tcp拥塞算法reno_tcp拥塞控制算法哪个好

根据对AIMD拥塞算法的观察，对于传统网络，增加值α应当足够小，以便于同传统TCP拥塞算法（Reno/NewReno）相兼容；而对于高速和长距离（high-speed and long distance）网络，可增大α的值，以便获取额外的带宽。基于以上判断，H-TCP通过动态的调整α和β的值，来达到合理利用高速长距离网络的带宽，而又可在传统网络中与标准TCP保持友善性的目的。

在高速模式下，增长参数α的值等于$${\alpha }^H(\Delta )$$.在低速模式下，增长参数alpha的值等于$${\alpha }^L$$。如下所示：

$$\alpha \leftarrow \{\begin{array}{ll}{\alpha }^L& \text{ if }\Delta \le {\Delta }^L\\ {\alpha }^H\left(\Delta \right)& \text{ if }\Delta >{\Delta }^L\end{array}$$

Delta是上次发生拥塞以来所经过的时间，α-L是低速阶段的增长参数，主要用于向后兼容。α-H是高速阶段的增长参数。两者模式的切换由Delta-L决定。

系数beta用于发生拥塞时减少窗口值，如果减少过多，吞吐将受到影响，如下吞吐的计算(降低后窗口值/RTT)：

$$\frac{\beta \omega (k)}{RT{T}_{min}}$$

HTCP通过以下公式计算β的值，由于最大RTT与最小RTT的差值，受到瓶颈链路的报文缓存的影响，β值的选择有助于在拥塞发生之后，瓶颈链路清空其缓存队列：

$$\beta =\frac{RT{T}_{min}}{RT{T}_{max}}$$

初始化

H-TCP的预设参数有以下三个，定义了α的值，以及β的取值范围：

#define ALPHA_BASE  (1<<7)  /* 1.0 with shift << 7 */
#define BETA_MIN    (1<<6)  /* 0.5 with shift << 7 */
#define BETA_MAX    102 /* 0.8 with shift << 7 */

H-TCP模块参数use_bandwidth_switch可控制是否启用低速到高速网络算法的转换，默认值为1。模块参数use_rtt_scaling默认值为1，通过开启RTT扩展功能，alpha的值可不再依赖于RTT，这样在拥塞发生到恢复之前窗口值的时长将不再取决于RTT。

static int use_rtt_scaling __read_mostly = 1;
module_param(use_rtt_scaling, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(use_rtt_scaling, "turn on/off RTT scaling");

static int use_bandwidth_switch __read_mostly = 1;
module_param(use_bandwidth_switch, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(use_bandwidth_switch, "turn on/off bandwidth switcher");

在初始化过程中，α的值设置为1（ALPHA_BASE），β的值设置为0.5（BETA_MIN），与传统的TCP拥塞算法一致。每个RTT周期拥塞窗口增加1，拥塞发生时窗口减半。可见，此时H-TCP与传统TCP行为一致（TCP-friendliness）。

static void htcp_init(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    memset(ca, 0, sizeof(struct htcp));
    ca->alpha = ALPHA_BASE;
    ca->beta = BETA_MIN;
    ca->pkts_acked = 1;
    ca->last_cong = jiffies;
}

ACK报文处理

在处理ACK报文时，函数measure_achieved_throughput得到调用。变量pkts_acked表示此ACK确认的报文数量，如果RTT有值，调用measure_rtt更新H-TCP记录的最小和最大RTT值。

static void measure_achieved_throughput(struct sock *sk, const struct ack_sample *sample)
{
    const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    u32 now = tcp_jiffies32;

    if (icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open)
        ca->pkts_acked = sample->pkts_acked;

    if (sample->rtt_us > 0)
        measure_rtt(sk, usecs_to_jiffies(sample->rtt_us));

    if (!use_bandwidth_switch)
        return;

