Quelle  bpf_cubic.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only

/* WARNING: This implementation is not necessarily the same
 * as the tcp_cubic.c.  The purpose is mainly for testing
 * the kernel BPF logic.
 *
 * Highlights:
 * 1. CONFIG_HZ .kconfig map is used.
 * 2. In bictcp_update(), calculation is changed to use usec
 *    resolution (i.e. USEC_PER_JIFFY) instead of using jiffies.
 *    Thus, usecs_to_jiffies() is not used in the bpf_cubic.c.
 * 3. In bitctcp_update() [under tcp_friendliness], the original
 *    "while (ca->ack_cnt > delta)" loop is changed to the equivalent
 *    "ca->ack_cnt / delta" operation.
 */

#include "bpf_tracing_net.h"
#include <bpf/bpf_tracing.h>

char _license[] SEC("license") = "GPL";

#define clamp(val, lo, hi) min((typeof(val))max(val, lo), hi)
#define min(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
static bool before(__u32 seq1, __u32 seq2)
{
 return (__s32)(seq1-seq2) < 0;
}
#define after(seq2, seq1)  before(seq1, seq2)

extern __u32 tcp_slow_start(struct tcp_sock *tp, __u32 acked) __ksym;
extern void tcp_cong_avoid_ai(struct tcp_sock *tp, __u32 w, __u32 acked) __ksym;

#define BICTCP_BETA_SCALE    1024 /* Scale factor beta calculation
 * max_cwnd = snd_cwnd * beta
 */
#define BICTCP_HZ  10 /* BIC HZ 2^10 = 1024 */

/* Two methods of hybrid slow start */
#define HYSTART_ACK_TRAIN 0x1
#define HYSTART_DELAY  0x2

/* Number of delay samples for detecting the increase of delay */
#define HYSTART_MIN_SAMPLES 8
#define HYSTART_DELAY_MIN (4000U) /* 4ms */
#define HYSTART_DELAY_MAX (16000U) /* 16 ms */
#define HYSTART_DELAY_THRESH(x) clamp(x, HYSTART_DELAY_MIN, HYSTART_DELAY_MAX)

static int fast_convergence = 1;
static const int beta = 717; /* = 717/1024 (BICTCP_BETA_SCALE) */
static int initial_ssthresh;
static const int bic_scale = 41;
static int tcp_friendliness = 1;

static int hystart = 1;
static int hystart_detect = HYSTART_ACK_TRAIN | HYSTART_DELAY;
static int hystart_low_window = 16;
static int hystart_ack_delta_us = 2000;

static const __u32 cube_rtt_scale = (bic_scale * 10); /* 1024*c/rtt */
static const __u32 beta_scale = 8*(BICTCP_BETA_SCALE+beta) / 3
    / (BICTCP_BETA_SCALE - beta);
/* calculate the "K" for (wmax-cwnd) = c/rtt * K^3
 *  so K = cubic_root( (wmax-cwnd)*rtt/c )
 * the unit of K is bictcp_HZ=2^10, not HZ
 *
 *  c = bic_scale >> 10
 *  rtt = 100ms
 *
 * the following code has been designed and tested for
 * cwnd < 1 million packets
 * RTT < 100 seconds
 * HZ < 1,000,00  (corresponding to 10 nano-second)
 */

/* 1/c * 2^2*bictcp_HZ * srtt, 2^40 */
static const __u64 cube_factor = (__u64)(1ull << (10+3*BICTCP_HZ))
    / (bic_scale * 10);

