920         return tcp_register_congestion_control(&tcp_bbr_cong_ops);
921 }
922
923 static void __exit bbr_unregister(void)
924 {
925         tcp_unregister_congestion_control(&tcp_bbr_cong_ops);
926 }
927
928 module_init(bbr_register);
929 module_exit(bbr_unregister);
930
931 MODULE_AUTHOR("Van Jacobson <vanj@google.com>");
932 MODULE_AUTHOR("Neal Cardwell <ncardwell@google.com>");
933 MODULE_AUTHOR("Yuchung Cheng <ycheng@google.com>");
934 MODULE_AUTHOR("Soheil Hassas Yeganeh <soheil@google.com>");
935 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
936 MODULE_DESCRIPTION("TCP BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)");