如果发生拥塞，清空报文计数，记录下发生时刻的时间戳，结束处理，不进行吞吐计算。

    /* achieved throughput calculations */
    if (!((1 << icsk->icsk_ca_state) & (TCPF_CA_Open | TCPF_CA_Disorder))) {
        ca->packetcount = 0;
        ca->lasttime = now;
        return;
    }

否则，递增报文统计计数（packetcount ）。带宽的计算周期为最小RTT，即每个minRTT时长计算带宽值，带宽计算还需满足另一个条件，即确认报文数量（packetcount）要大于alpha的值。带宽的计算为报文数量除以时长（拥塞发生到当前时刻的时长）。

如果发生拥塞时刻距今未超过3个minRTT周期，将当前计算的带宽值赋值给最大带宽（maxB）、最小带宽（minB）和平均带宽（Bi），此时二者相等。

否则，平均带宽（Bi）等于3/4倍的之前平均带宽Bi加上1/4倍的当前带宽。使用平均带宽Bi更新最大和最小带宽（H-TCP未使用minB，在计算beta值时，将用到maxB值）。

    ca->packetcount += sample->pkts_acked;

    if (ca->packetcount >= tp->snd_cwnd - (ca->alpha >> 7 ? : 1) &&
        now - ca->lasttime >= ca->minRTT &&
        ca->minRTT > 0) {
        __u32 cur_Bi = ca->packetcount * HZ / (now - ca->lasttime);

        if (htcp_ccount(ca) <= 3) {
            /* just after backoff */
            ca->minB = ca->maxB = ca->Bi = cur_Bi;
        } else {
            ca->Bi = (3 * ca->Bi + cur_Bi) / 4;
            if (ca->Bi > ca->maxB)
                ca->maxB = ca->Bi;
            if (ca->minB > ca->maxB)
                ca->minB = ca->maxB;
        }
        ca->packetcount = 0;
        ca->lasttime = now;

子函数measure_rtt用于追踪当前连接的最小RTT和最大RTT值。注意，最大RTT值的更新发生在TCP_CA_Open状态，一方面maxRTT的值不应小于minRTT，另一方面，maxRTT值的增加每次不超过20毫秒的限值。

static inline void measure_rtt(struct sock *sk, u32 srtt)
{
    const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    /* keep track of minimum RTT seen so far, minRTT is zero at first */
    if (ca->minRTT > srtt || !ca->minRTT)
        ca->minRTT = srtt;

    /* max RTT */
    if (icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open) {
        if (ca->maxRTT < ca->minRTT)
            ca->maxRTT = ca->minRTT;
        if (ca->maxRTT < srtt && srtt <= ca->maxRTT + msecs_to_jiffies(20))
            ca->maxRTT = srtt;

函数htcp_ccount返回拥塞发生到当前时刻的时长，经过了多少个minRTT周期。

static inline u32 htcp_ccount(const struct htcp *ca)
{
    return htcp_cong_time(ca) / ca->minRTT;
}

慢启动阈值

函数htcp_recalc_ssthresh计算慢启动阈值ssthresh，即将当前拥塞窗口乘以系数β（beta>>7 = β），将ssthresh阈值限定在2以上。同时，调用函数htcp_param_update更新H-TCP参数。

static u32 htcp_recalc_ssthresh(struct sock *sk)
{
    const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    const struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    htcp_param_update(sk);
    return max((tp->snd_cwnd * ca->beta) >> 7, 2U);

根据最小RTT和最大RTT时长，更新β参数，随后更新α参数。

/*
 * After we have the rtt data to calculate beta, we'd still prefer to wait one
 * rtt before we adjust our beta to ensure we are working from a consistent
 * data.
 *
 * This function should be called when we hit a congestion event since only at
 * that point do we really have a real sense of maxRTT (the queues en route
 * were getting just too full now).
 */
static void htcp_param_update(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    u32 minRTT = ca->minRTT;
    u32 maxRTT = ca->maxRTT;

    htcp_beta_update(ca, minRTT, maxRTT);
    htcp_alpha_update(ca);