/* BIC TCP Parameters */
struct bpf_bictcp {
 __u32 cnt;  /* increase cwnd by 1 after ACKs */
 __u32 last_max_cwnd; /* last maximum snd_cwnd */
 __u32 last_cwnd; /* the last snd_cwnd */
 __u32 last_time; /* time when updated last_cwnd */
 __u32 bic_origin_point;/* origin point of bic function */
 __u32 bic_K;  /* time to origin point
   from the beginning of the current epoch */
 __u32 delay_min; /* min delay (usec) */
 __u32 epoch_start; /* beginning of an epoch */
 __u32 ack_cnt; /* number of acks */
 __u32 tcp_cwnd; /* estimated tcp cwnd */
 __u16 unused;
 __u8 sample_cnt; /* number of samples to decide curr_rtt */
 __u8 found;  /* the exit point is found? */
 __u32 round_start; /* beginning of each round */
 __u32 end_seq; /* end_seq of the round */
 __u32 last_ack; /* last time when the ACK spacing is close */
 __u32 curr_rtt; /* the minimum rtt of current round */
};

static void bictcp_reset(struct bpf_bictcp *ca)
{
 ca->cnt = 0;
 ca->last_max_cwnd = 0;
 ca->last_cwnd = 0;
 ca->last_time = 0;
 ca->bic_origin_point = 0;
 ca->bic_K = 0;
 ca->delay_min = 0;
 ca->epoch_start = 0;
 ca->ack_cnt = 0;
 ca->tcp_cwnd = 0;
 ca->found = 0;
}

extern unsigned long CONFIG_HZ __kconfig;
#define HZ CONFIG_HZ
#define USEC_PER_MSEC 1000UL
#define USEC_PER_SEC 1000000UL
#define USEC_PER_JIFFY (USEC_PER_SEC / HZ)

static __u64 div64_u64(__u64 dividend, __u64 divisor)
{
 return dividend / divisor;
}

#define div64_ul div64_u64

#define BITS_PER_U64 (sizeof(__u64) * 8)
static int fls64(__u64 x)
{
 int num = BITS_PER_U64 - 1;

 if (x == 0)
  return 0;

 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-32)))) {
  num -= 32;
  x <<= 32;
 }
 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-16)))) {
  num -= 16;
  x <<= 16;
 }
 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-8)))) {
  num -= 8;
  x <<= 8;
 }
 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-4)))) {
  num -= 4;
  x <<= 4;
 }
 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-2)))) {
  num -= 2;
  x <<= 2;
 }
 if (!(x & (~0ull << (BITS_PER_U64-1))))
  num -= 1;

 return num + 1;
}

static __u32 bictcp_clock_us(const struct sock *sk)
{
 return tcp_sk(sk)->tcp_mstamp;
}

static void bictcp_hystart_reset(struct sock *sk)
{
 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);

 ca->round_start = ca->last_ack = bictcp_clock_us(sk);
 ca->end_seq = tp->snd_nxt;
 ca->curr_rtt = ~0U;
 ca->sample_cnt = 0;
}

SEC("struct_ops")
void BPF_PROG(bpf_cubic_init, struct sock *sk)
{
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);

 bictcp_reset(ca);

 if (hystart)
  bictcp_hystart_reset(sk);

 if (!hystart && initial_ssthresh)
  tcp_sk(sk)->snd_ssthresh = initial_ssthresh;
}

SEC("struct_ops")
void BPF_PROG(bpf_cubic_cwnd_event, struct sock *sk, enum tcp_ca_event event)
{
 if (event == CA_EVENT_TX_START) {
  struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
  __u32 now = tcp_jiffies32;
  __s32 delta;

  delta = now - tcp_sk(sk)->lsndtime;

  /* We were application limited (idle) for a while.
 * Shift epoch_start to keep cwnd growth to cubic curve.
 */
  if (ca->epoch_start && delta > 0) {
   ca->epoch_start += delta;
   if (after(ca->epoch_start, now))
    ca->epoch_start = now;
  }
  return;
 }
}

