TCP系列47—拥塞控制—10、FACK下的快速恢复与PRR
一、概述
FACK下的重传我们在之前的重传部分已经进行了介绍，这里简单介绍一下随着FACK提出的拥塞控制算法的改进及随后的进一步改进。
从我们之前介绍的RFC2582和RFC5681中可以看到，快速恢复下当探测到丢包的时候，会设置ssthresh = max (FlightSize / 2, 2*MSS)、 cwnd=ssthresh+3*MSS，随后发送端收到dup ACK的时候进行cwnd的inflate过程，发送端需要收到大约一半的dup ACK后，才能允许发送新数据，这意味着发送端需要等待大约RTT/2的时间后才能发送新数据，然后随后的RTT/2时间内每收到一个dup ACK就发送一个新数据包。为了避免初始的RTT/2等待并把发送过程平稳化，Mathis等人在1996年Mathis提出FACK的同时提出了overdamping和rampdown，随后作者把这两个算法统一并改进为rate halving，然后作者又给rate halving加了一些门限参数，提出了一个RHBP(Rate-Halving with Bounding Parameters)算法。RHBP的基本思路就是在快速恢复阶段的第一个RTT内发送端每收到两个dup ACK就允许发出一个数据包，从而避免了初始的RTT/2等待并使得发包过程更为平稳。可以看到RHBP假设了一个50%的窗口削减，但是有些最新的拥塞控制算法对于拥塞窗口的削减可能小于50%，因而rate halving会过度削减窗口，针对其存在的类似问题，Mathis又提出了PRR(Proportional Rate Reduction)算法。这个算法在RFC6937中定义，在快速恢复下prr_delivered和prr_out这两个状态变量就是PRR状态变量，RFC6937中定义的PRR算法就是对应我们之前介绍的SACK关闭时候快速恢复下cwnd的更新过程。因此PRR算法下cwnd的具体更新流程请参考前文。
二、wireshark示例
在执行本示例前如下设置initcwnd、ssthresh和reno拥塞控制算法。同时设置tcp_recovery=0关闭RACK重传，RACK下的快速恢复除了对lost数据包的标记外其余并无太大并无差异。之前文章我们提到过linux中使用fackets_out状态变量保存FACK信息，这个变量表示当前通过SACK块确认的最靠前的数据包的个数。通过下面示例来进一步理解这个状态变量吧。
******@Inspiron:~$ sudo ip route add local 127.0.0.2 dev lo congctl reno initcwnd 12 ssthresh lock 30 #参考本系列destination metric文章******@Inspiron:~$ sudo ethtool -K lo tso off gso off #关闭tso gso以方便观察cwnd变化
1、FACK下的快速恢复
在介绍本示例前如果读者不熟悉linux的TCP代码，那一定要先看前面的文章。
业务场景：server端与client建立连接后休眠1000ms，接着连续发出12个数据包，每个数据包的大小为50bytes，发送间隔为3ms，在第12数据包write写入后，立即进行一次write操作写入(15*50)bytes。server端的发送缓存设置足够大，因此write操作不会因为发送缓存不足而休眠。server发出的数据包中有5个数据包在传输过程中丢失，如下图所示，我高亮标示出来的No8、No9、No10、No11、No19这五个数据包传输丢失。client对收到的每个数据包都会进行ACK回复确认。
No1-No23：这些数据包的处理与前面SACK下的快速恢复示例1的处理相同，因此不再重复介绍。发出No23后，packets_out=14，sacked_out=0， lost_out=0， retrans_out=0，fackets_out=0，prr_delivered=0， prr_out=0，ssthresh=30， cwnd=14，server端TCP处于Open状态。
No24-No25：No8、No9、No10、No11这四个数据包丢失，client收到乱序的No12后回复No24确认包，No24通过SACK确认了No12数据包。client按序接收的数据包到No7为止，乱序接收了No12，因此更新fackets_out=12-7=5，表示server端当前接收到的最靠前的数据包No12与No7之间差了5个数据包(包括No12本身)。同样会更新sacked_out=1。此时dupthresh=3，在打开FACK的情况下，server端会判断如果fackets_out>dupthresh，就表示需要进行快速重传(请参考前面FACK重传的介绍文章)，因此server端从Open状态直接切换到Recovery状态，注意这个切换中间是不经过Disorder状态的，进入Recovery状态的时候更新prior_ssthresh=max(ssthresh,3/4*cwnd)=30， ssthresh=max(cwnd/2,2)=7， prior_cwnd=cwnd=14， prr_delivered=0， prr_out=0，high_seq=801。