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TCP 拥塞避免算法( 六 )

算法


整体过程如下图 ， 在一个 10Mbps 带宽 ， 延迟 40ms 的网络下取了 700ms 时长的数据 。图中纵轴有 RTT ， inflight ， 和 Bandwidth (BW) 。带宽部分有两个值 ， 红色的是发送方计算出来的 Delivery Rate ， 紧挨着红色线的黑线是当前估计出来的 BtlBw 。可以看到 Delivery Rate 波动但估计出来的 BtlBw 变动不大 ， 因为是每次有估计出 Delivery Rate 后将这个值放入估计 BtlBw 的滑动统计窗口内 ， 取滑动窗口内的最大值为 BtlBw ， 也即那个黑色线 ， 所以红色线变动后 ， 黑色线不会立即变动 。黑色线上面的灰色框是 cycle gain 用于控制发送速度 ，  cycle gain * 估计的 BtlBw 就是发送方当前需要的发送速度 。每个周期通过控制 cycle gain 来定期的提高发送速度 ， 以探测当前链路上 BtlBw 是否提高 。
对于黑色的圈我们从起点开始说 ， 起点是红线 ， 即 Delivery Rate 计算出来后 ， 放入 max BtlBw 滑动窗口估算 BtlBw 是多少 。之后 1.25 这个 cycle_gain 时用之前估算的 BtlBw 乘以 1.25 作为发送速度发消息 ， 增周期发消息多了以后链路 Inflights 增大 ， RTT 增大 ， 发出的消息看到是在 1.00 这个 cycle_gain 才被 Ack ， 计入 Delivery Rate ， 并让 max BtlBw 稍微增加了一点点 ， 看到红线峰值比红线上面的细黑线高了一点 ， 于是将细黑线也向上推了一点点 。
图中 RTT ， Inflights ，  cycle_gain  ， Delivery Rate 大致都是对齐的 ， 可以看到增周期时候 Delivery Rate  ， Inflights 和 RTT 增加 ， 减周期是减少 。

TCP 拥塞避免算法

文章插图
 
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下图是带宽从 10Mbps ， 40ms 延迟提到到 20Mbps 又降回 10Mbps 的过程 。带宽提高后看到在 ProbeBW 的增周期 ，  BBR 发现提高发送速度后 RTT 没有变化 ， 且计算出来的 deliveryRate 有升高 ， 更新 BtlBw 到新值 ， 稳定期发送速度比原来高了 25% 。在接下来三个周期内 ， 每一次发送速率提高 25% 后延迟都没有变化 ， 且 deliveryRate 得到提高 ， 最终在第四个探测周期重新出现蓝色小三角 ， 即链路上队列有排队后说明链路进入 full_pipe 状态开始稳定发送速率 。
下半部分是带宽从 20Mbps 降低到 10Mbps ， BBR 内因为维护了 BtlBW max filter 即从一个窗口期内采样得到的 BtlBw 值中取最大值作为当前链路的 BtlBw 。所以即使带宽出现突降 ， 因为 20Mbps 的 BtlBw 还在 max filter 内缓存着 ， 这段时间 BBR 依然认为 BtlBw 是 20Mbps ， 会按照原来的发送速度继续发数据 。于是带宽突降后延迟和 inflight 数据量大幅度增加 。但 inflights 数据量最大不能超过 BBR 内的 target cwnd ， 其值等于 `cwnd gain * 估计的 BDP` ， BBR 会始终控制发送速率保持 inflights 在 target cwnd 内 ， cwnd gain 比 1 大 ， 但不会大很多 ， 所以带宽突然变小后 inflights 不会无限增加 ， 并且会维持一个固定值 ， 在图中表现为 40s ~ 42s 之间的一条水平线 。这个期间即使处在 ProbeBW 阶段也无法执行增周期按 1.25 倍速率发数据 ， 因为 target cwnd 是满的 ， 必须遵从它的限制 ， 它限制了发送端不能让 inflights 数据量比它大 。Inflights 和 RTT 能是一条水平线说明链路上 Buffer 比较大 ， 能承载 target cwnd 下的数据量且不出现丢包 。
补充一下 BBR 里有两个听起来很像的东西 ， pacing gain 和 cwnd gain 。pacing gain 用来在 ProbeBW 内周期性的控制发送速率 ， 发送速率等于估计的 `BtlBw * pacing gain` 。而 cwnd gain 用于控制 target cwnd ， 限制 inflights 数据量 。
在 42s 开始 ， 之前 20Mbps 的 BtlBw 估计值过期了 ， 从 BtlBw max filter 的采样窗口中滑出 ， 根据过去一段时间 Ack 计算出来的到达重新估算 BtlBw ， 根据这个重新估算的 BtlBw 调整发送速度 ， 所以发送速率大幅度下滑 。因为当前的 Inflights 数量远大于当前的 target_cwnd 也即 cwnd_gain * 新估计的 BtlBw  ， 所以发送方会完全不发数据等待 Inflights 下降 ， 在图上表现出 Inflights 突然掉下来 。当 Inflights 小于当前 target_cwnd 后 ， ProbeBW 的周期特性又开始显现 ， 一个一个的小三角开始出来了 。最终发送速率重新回到稳态 。


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