/*
 * cbrt(x) MSB values for x MSB values in [0..63].
 * Precomputed then refined by hand - Willy Tarreau
 *
 * For x in [0..63],
 *   v = cbrt(x << 18) - 1
 *   cbrt(x) = (v[x] + 10) >> 6
 */
static const __u8 v[] = {
 /* 0x00 */    0,   54,   54,   54,  118,  118,  118,  118,
 /* 0x08 */  123,  129,  134,  138,  143,  147,  151,  156,
 /* 0x10 */  157,  161,  164,  168,  170,  173,  176,  179,
 /* 0x18 */  181,  185,  187,  190,  192,  194,  197,  199,
 /* 0x20 */  200,  202,  204,  206,  209,  211,  213,  215,
 /* 0x28 */  217,  219,  221,  222,  224,  225,  227,  229,
 /* 0x30 */  231,  232,  234,  236,  237,  239,  240,  242,
 /* 0x38 */  244,  245,  246,  248,  250,  251,  252,  254,
};

/* calculate the cubic root of x using a table lookup followed by one
 * Newton-Raphson iteration.
 * Avg err ~= 0.195%
 */
static __u32 cubic_root(__u64 a)
{
 __u32 x, b, shift;

 if (a < 64) {
  /* a in [0..63] */
  return ((__u32)v[(__u32)a] + 35) >> 6;
 }

 b = fls64(a);
 b = ((b * 84) >> 8) - 1;
 shift = (a >> (b * 3));

 /* it is needed for verifier's bound check on v */
 if (shift >= 64)
  return 0;

 x = ((__u32)(((__u32)v[shift] + 10) << b)) >> 6;

 /*
 * Newton-Raphson iteration
 *                         2
 * x    = ( 2 * x  +  a / x  ) / 3
 *  k+1          k         k
 */
 x = (2 * x + (__u32)div64_u64(a, (__u64)x * (__u64)(x - 1)));
 x = ((x * 341) >> 10);
 return x;
}

/*
 * Compute congestion window to use.
 */
static void bictcp_update(struct bpf_bictcp *ca, __u32 cwnd, __u32 acked)
{
 __u32 delta, bic_target, max_cnt;
 __u64 offs, t;

 ca->ack_cnt += acked; /* count the number of ACKed packets */

 if (ca->last_cwnd == cwnd &&
     (__s32)(tcp_jiffies32 - ca->last_time) <= HZ / 32)
  return;

 /* The CUBIC function can update ca->cnt at most once per jiffy.
 * On all cwnd reduction events, ca->epoch_start is set to 0,
 * which will force a recalculation of ca->cnt.
 */
 if (ca->epoch_start && tcp_jiffies32 == ca->last_time)
  goto tcp_friendliness;

 ca->last_cwnd = cwnd;
 ca->last_time = tcp_jiffies32;

 if (ca->epoch_start == 0) {
  ca->epoch_start = tcp_jiffies32; /* record beginning */
  ca->ack_cnt = acked;   /* start counting */
  ca->tcp_cwnd = cwnd;   /* syn with cubic */

  if (ca->last_max_cwnd <= cwnd) {
   ca->bic_K = 0;
   ca->bic_origin_point = cwnd;
  } else {
   /* Compute new K based on
 * (wmax-cwnd) * (srtt>>3 / HZ) / c * 2^(3*bictcp_HZ)
 */
   ca->bic_K = cubic_root(cube_factor
            * (ca->last_max_cwnd - cwnd));
   ca->bic_origin_point = ca->last_max_cwnd;
  }
 }

 /* cubic function - calc*/
 /* calculate c * time^3 / rtt,
 *  while considering overflow in calculation of time^3
 * (so time^3 is done by using 64 bit)
 * and without the support of division of 64bit numbers
 * (so all divisions are done by using 32 bit)
 *  also NOTE the unit of those variables
 *   time  = (t - K) / 2^bictcp_HZ
 *   c = bic_scale >> 10
 * rtt  = (srtt >> 3) / HZ
 * !!! The following code does not have overflow problems,
 * if the cwnd < 1 million packets !!!
 */

 t = (__s32)(tcp_jiffies32 - ca->epoch_start) * USEC_PER_JIFFY;
 t += ca->delay_min;
 /* change the unit from usec to bictcp_HZ */
 t <<= BICTCP_HZ;
 t /= USEC_PER_SEC;

 if (t < ca->bic_K)  /* t - K */
  offs = ca->bic_K - t;
 else
  offs = t - ca->bic_K;

