让人很容易误解的TCP拥塞控制算法

Posted 2020-09-01 dog250

正文

很多人会认为一个好的TCP拥塞控制算法会让连接加速，这种观点是错误的，恰恰相反，所有的拥塞控制算法都是为了TCP可以在贪婪的时候悬崖勒马，大多数时候，拥塞控制是降低了数据发送的速度。

        我在本文中会针对近期跟业内朋友之间的聊天记录，总结出三言两语。
        TCP拥塞控制的终极目标绝对不是加快数据发送的速度，这种理解非常自私且肤浅！它的终结目标是在公平占有带宽的前提下无限度提高带宽的利用率！
        如果你只关注一个独立的TCP连接本身，那么你也许永远都不可能设计出什么比较好的算法，但如果你不从一个独立的连接入手，貌似更加虚无飘渺，毕竟你能拿到且驾驭的只有一个连接！
        考虑一个进程调度器的设计，从2.6.23开始，大家普遍认为Linux调度器迎来了一个新的阶段，即CFS阶段，相比之下，O(1)调度器仅仅像是一个过渡，而之前的O(n)调度器就略显初级了。当时我也关注了这个新调度器好一阵子，正如我这段时间关注TCP BBR一样...So，我们来看一下CFS到底好在哪里，以至于它可以占据Linux默认调度器这头把交椅。
        首先我们反问，CFS让进程运行的速度更快了吗？非也，有点经验的都知道，对于追求高吞吐的环境，CFS反而让进程运行的速度更慢了。比较肤浅的认知角度，一般很容易将“好”和“快”紧密联系在一起，但事实上，站在更高的层次，你看到的将不再是一个独立的进程，而是一整机器里面所有的进程！CFS到底好在哪里？
        从其名字上就可以看出，其好处在于“完全公平”！它治疗了O(1)调度器中几乎所有的不公平调度导致的症状，比如IO消耗型与交互进程之间的抢占与饥饿问题，比如调度粒度问题，等等所有这些问题，引入一个虚拟时钟后，公平性得到了非常精确的度量，这些问题最终得到了解决。从开始到最后，没有任何独立的进程“被加快了运行速度”！
        最终，CFS让所有进程在公平持有CPU时间的前提下，让CPU尽可能满负荷运转，即提高了CPU的利用率。整个过程没有毛刺，非常平滑。
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间中，我们来看看平滑代替毛刺的好处，眼睛只要直视就是那么的帅！《 德国佬又火了！奥迪终于把球形轮胎造了出来…》！
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现在回到TCP本身，BBR和当年的CFS一样，引起了众人的关注。我想我已经引出了“如何设计一个好的TCP拥塞控制算法”的思路了。
        站在全球互联网上空往下看，你看到的是所有的TCP连接，而不仅仅是你的机器上建立的那一个或者那几个。这就是格局不同，你的偏见自然也就消除了。上海自然要和北京竞争，但北京不这么看，不管哪里好了，都是它北京的，不是吗？如何让所有的TCP连接公平共享全部的互联网带宽，是TCP拥塞控制算法的根本！注意两个关键点，其一，公平地共享，其二，尽可能全部的带宽。
        这个问题是一个世界难题，没有进程调度器那么简单！
        进程调度器是作用于一个CPU的，或者简单点说，作用于一台机器。这台机器就在你的手上，你，也就是调度器的设计者完全可以看清楚当前机器里发生的一切，一切不公平症状，一切浪费现象可以让设计者尽收眼底，你可以强制性拿一个进程的资源给予另一个进程，你也可以杀死过于贪婪的进程...对于TCP而言，根本没有一个可以站在全球互联网往下看的高人，TCP拥塞控制是完全分布式的，每一个设计者都只能看到自己机器上的那一部分连接！