    /* add slowly fading memory for maxRTT to accommodate routing changes */
    if (minRTT > 0 && maxRTT > minRTT)
        ca->maxRTT = minRTT + ((maxRTT - minRTT) * 95) / 100;
}

更新beta参数，由函数htcp_beta_update完成。如果开启H-TCP模式转换，并且当前带宽maxB满足以下条件，将beta设置为最小值BETA_MIN（0.5<<7），清空modeswitch，进入低速模式。

$$maxB\Rightarrow [\frac{4}{5}\ast oldmaxB,\frac{6}{5}\ast oldmaxB]$$

即无论是最大带宽maxB太大或者太小，只要变化范围超出以上定义，都将关闭modeswitch模式，beta重设为与标准TCP一致的值（BETA_MIN）。

static inline void htcp_beta_update(struct htcp *ca, u32 minRTT, u32 maxRTT)
{
    if (use_bandwidth_switch) {
        u32 maxB = ca->maxB;
        u32 old_maxB = ca->old_maxB;

        ca->old_maxB = ca->maxB;
        if (!between(5 * maxB, 4 * old_maxB, 6 * old_maxB)) {
            ca->beta = BETA_MIN;
            ca->modeswitch = 0;
            return;
        }
    }

如果以上条件不成立，当前H-TCP位于高速模式，最小minRTT大于10毫秒，并且maxRTT不为零，调整β的值为等于minRTT/maxRTT（beta = β << 7），beta的最终值不能小于BETA_MIN，不能大于BETA_MAX，取值区间为：[BETA_MIN, BETA_MAX]，真实的β取值为：[0.5, 0.8]。

否则，当前处于低速模式，或者最小RTT的值小于等于10毫秒，将beta的值调整为BETA_MIN，并且开启高速模式。如此小的RTT值，beta恢复原值，与标准TCP保持一致。

    if (ca->modeswitch && minRTT > msecs_to_jiffies(10) && maxRTT) {
        ca->beta = (minRTT << 7) / maxRTT;
        if (ca->beta < BETA_MIN)
            ca->beta = BETA_MIN;
        else if (ca->beta > BETA_MAX)
            ca->beta = BETA_MAX;
    } else {
        ca->beta = BETA_MIN;
        ca->modeswitch = 1;
    }

alpha值的调整由函数htcp_alpha_update完成，对于H-TCP，α值与拥塞发生的时长成比例，函数htcp_cong_time用于计算这段时间长度。

static inline u32 htcp_cong_time(const struct htcp *ca)
{
    return jiffies - ca->last_cong;
}

α值的计算公式如下：

$$\alpha \leftarrow \{\begin{array}{ll}1& \text{ if }\Delta \le {\Delta }^L\\ 1+10(\Delta -{\Delta }^L)+{\left(\frac{\Delta -{\Delta }^L}{2}\right)}^2& \text{ if }\Delta >{\Delta }^L\end{array}$$

之后：

$$\alpha \leftarrow 2\left(1-\beta \right)\alpha$$

对于H-TCP，delta-L取值HZ（1秒钟）。

static inline void htcp_alpha_update(struct htcp *ca)
{
    u32 minRTT = ca->minRTT;
    u32 factor = 1;
    u32 diff = htcp_cong_time(ca);

    if (diff > HZ) {
        diff -= HZ;
        factor = 1 + (10 * diff + ((diff / 2) * (diff / 2) / HZ)) / HZ;
    }

如果开启了RTT扩展系数功能（use_rtt_scaling），使用扩展系数scale修正因数factor的值。如下，scale值等于HZ除以10倍的minRTT的值，范围限定在[0.5, 10]，反之过小或者过大的RTT值引发的不当行为。最后因数factor除以scale得到最终的值。

    if (use_rtt_scaling && minRTT) {
        u32 scale = (HZ << 3) / (10 * minRTT);

