tcp: track min RTT using windowed min-filter
authorYuchung Cheng <ycheng@google.com>
Sat, 17 Oct 2015 04:57:42 +0000 (21:57 -0700)
committerDavid S. Miller <davem@davemloft.net>
Wed, 21 Oct 2015 14:00:43 +0000 (07:00 -0700)
Kathleen Nichols' algorithm for tracking the minimum RTT of a
data stream over some measurement window. It uses constant space
and constant time per update. Yet it almost always delivers
the same minimum as an implementation that has to keep all
the data in the window. The measurement window is tunable via
sysctl.net.ipv4.tcp_min_rtt_wlen with a default value of 5 minutes.

The algorithm keeps track of the best, 2nd best & 3rd best min
values, maintaining an invariant that the measurement time of
the n'th best >= n-1'th best. It also makes sure that the three
values are widely separated in the time window since that bounds
the worse case error when that data is monotonically increasing
over the window.

Upon getting a new min, we can forget everything earlier because
it has no value - the new min is less than everything else in the
window by definition and it's the most recent. So we restart fresh
on every new min and overwrites the 2nd & 3rd choices. The same
property holds for the 2nd & 3rd best.

Therefore we have to maintain two invariants to maximize the
information in the samples, one on values (1st.v <= 2nd.v <=
3rd.v) and the other on times (now-win <=1st.t <= 2nd.t <= 3rd.t <=
now). These invariants determine the structure of the code

The RTT input to the windowed filter is the minimum RTT measured
from ACK or SACK, or as the last resort from TCP timestamps.

The accessor tcp_min_rtt() returns the minimum RTT seen in the
window. ~0U indicates it is not available. The minimum is 1usec
even if the true RTT is below that.

Signed-off-by: Yuchung Cheng <ycheng@google.com>
Signed-off-by: Neal Cardwell <ncardwell@google.com>
Signed-off-by: Eric Dumazet <edumazet@google.com>
Signed-off-by: David S. Miller <davem@davemloft.net>
Documentation/networking/ip-sysctl.txt
include/linux/tcp.h
include/net/tcp.h
net/ipv4/sysctl_net_ipv4.c
net/ipv4/tcp.c
net/ipv4/tcp_input.c
net/ipv4/tcp_minisocks.c

index ebe94f2cab9811e62f0ea1d64c0d6c75838d0367..502d6a572b4ffccd86ce47cdeffe3cd549d89c75 100644 (file)
@@ -384,6 +384,14 @@ tcp_mem - vector of 3 INTEGERs: min, pressure, max
        Defaults are calculated at boot time from amount of available
        memory.
 
+tcp_min_rtt_wlen - INTEGER
+       The window length of the windowed min filter to track the minimum RTT.
+       A shorter window lets a flow more quickly pick up new (higher)
+       minimum RTT when it is moved to a longer path (e.g., due to traffic
+       engineering). A longer window makes the filter more resistant to RTT
+       inflations such as transient congestion. The unit is seconds.
+       Default: 300
+
 tcp_moderate_rcvbuf - BOOLEAN
        If set, TCP performs receive buffer auto-tuning, attempting to
        automatically size the buffer (no greater than tcp_rmem[2]) to
index 86a7edaa679764013fc4c92eadf38de236d887ce..90edef5508f92954614996ec61e4b4337577afb4 100644 (file)
@@ -217,6 +217,9 @@ struct tcp_sock {
        u32     mdev_max_us;    /* maximal mdev for the last rtt period */
        u32     rttvar_us;      /* smoothed mdev_max                    */
        u32     rtt_seq;        /* sequence number to update rttvar     */
+       struct rtt_meas {
+               u32 rtt, ts;    /* RTT in usec and sampling time in jiffies. */
+       } rtt_min[3];
 
        u32     packets_out;    /* Packets which are "in flight"        */
        u32     retrans_out;    /* Retransmitted packets out            */
index eed94fc355c1aef2dd9ccb60c201ef2db79f5f85..4a43152229eadc8162805b35b0186b1054504d5c 100644 (file)
@@ -279,6 +279,7 @@ extern int sysctl_tcp_limit_output_bytes;
 extern int sysctl_tcp_challenge_ack_limit;
 extern unsigned int sysctl_tcp_notsent_lowat;
 extern int sysctl_tcp_min_tso_segs;
+extern int sysctl_tcp_min_rtt_wlen;
 extern int sysctl_tcp_autocorking;
 extern int sysctl_tcp_invalid_ratelimit;
 extern int sysctl_tcp_pacing_ss_ratio;
@@ -671,6 +672,12 @@ static inline bool tcp_ca_dst_locked(const struct dst_entry *dst)
        return dst_metric_locked(dst, RTAX_CC_ALGO);
 }
 