        然而，TCP拥塞控制之所以如此难并不是什么所谓分布式导致的，其实分布式一点也不难，难点在于TCP拥塞控制总是被误解，所以说在设计算法的时候，稍不留神就会南辕北辙，本来是避免拥塞的，实际上是添堵的。
        为什么会被误解？其实凯撒早就说过，人们总是看到自己希望看到的。这句话还有另一层意思，人们乐于把自己看到的局部当成所有。人们可以一眼看到一整机器的进程，所以设计出一个好的进程调度器是很容易的，所以CFS出现了。但是大家看不到所有的TCP连接，大家看到的只是自己的TCP连接，所以大家只能臆测，我好，你也好。至于算法是否添堵，可能完全不是出于恶意，而完全是目光的短浅和格局之不高导致的。
        一个正确的，且好的TCP拥塞控制算法应该是顾及所有的连接的，如果TCP不够快，那就应该让所有TCP都提速，这点体现了带宽利用率的提高；如果TCP已经足够快，那任何连接都不能更快，这点体现了公平性。换成人话非常简单，如果你觉得开车走省道慢，那就上高速，如果你已经在高速公路上，请不要变道超车。
        多么简单的道理，可还是能看到道路上变道超车的，我可能表达有问题，是所有的司机都在玩变道超车，如果让这些人来设计TCP拥塞控制算法，会好到哪里去呢？不幸的是，世界上TCP单边加速玩的最火的那批人，和这批中国好司机是同一批人，无论什么资源，唯一的目标除了抢，还是抢。
        其实，我并非一个道德说教者，说什么人人为我，我为人人的算法才是一个好的算法，说的就好像我自己做到了似的...
        我是被两位大师骂了才知错就改了，其实我也走火入魔过...
        前一段时间吧，我修改了一个拥塞算法，呈给一位大师评解，姑且叫大师1吧，值得"炫耀"的就是我这个算法非常快，甚至比BBR还要快，但是被恶损了一顿，我的算法“竞赛肯定第一”，但是却“不负责任”...这种是毁人品的算法。后来，我试着让两个或者多个运行同一个算法的流一起传输数据，果然...一些流会瞬间把剩余的流带宽压榨到0！连敌友都不分了，简直就是流氓算法啊！这个算法从此也就阅后即焚了，完全不可用。
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        如果这还不算，那么另一位大师2则彻底让我觉得自己根本就狗屁都不懂。
        这位大师在国外，跟我有时差，且能读中文但不写中文，我与之相反，我是能读英文但写起来费劲，所以只能邮件交流。主题还是拥塞控制，我由于急功近利只是问了“怎么让TCP数据发送速度更快”这样的问题，答案很简单，忽略拥塞控制并补偿性重传即可，然后我就写了一个“忽略拥塞控制的拥塞控制算法”，并且挑衅般的作为回应。然后的邮件里就出现了fxxk词汇，还有suck...说我根本就不懂基本的原则，并力劝我辞去工作回家仔细学习和思考。我都快哭了。
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大师2的教导在大师1之前，但是大师1给了我具体怎么做的方向和方法，我除了发自内心的感谢之外，能做的就是写一些“抨击TCP拥塞控制算法”的文章来把人人为我，我为人人的基督教理念传递给更多的人。出于对两位大师以及各路朋友的尊重，我不会贴出与之相关的代码，邮件原文以及聊天记录，消化加工后的理念，由我这里直接始发。