 /* c/rtt * (t-K)^3 */
 delta = (cube_rtt_scale * offs * offs * offs) >> (10+3*BICTCP_HZ);
 if (t < ca->bic_K)                            /* below origin*/
  bic_target = ca->bic_origin_point - delta;
 else                                          /* above origin*/
  bic_target = ca->bic_origin_point + delta;

 /* cubic function - calc bictcp_cnt*/
 if (bic_target > cwnd) {
  ca->cnt = cwnd / (bic_target - cwnd);
 } else {
  ca->cnt = 100 * cwnd;              /* very small increment*/
 }

 /*
 * The initial growth of cubic function may be too conservative
 * when the available bandwidth is still unknown.
 */
 if (ca->last_max_cwnd == 0 && ca->cnt > 20)
  ca->cnt = 20; /* increase cwnd 5% per RTT */

tcp_friendliness:
 /* TCP Friendly */
 if (tcp_friendliness) {
  __u32 scale = beta_scale;
  __u32 n;

  /* update tcp cwnd */
  delta = (cwnd * scale) >> 3;
  if (ca->ack_cnt > delta && delta) {
   n = ca->ack_cnt / delta;
   ca->ack_cnt -= n * delta;
   ca->tcp_cwnd += n;
  }

  if (ca->tcp_cwnd > cwnd) { /* if bic is slower than tcp */
   delta = ca->tcp_cwnd - cwnd;
   max_cnt = cwnd / delta;
   if (ca->cnt > max_cnt)
    ca->cnt = max_cnt;
  }
 }

 /* The maximum rate of cwnd increase CUBIC allows is 1 packet per
 * 2 packets ACKed, meaning cwnd grows at 1.5x per RTT.
 */
 ca->cnt = max(ca->cnt, 2U);
}

SEC("struct_ops")
void BPF_PROG(bpf_cubic_cong_avoid, struct sock *sk, __u32 ack, __u32 acked)
{
 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);

 if (!tcp_is_cwnd_limited(sk))
  return;

 if (tcp_in_slow_start(tp)) {
  if (hystart && after(ack, ca->end_seq))
   bictcp_hystart_reset(sk);
  acked = tcp_slow_start(tp, acked);
  if (!acked)
   return;
 }
 bictcp_update(ca, tp->snd_cwnd, acked);
 tcp_cong_avoid_ai(tp, ca->cnt, acked);
}

SEC("struct_ops")
__u32 BPF_PROG(bpf_cubic_recalc_ssthresh, struct sock *sk)
{
 const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);

 ca->epoch_start = 0; /* end of epoch */

 /* Wmax and fast convergence */
 if (tp->snd_cwnd < ca->last_max_cwnd && fast_convergence)
  ca->last_max_cwnd = (tp->snd_cwnd * (BICTCP_BETA_SCALE + beta))
   / (2 * BICTCP_BETA_SCALE);
 else
  ca->last_max_cwnd = tp->snd_cwnd;

 return max((tp->snd_cwnd * beta) / BICTCP_BETA_SCALE, 2U);
}

SEC("struct_ops")
void BPF_PROG(bpf_cubic_state, struct sock *sk, __u8 new_state)
{
 if (new_state == TCP_CA_Loss) {
  bictcp_reset(inet_csk_ca(sk));
  bictcp_hystart_reset(sk);
 }
}

