填满TCP长肥管道

Posted 2022-05-27 dog250

填满TCP长肥管道很难，不信你可以试试。

难点在于：

• 基于丢包的cc算法很难hold住窗口，随机丢包会降窗，长RTT导致窗口涨回来很慢。
• BBR算法稍好一点，但需要很大的接收buffer，buffer等于BDP，对内存有高要求。

BBR说恶心了，本文与BBR无关，全部实验的cc算法均为CUBIC。

本文的要点是：

• 长肥管道填不满，吞吐低，并不是rcvbuff不够大，而是rwnd计算方法错了。

直连两个25Gbps网卡，设置40ms延时，sendbuff足够，iperf打流只能到3Gbps～4Gbps，工人们接受这个结论，因为工人们都知道，这是因为recvbuff设置的不够大，将rmem[2]设置成超大，iperf即可到达23Gbps，这说明工人们的建议是对的，说到底还是sysctl_tcp_rmem[2]设置的不够大。

但这是不符合直觉的，见下图：

理论上iperf打流带宽和延时无关，但实际上显然是有关的。

抓包发现根因是rwnd太小，来看下rwnd小的原因。

理论上，rwnd的计算要考虑数据守恒，守恒的意思是：

• 被读走多少数据就能进入多少数据。

守恒没有问题，但至少Linux TCP计算rwnd的方式是有问题的：

copied = read_by_socket
rwnd = free space = min(sysctl_tcp_rmem[2], copied)

数据守恒加了一个限制，这不仅限制了rwnd，还限制了socket读的速率，因为rcvbuff里最多也就sysctl_tcp_rmem[2]字节数据。

按照上图所示的直觉，rwnd是和rcvbuff无关的，rwnd应该取决于数据被读走的速率，它的值应该是：
rwnd = min(BltbwRTT, rate_of_readRTT)

rwnd的值可以远大于rcvbuff。以上基于rate_of_read计算rwnd的目标就是rcvbuff为0，而不是填满它。这和传统算法是相反的。传统算法以为填满rcvbuff就是最好的资源利用率，rcvbuff有个阈值，让rwnd恰好不超过它。

实现时不必去计算min(BltbwRTT, rate_of_readRTT)，probe即可。不断加性增rwnd并监测rcvbuff堆积，当堆积达到阈值不再增加rwnd，保持rcvbuff堆积稳定在阈值内，过一段时间再次probe。

如果应用程序采用busy poll的方式，以上算法可很快探测到应用程序读数据的极限，维持在那个极限将获得最大吞吐率。

这实际就是BBR的思想搬到了端到端流控。传统基于丢包的cc将填满buffer为目标，而BBR则将不填buffer为目标，显然流控也可如此倒换。

下面是我发现这个问题的过程。

发现违反上图截面直觉的现象后，我观察了很低的CPU利用率，发送端dump出rwnd，cwnd，inflight：

inflight < rwnd < cwnd

显然是rwnd limited。于是在接收端将rwnd通告为原始rwnd值的2倍rwnd’ = rwnd*2，CPU利用率即上涨1倍，吞吐也增加1倍，此时rcvbuff里的free space并没改变，说明“到的多，读的也多”。问题是：

• 为什么TCP接收端没能自己算出这rwnd’呢？

核对rcvbuff，free space之后，发现 rwnd = free space = sysctl_tcp_rmem[2] - copied 这个计算方法。而这算法限制死了程序读数据上限。

取消这个限制，我的做法是，为了达到“到的多，读的也多”，我尝试探测程序最快能读多快，为此，我不得不一点点增加rwnd去探测这个极限，显然这正是cc的思路，而拥塞点，就是程序。

我不晓得别的TCP实现如何，但大致也都和Linux TCP差不多。

看下效果，25Gbps网卡直连，40ms端到端延时，接收端rwnd算法没修改之前：

修改之后：
​
很炸的感觉，是不是？有了这个，以后再也不要调rcvbuff了。

这个思路适合端到端全链路，从一个磁盘经过某个应用程序，经由网络，再经过另一个应用程序，再到落盘，每一个环节都要遵循一个原则：

• 主动保持buffer为0，而不是填满它。

下面是一些附属：
接收端查看和修改rwnd的脚本：

stap -ge 'probe kernel.function("__tcp_select_window").return  printf("%d\\n", $return)'
stap -ge 'probe kernel.function("__tcp_select_window").return  $return=123456'

打印rcvbuff数据：

STAP_PRINTF("recvbuf:%d  rwnd:%d  copy:%d\\n", sk->sk_rcvbuf, tp->rcv_wnd, tp->copied_seq - tp->rcvq_space.seq);

将cwnd设置为定值以bypass cc或者让reno增窗更快些：

#!/usr/local/bin/stap -g

%
#include <linux/tcp.h>
%

function _set_cwnd(skk:long, type:long)
%
	struct sock *sk = (struct sock *)STAP_ARG_skk;
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	if (STAP_ARG_type == 0) 
		printk("########## retrans:%d\\n", tp->snd_cwnd);
	 else 
		printk("normal trans:%d\\n", tp->snd_cwnd);
	
        // 设置为定值
	tp->snd_cwnd = 292000;
%

probe kernel.function("tcp_write_xmit")

	_set_cwnd($sk, 1);


probe kernel.function("tcp_xmit_recovery")

	_set_cwnd($sk, 0);


function inc_cwnd(skk:long, skbb:long)
%
	struct sock *sk = (struct sock *)STAP_ARG_skk;
	struct sk_buff *skb = (struct sk_buff *)STAP_ARG_skbb;
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	struct tcphdr *th;

	if (skb->protocol != htons(ETH_P_IP))
		return;

	th = (struct tcphdr *)skb->data;
	if (ntohs(th->source) == 5001) 
		tp->snd_cwnd_cnt += 900;
	
%

probe kernel.function("tcp_ack").return

	inc_cwnd($sk, $skb);

跟友商一哥们儿一起探讨TCP传输优化问题，正好我自己也有这方面的一个大数据量长程同步的需求，在一起怼了一波TCP之后，彻底抛开了cc，把cwnd写死了再说，看看端到端的send/rcvbuff有没有啥好调的，果然抓到一条大鱼，不敢独享，分享一篇短文。

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