BBR

本文的最后，我通过BBR算法稍微聊一下什么样的算法是正确的算法。
        BBR和当年的CFS一样，这个我已经说过了。但是BBR目前仍处在比较初级的阶段，起初呢，我认为它的问题在于：
1.收敛太慢，即不会即时降速降窗，而是要在几个RTT内完成；
2.向上探测太迟。难道问题1是对这个的补偿也说不准；
3.大BDP缓存下的抢占性有待商榷；
4.BBR依托的SDN基础设施...
...
可以看到，这种最初的领悟体现了我个人多么深厚的技术功底。然而后来，经大师指点，我才发现，原来BBR的最大问题在于，它引入的新拥塞控制框架很容易被误用，具体的请参见 http://blog.csdn.net/dog250/article/details/54754784
        如果几个三流的比我还差的人使用新框架写算法，那么互联网崩溃指日可待，幸运的是，即便崩溃，也只是国内的互联网崩溃，在这个领域，国外的月亮就是圆的，毕竟人家比我们受教育程度更深，懂得博弈理论，即便从自私者的角度来看，损人不利己的事情也是做不来的。值得注意的是，有知识不代表有文化，我一直觉得国内的大学其实就是技校，特别是华中科技大学，几乎是定向给华为，BAT等巨头培养高级技工的。
        回到BBR。对于BBR带来的新框架，最严重的是，之前有人拼速度拼重传的时候，会有prr降窗，这点是不受算法模块控制的，现在好了，直接写个回调，完全绕开了降窗，大家都去添堵去了TCP设计的原则层面，RFC里貌似也把公平性提到了至高的地位。因为如果不把公平性作为基本原则，那么整个环将不是闭合的，带宽资源早晚会用尽，此时盲目的AI非MD过程将会促使大家都想往前抢，最后谁也过不去，如此一来，互联网将完全不可用！基于这点，所有搞“TCP单边加速”的个人和厂商都是在做钻空子的坏事，其出发点就是错误的。当然，这类厂商的出发点往往不是TCP层面的，而是业务层面的，这倒是无可厚非，毕竟不是一个领域，我也无权过问太多，TCP对于它们而言只是工具，真到哪天互联网崩溃了，他们还是会用卡车运硬盘的方式来进行数据传输的，到时候，高速公路上堵的水泄不通的运硬盘的卡车与TCP一样，也只是个工具，而已。
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怎么样的做法是正确的呢？
        先来介绍一个君子算法，即LEDBAT算法，可以看看 http://www.rfc-base.org/txt/rfc-6817.txt，其wiki是 https://zh.wikipedia.org/wiki/LEDBAT
它的思想在搞“加速”的那帮人看来，其实有点搞笑，它的存在是为了填补CUBIC之流不Bloat Buffer时候的空隙的，一旦有其它流量造成了排队，LEDBAT马上腾地方退让。这种算法是应该被“加速者”第一时间抛弃的算法，但是它在ios和Win10里却大行其道，LEDBAT主要用于软件更新，这种事一般可以在后台默默进行，优先级比较低，所以发明一个后台静默的君子式LEDBAT算法，实则是在提高带宽利用率上无所不用其极啊，然而这个算法又不会跟其它的流量争抢带宽，丝毫不会应该高优先级流量的公平性，难道不是很帅的算法吗？LEDBAT在表达的是，你们去前面堵着去吧，我没你们重要，我慢慢走就行。。。
        BBR不是君子式算法，它是要参与公平竞争的，我不主动欺负人，但是被人欺负，我不会怕事的，因此BBR在LEDBAT上增加了Probe More的过程，同时，与LEDBAT退让不同，BBR将其改成了轻柔缓和的Drain Less。
        所有这些都不是最近刚刚出现的，在此之前，Vegas算法则代表了一种正确的做法，它最终没有上位是因为Vegas部署有个前提，那就是同一时间全部部署成Vegas，然而这是不可能的，只要有Reno或者CUBIC在，Vegas的“正确做法”就会吃亏。现实就是这样，劣币驱良币，CUBIC明明是错误的算法，但因为它可以利用率很低但很简单的方法快速收敛到可用带宽，所以就一直是大家认可的算法，所有人都在默默忍受着Bufferbloat，而这个问题带来的额外排队延迟会大大降低交互式TCP连接的交互体验，同时严重影响实时性的协议，比如NTP之类。
        CUBIC是一定会堵路的，Buffer被堵了之后，交互应用的数据就会被排队，时延增加，交互性自然下降。
        我一直好奇的问题是，为什么Reno，CUBIC之流在经过慢启动之后的AI增窗过程叫做拥塞避免，相反，这种盲目的一路走到黑的增窗方式一定会导致拥塞的，即拥塞不可避免。这个过程是玷污了“拥塞避免”这个词呢，还是说仅仅是一个定义呢？下面的一篇文章给出答案，现在的时间是周六早上7点半，该睡一会儿了。

写在最后的序：

“昨夜入城市，归来泪满襟”的那是傻逼，自己不养蚕便是了，干嘛嫉妒别人穿丝绸。

        今天又是周末，又可以半夜起来折腾，本文写作开始于五点半，完成于早七点二十，在此之前，我花了一个小时时间读了《卢比孔河》之25页，再之前的一个小时，我看了一些关于道路规划的东西，主要在令人不安的电脑上...现在，本来我想睡一觉，然而睡不着，就想去登高望远，只可惜旁边的山都太矮小了...自从甘孜归来，深圳的山就成小土堆了...实际一点，去买菜，做饭才是解决之道，做什么饭呢？哈哈，重庆带来的老火锅！

----我希望你能看到这篇文章。