#define GSO_MAX_SIZE  65536

/* Account for TSO/GRO delays.
 * Otherwise short RTT flows could get too small ssthresh, since during
 * slow start we begin with small TSO packets and ca->delay_min would
 * not account for long aggregation delay when TSO packets get bigger.
 * Ideally even with a very small RTT we would like to have at least one
 * TSO packet being sent and received by GRO, and another one in qdisc layer.
 * We apply another 100% factor because @rate is doubled at this point.
 * We cap the cushion to 1ms.
 */
static __u32 hystart_ack_delay(struct sock *sk)
{
 unsigned long rate;

 rate = sk->sk_pacing_rate;
 if (!rate)
  return 0;
 return min((__u64)USEC_PER_MSEC,
     div64_ul((__u64)GSO_MAX_SIZE * 4 * USEC_PER_SEC, rate));
}

static void hystart_update(struct sock *sk, __u32 delay)
{
 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
 __u32 threshold;

 if (hystart_detect & HYSTART_ACK_TRAIN) {
  __u32 now = bictcp_clock_us(sk);

  /* first detection parameter - ack-train detection */
  if ((__s32)(now - ca->last_ack) <= hystart_ack_delta_us) {
   ca->last_ack = now;

   threshold = ca->delay_min + hystart_ack_delay(sk);

   /* Hystart ack train triggers if we get ack past
 * ca->delay_min/2.
 * Pacing might have delayed packets up to RTT/2
 * during slow start.
 */
   if (sk->sk_pacing_status == SK_PACING_NONE)
    threshold >>= 1;

   if ((__s32)(now - ca->round_start) > threshold) {
    ca->found = 1;
    tp->snd_ssthresh = tp->snd_cwnd;
   }
  }
 }

 if (hystart_detect & HYSTART_DELAY) {
  /* obtain the minimum delay of more than sampling packets */
  if (ca->curr_rtt > delay)
   ca->curr_rtt = delay;
  if (ca->sample_cnt < HYSTART_MIN_SAMPLES) {
   ca->sample_cnt++;
  } else {
   if (ca->curr_rtt > ca->delay_min +
       HYSTART_DELAY_THRESH(ca->delay_min >> 3)) {
    ca->found = 1;
    tp->snd_ssthresh = tp->snd_cwnd;
   }
  }
 }
}

int bpf_cubic_acked_called = 0;

SEC("struct_ops")
void BPF_PROG(bpf_cubic_acked, struct sock *sk, const struct ack_sample *sample)
{
 const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 struct bpf_bictcp *ca = inet_csk_ca(sk);
 __u32 delay;

 bpf_cubic_acked_called = 1;
 /* Some calls are for duplicates without timestamps */
 if (sample->rtt_us < 0)
  return;

 /* Discard delay samples right after fast recovery */
 if (ca->epoch_start && (__s32)(tcp_jiffies32 - ca->epoch_start) < HZ)
  return;

 delay = sample->rtt_us;
 if (delay == 0)
  delay = 1;

 /* first time call or link delay decreases */
 if (ca->delay_min == 0 || ca->delay_min > delay)
  ca->delay_min = delay;

 /* hystart triggers when cwnd is larger than some threshold */
 if (!ca->found && tcp_in_slow_start(tp) && hystart &&
     tp->snd_cwnd >= hystart_low_window)
  hystart_update(sk, delay);
}

extern __u32 tcp_reno_undo_cwnd(struct sock *sk) __ksym;

SEC("struct_ops")
__u32 BPF_PROG(bpf_cubic_undo_cwnd, struct sock *sk)
{
 return tcp_reno_undo_cwnd(sk);
}

SEC(".struct_ops")
struct tcp_congestion_ops cubic = {
 .init  = (void *)bpf_cubic_init,
 .ssthresh = (void *)bpf_cubic_recalc_ssthresh,
 .cong_avoid = (void *)bpf_cubic_cong_avoid,
 .set_state = (void *)bpf_cubic_state,
 .undo_cwnd = (void *)bpf_cubic_undo_cwnd,
 .cwnd_event = (void *)bpf_cubic_cwnd_event,
 .pkts_acked     = (void *)bpf_cubic_acked,
 .name  = "bpf_cubic",
};