        /* clamping ratio to interval [0.5,10]<<3 */
        scale = min(max(scale, 1U << 2), 10U << 3);
        factor = (factor << 3) / scale;
        if (!factor)
            factor = 1;
    }

    ca->alpha = 2 * factor * ((1 << 7) - ca->beta);
    if (!ca->alpha)   ca->alpha = ALPHA_BASE;
}

拥塞避免

在拥塞避免处理函数htcp_cong_avoid中，如果数据发送被没有因为拥塞窗口而受到限制，不做处理。在SlowStart阶段，H-TCP的处理与标准TCP相同。在TCP拥塞避免阶段，由变量snd_cwnd_cnt记录确认的报文总数，如果当前确认报文总数与alpha的乘积大于拥塞窗口时，将拥塞窗口增加一，对于标准TCP，α的值为1，即仅当确认报文数量等于拥塞窗口时，才能加一（每个RTT周期加一）。对于H-TCP，如果α大于一，拥塞窗口将加速增长。

拥塞窗口增长之后，复位snd_cwnd_cnt计数，并且更新alpha的值，由以上介绍的函数htcp_alpha_update实现。

static void htcp_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack, u32 acked)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    if (!tcp_is_cwnd_limited(sk)) return;

    if (tcp_in_slow_start(tp))
        tcp_slow_start(tp, acked);
    else {
        /* In dangerous area, increase slowly.
         * In theory this is tp->snd_cwnd += alpha / tp->snd_cwnd
         */
        if ((tp->snd_cwnd_cnt * ca->alpha)>>7 >= tp->snd_cwnd) {
            if (tp->snd_cwnd < tp->snd_cwnd_clamp)
                tp->snd_cwnd++;
            tp->snd_cwnd_cnt = 0;
            htcp_alpha_update(ca);
        } else
            tp->snd_cwnd_cnt += ca->pkts_acked;

        ca->pkts_acked = 1;

TCP拥塞状态变化

对于H-TCP，进入TCP_CA_Open状态，表明拥塞结束，记录下拥塞发生的时间戳，清空undo_last_cong标志，确定发生拥塞，不在需要undo撤销操作。在CWR/Recovery/Loss状态，复位H-TCP。

static void htcp_state(struct sock *sk, u8 new_state)
{
    switch (new_state) {
    case TCP_CA_Open:
        {
            struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);
    
            if (ca->undo_last_cong) {
                ca->last_cong = jiffies;
                ca->undo_last_cong = 0;
            }
        }
        break;
    case TCP_CA_CWR:
    case TCP_CA_Recovery:
    case TCP_CA_Loss:
        htcp_reset(inet_csk_ca(sk));
        break;  

在进入CWR/Recovery/Loss状态时，调用复位函数，记录下H-TCP相关参数，包括undo相关参数。更新拥塞发生时刻的时间戳。记录undo参数以便在执行拥塞窗口撤销时进行恢复。

static inline void htcp_reset(struct htcp *ca)
{
    ca->undo_last_cong = ca->last_cong;
    ca->undo_maxRTT = ca->maxRTT;
    ca->undo_old_maxB = ca->old_maxB;

    ca->last_cong = jiffies;
}

拥塞窗口撤销

H-TCP的拥塞窗口撤销函数htcp_cwnd_undo借用了Reno的撤销函数，在此之前，使用undo保存的变量恢复之前的状态，参见上一节的htcp_reset函数。

static u32 htcp_cwnd_undo(struct sock *sk)
{
    struct htcp *ca = inet_csk_ca(sk);

    if (ca->undo_last_cong) {
        ca->last_cong = ca->undo_last_cong;
        ca->maxRTT = ca->undo_maxRTT;
        ca->old_maxB = ca->undo_old_maxB;
        ca->undo_last_cong = 0;
    }

    return tcp_reno_undo_cwnd(sk);

关于H-TCP算法，详细内容参见文档：H-TCP: TCP for high-speed and long-distance networks

内核版本 5.0

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