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TCP拥塞控制之TCP Westwood

TCP/IP
2022-11-23
2614
更新：2022-11-24 14:58:12

##### 简介

TCP Westwood，算法简称 TCPW。

Westwood是针对有损网络优化的TCP Reno改进版。仅在发送方修改，旨在更好地处理大带宽延迟积路径（大管道）、由于传输或其他错误（泄漏管道）导致的潜在分组丢包以及动态负载（动态管道）。它在无线网络中运行良好，这种改进在具有有损链路的无线网络中最为显著。TCPW对随机丢包也不太敏感，而TCP Reno对随机丢包和拥塞丢包同样敏感，无法区分它们。

##### 核心思想

**TCP-Westwood的关键创新思想**是通过监控发送方返回ACK的速率来测量连接使用的带宽。这允许比TCP Reno更快地恢复连接。TCP-Westwood机制在无线链路上特别有效，在无线链路中，由于无线信道问题而导致的零星丢包通常被其他拥塞算法误解为拥塞的症状，从而导致不必要的TCP窗口减少。

TCP-Westwood依赖于挖掘ACK流以获取信息，帮助其更好地设置拥塞控制参数：慢启动阈值（ssthresh）和拥塞窗口（cwin）。在TCP Westwood中，发送方估计并使用“合格率/Eligible Rate”，以在丢包指示时或在其“敏捷探测”阶段更新ssthresh和cwin，这是对众所周知的慢启动阶段的修改。此外，已经设计了一种称为持续非拥塞检测（PNCD，Persistent Non Congestion Detection）的方案，以检测持续的拥塞不足，并诱导敏捷探测阶段快速利用大动态带宽。

在没有过度牺牲公平性、友好性和稳定性的情况下，在TCP WESTWOOD主页上的许多论文中都报道了由此产生的效率性能提高。对于带宽动态管道，可以获得显著的效率增益，同时保持公平性。根据更合适的友好标准，即“机会友好/opportunistic friendliness”，TCP-Westwood被证明具有良好的、可控的友好性。

##### 发展

Saverio Mascolo提出了Westwood TCP的主要思想，它是一种端到端带宽估计，用于在拥塞后设置控制窗口。他是在读了拉里·彼得森（Larry Peterson）的《数据网络》（Data Networks）一书中有关TCP拥塞控制的章节后提出这个想法的。TCP Westwood在ns2中的首次实现于1999年在加州大学洛杉矶分校（UCLA）完成。S.Mascolo选择了“Westwood”这个名字，以表达对UCLA所在地的敬意，当时他是UCLA的访问研究员。主要合作者是马里奥·盖拉教授、克劳迪奥·卡塞蒂博士和梅迪·塞纳迪迪博士。

##### TCP Westwood  plus

TCP-Westwood+是TCP-Westwood的演变。TCP Westwood+是对TCP Reno协议栈的仅发送方修改，它优化了有线和无线网络上TCP拥塞控制的性能。TCP Westwood+基于端到端带宽估计来设置拥塞窗口和拥塞事件后的慢启动阈值，即在三次重复确认或超时后。通过对返回确认分组的速率进行适当的低通滤波来估计带宽。该策略的原理很简单：与TCP Reno（在三次重复ACK后盲目地将拥塞窗口减半）相比，TCP Westwood+自适应地设置了一个缓慢启动阈值和一个拥塞窗口，该窗口考虑了拥塞发生时使用的带宽。与有线网络中的TCP Reno/New Reno相比，TCP Westwood+显著提高了无线链路的吞吐量和公平性。

当S.Mascolo回到意大利，“他对Westwood TCP的演变”被命名为Westwood+。Westwood+的主要新颖之处是用于估计端到端可用带宽的算法。事实上，很快就发现，由于ack压缩，Westwood带宽估计算法在存在反向流量的情况下不能很好地工作。这种现象是用混叠效应来解释的。新版本Westwood+首次由Roberto Ferorelli在Linux 2.2内核中实现，并由Angelo Dell'Aera在Linux 2.4和2.6内核中实现。

##### 算法

TCPW 采用和 Reno 相同的慢启动算法、拥塞避免算法。区别在于当检测到丢包时，根据带宽值来设置拥塞窗口、慢启动阈值。

**如何测量带宽 bw_est**

和 bbr 算法不同，tcpw 带宽计算相当粗糙。tcpw 每经过一个 RTT 测量一次带宽。假设经过时间为 delta，该时间内发送完成的数据量为 bk，则采样值为 bk / delta。然后和 rtt 一样，带宽采样值会经过一个平滑处理算出最终的带宽值。

> bw_ns_est(k)=(7/8)∗bw_ns_est(k−1)+(1/8)∗bk/delta;
>
> bw_est(k)=(7/8)∗bw_est(k−1)+(1/8)∗bw_ns_est(k);

**如何确认单位时间的发送量 bk**

tcpw 采用一种粗糙的估算方式。在收到回包后，会根据当前的 snd_una 和之前的 snd_una 之间的差值来估算被 ACK 的字节数，即关于 SACK 的信息会被丢失。具体逻辑见`westwood_acked_count`函数。

```text
static inline u32 westwood_acked_count(struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

w->cumul_ack = tp->snd_una - w->snd_una;

/* If cumul_ack is 0 this is a dupack since it's not moving
     * tp->snd_una.
     */
    if (!w->cumul_ack) {
        w->accounted += tp->mss_cache;
        w->cumul_ack = tp->mss_cache;
    }

if (w->cumul_ack > tp->mss_cache) {
        /* Partial or delayed ack */
        if (w->accounted >= w->cumul_ack) {
            w->accounted -= w->cumul_ack;
            w->cumul_ack = tp->mss_cache;
        } else {
            w->cumul_ack -= w->accounted;
            w->accounted = 0;
        }
    }

w->snd_una = tp->snd_una;

return w->cumul_ack;
}
```

**计算 ssthresh**

计算 ssthresh 公式很简单：

> ssthresh=bw_est∗Rttmin

源码如下：

```text
/*
 * TCP Westwood
 * Here limit is evaluated as Bw estimation*RTTmin (for obtaining it
 * in packets we use mss_cache). Rttmin is guaranteed to be >= 2
 * so avoids ever returning 0.
 */
static u32 tcp_westwood_bw_rttmin(const struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    const struct westwood *w = inet_csk_ca(sk);

return max_t(u32, (w->bw_est * w->rtt_min) / tp->mss_cache, 2);
}
```

##### 参考资料：

1、[TCP Westwood+ congestion control](https://c3lab.poliba.it/index.php?title=Westwood)（主页）；

2、[【腾讯】万字详文：TCP 拥塞控制详解](https://ngdcn.com/post/112.html)

3、[TCP拥塞控制算法比较](https://www.speedguide.net/articles/tcp-congestion-control-algorithms-comparison-7423)

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