+/* Minimum RTT in usec. ~0 means not available. */
+static inline u32 tcp_min_rtt(const struct tcp_sock *tp)
+{
+       return tp->rtt_min[0].rtt;
+}
+
 /* Compute the actual receive window we are currently advertising.
  * Rcv_nxt can be after the window if our peer push more data
  * than the offered window.
index 894da3a70aff98ac04c73f6f569f00113c042dd4..13ab434c2909d6dd9a8bb0d0d9a0be90dd6c4bb5 100644 (file)
@@ -576,6 +576,13 @@ static struct ctl_table ipv4_table[] = {
                .mode           = 0644,
                .proc_handler   = proc_dointvec
        },
+       {
+               .procname       = "tcp_min_rtt_wlen",
+               .data           = &sysctl_tcp_min_rtt_wlen,
+               .maxlen         = sizeof(int),
+               .mode           = 0644,
+               .proc_handler   = proc_dointvec
+       },
        {
                .procname       = "tcp_low_latency",
                .data           = &sysctl_tcp_low_latency,
index ac1bdbb50352efde9686e5c05b2c042afadb49c2..0cfa7c0c1e80dae18b3aa51c3d71d021dd8b4f84 100644 (file)
@@ -388,6 +388,7 @@ void tcp_init_sock(struct sock *sk)
 
        icsk->icsk_rto = TCP_TIMEOUT_INIT;
        tp->mdev_us = jiffies_to_usecs(TCP_TIMEOUT_INIT);
+       tp->rtt_min[0].rtt = ~0U;
 
        /* So many TCP implementations out there (incorrectly) count the
         * initial SYN frame in their delayed-ACK and congestion control
index 62ee71efd1ce2e65128ba5d929f70f144c1c1d02..eedb25db3947eb8bbd9921cd8fa64a963c6c34ee 100644 (file)
@@ -95,6 +95,7 @@ int sysctl_tcp_stdurg __read_mostly;
 int sysctl_tcp_rfc1337 __read_mostly;
 int sysctl_tcp_max_orphans __read_mostly = NR_FILE;
 int sysctl_tcp_frto __read_mostly = 2;
+int sysctl_tcp_min_rtt_wlen __read_mostly = 300;
 
 int sysctl_tcp_thin_dupack __read_mostly;
 
@@ -2915,8 +2916,69 @@ static void tcp_fastretrans_alert(struct sock *sk, const int acked,
        tcp_xmit_retransmit_queue(sk);
 }
 
+/* Kathleen Nichols' algorithm for tracking the minimum value of
+ * a data stream over some fixed time interval. (E.g., the minimum
+ * RTT over the past five minutes.) It uses constant space and constant
+ * time per update yet almost always delivers the same minimum as an
+ * implementation that has to keep all the data in the window.
+ *
+ * The algorithm keeps track of the best, 2nd best & 3rd best min
+ * values, maintaining an invariant that the measurement time of the
+ * n'th best >= n-1'th best. It also makes sure that the three values
+ * are widely separated in the time window since that bounds the worse
+ * case error when that data is monotonically increasing over the window.
+ *
+ * Upon getting a new min, we can forget everything earlier because it
+ * has no value - the new min is <= everything else in the window by
+ * definition and it's the most recent. So we restart fresh on every new min
+ * and overwrites 2nd & 3rd choices. The same property holds for 2nd & 3rd
+ * best.
+ */
+static void tcp_update_rtt_min(struct sock *sk, u32 rtt_us)
+{
+       const u32 now = tcp_time_stamp, wlen = sysctl_tcp_min_rtt_wlen * HZ;
+       struct rtt_meas *m = tcp_sk(sk)->rtt_min;
+       struct rtt_meas rttm = { .rtt = (rtt_us ? : 1), .ts = now };
+       u32 elapsed;
+
+       /* Check if the new measurement updates the 1st, 2nd, or 3rd choices */
+       if (unlikely(rttm.rtt <= m[0].rtt))
+               m[0] = m[1] = m[2] = rttm;
+       else if (rttm.rtt <= m[1].rtt)
+               m[1] = m[2] = rttm;
+       else if (rttm.rtt <= m[2].rtt)
+               m[2] = rttm;
+
+       elapsed = now - m[0].ts;
+       if (unlikely(elapsed > wlen)) {
+               /* Passed entire window without a new min so make 2nd choice
+                * the new min & 3rd choice the new 2nd. So forth and so on.
+                */
+               m[0] = m[1];
+               m[1] = m[2];
+               m[2] = rttm;
+               if (now - m[0].ts > wlen) {
+                       m[0] = m[1];
+                       m[1] = rttm;
+                       if (now - m[0].ts > wlen)
+                               m[0] = rttm;
+               }
+       } else if (m[1].ts == m[0].ts && elapsed > wlen / 4) {
+               /* Passed a quarter of the window without a new min so
+                * take 2nd choice from the 2nd quarter of the window.
+                */
+               m[2] = m[1] = rttm;
+       } else if (m[2].ts == m[1].ts && elapsed > wlen / 2) {
+               /* Passed half the window without a new min so take the 3rd
+                * choice from the last half of the window.
+                */
+               m[2] = rttm;
+       }
+}
+
 static inline bool tcp_ack_update_rtt(struct sock *sk, const int flag,
-                                     long seq_rtt_us, long sack_rtt_us)
+                                     long seq_rtt_us, long sack_rtt_us,
+                                     long ca_rtt_us)
 {
        const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 
@@ -2936,11 +2998,16 @@ static inline bool tcp_ack_update_rtt(struct sock *sk, const int flag,
         */
        if (seq_rtt_us < 0 && tp->rx_opt.saw_tstamp && tp->rx_opt.rcv_tsecr &&
            flag & FLAG_ACKED)
-               seq_rtt_us = jiffies_to_usecs(tcp_time_stamp - tp->rx_opt.rcv_tsecr);
-
+               seq_rtt_us = ca_rtt_us = jiffies_to_usecs(tcp_time_stamp -
+                                                         tp->rx_opt.rcv_tsecr);
        if (seq_rtt_us < 0)
                return false;
 
+       /* ca_rtt_us >= 0 is counting on the invariant that ca_rtt_us is
+        * always taken together with ACK, SACK, or TS-opts. Any negative
+        * values will be skipped with the seq_rtt_us < 0 check above.
+        */
+       tcp_update_rtt_min(sk, ca_rtt_us);
        tcp_rtt_estimator(sk, seq_rtt_us);
        tcp_set_rto(sk);
 
@@ -2961,7 +3028,7 @@ void tcp_synack_rtt_meas(struct sock *sk, struct request_sock *req)
                rtt_us = skb_mstamp_us_delta(&now, &tcp_rsk(req)->snt_synack);
        }
 
-       tcp_ack_update_rtt(sk, FLAG_SYN_ACKED, rtt_us, -1L);
+       tcp_ack_update_rtt(sk, FLAG_SYN_ACKED, rtt_us, -1L, rtt_us);
 }
 
 
@@ -3175,7 +3242,8 @@ static int tcp_clean_rtx_queue(struct sock *sk, int prior_fackets,
                ca_rtt_us = skb_mstamp_us_delta(&now, &sack->last_sackt);
        }
 
-       rtt_update = tcp_ack_update_rtt(sk, flag, seq_rtt_us, sack_rtt_us);
+       rtt_update = tcp_ack_update_rtt(sk, flag, seq_rtt_us, sack_rtt_us,
+                                       ca_rtt_us);
 
        if (flag & FLAG_ACKED) {
                tcp_rearm_rto(sk);
index 41828bdc5d32ad13526dcc0c390f09604e67d9d9..b875c288daaa1b91c208b510ba0098946f83b89b 100644 (file)
@@ -470,6 +470,7 @@ struct sock *tcp_create_openreq_child(const struct sock *sk,
 
                newtp->srtt_us = 0;
                newtp->mdev_us = jiffies_to_usecs(TCP_TIMEOUT_INIT);
+               newtp->rtt_min[0].rtt = ~0U;
                newicsk->icsk_rto = TCP_TIMEOUT_INIT;
 
                newtp->packets_out = 0;