因为fackets_out-dupthresh=2，因此server端TCP会把系列号范围(101,151)、(151,201)这两个数据包标记为lost，更新lost_out=2。接着进入Recovery状态下更新cwnd的流程，更新prr_delivered=1，此时in_flight= packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out = 14-(1+2)+0=11，delta=sshresh-in_flight=7-11=-4<0，因此sndcnt = (ssthresh * prr_delivered + prior_cwnd - 1)/prior_cwnd - prr_out =(7*1+14-1)/14-0=1， sndcnt = max(sndcnt, (fast_rexmit ? 1 : 0)) = max(1, 1)=1，因而更新cwnd = in_flight + sndcnt = 12。接着server端进入快速重传流程，此时虽然有两个数据包被标记为lost但是因为cwnd的限制只能重传一个数据包，即No25，然后更新retrans_out=1， prr_out=1。随后server端尝试发送新的数据包同样由于cwnd限制未能发出。
No26：server端收到No26后，No26通过SACK块新确认了一个数据包，因此更新sacked_out=2，而No26通过SACK确认的最靠前的数据包为(351,401)，与系列号Ack=101相差6个数据包，因此更新fackets_out=6，fackets_out-dupthresh=3，因此从Ack=101开始的三个数据包可以标记为lost，(101,151)和(151,201)这两个数据包在之前已经标记为lost了，因此本次只是额外标记(201,251)为lost，更新lost_out=3。接着进入cwnd的更新，prr_delivered=2，in_flight=14-(2+3)+1=10，delta=-3，sndcnt=(7*2+14-1)/14-1=0，sndcnt=max(0,0)=0，因此cwnd=10。拥塞控制不允许发出新的数据包，故而接下来的快速重传和新数据发送尝试都没有发出数据包。
No27-No28：server端收到No27后更新sacked_out=3， fackets_out=7，lost_out=4，prr_delivered=3，in_flight=14-(3+4)+1=8，delta=-1，sndcnt=(7*3+14-1)/14-1=1，sndcnt=max(1,0)=1，因此cwnd=9。此时拥塞控制允许发出一个数据包，因此随后的快速重传流程发出了No28数据包，并更新prr_out=2，retrans_out=2。
No29：server端收到No29后更新sacked_out=4， fackets_out=8， 此时fackets_out-dupthresh=5，也就意味着从Ack=101开始的5个数据包应该被标记为lost，但是第5个数据包的系列号为(301,351)，这个数据包已经被SACK确认了，因此不会被标记为lost状态，lost_out因而不会更新。接着进入更新cwnd的流程，prr_delivered=4，in_flight=14-(4+4)+2=8，delta=-1<0，sndcnt=(7*4+14-1)/14-2=0，sndcnt=max(0,0)=0，因此cwnd=8，此时拥塞控制不允许发出数据包。
No30：server收到No30后，sacked_out=5，fackets_out=9，lost_out=4保持不变原因同上，prr_delivered=5，in_flight=14-(5+4)+2=7， delta=0， 此时delta不再小于0，因此sndcnt的更新流程也发生了变化，sndcnt = min(delta, newly_acked_sacked)=min(0,1)=0， sndcnt=max(0,0)=0，因此cwnd=7，此时同样不允许发出新的数据包。
No31-No32：server端收到No31后，sacked_out=6，fackets_out=10，lost_out=4，prr_delivered=6，in_flight=14-(6+4)+2=6， delta=1， sndcnt=min(1,1)=1， sndcnt=max(1,0)=1，因此cwnd=7，此时拥塞窗口允许发出一个数据包，接着server端快速重传No32数据包并更新prr_out=3，retrans_out=3。
No33-No34：这组数据包的处理与No31-No32类似，server收到No33后，sacked_out=7，注意No33这个ACK确认包的SACK块相比No31新确认数据包(651,701)，701这个系列号相比No31的601系列号向前滑动了两个数据包的大小，因而更新fackets_out=fackets_out+2=12， lost_out=4， prr_delivered=7， in_flight=14-(7+4)+3=6， delta=1， sndcnt=min(1,1)=1， sndcnt=max(1,0)=1，因此cwnd=7，此时拥塞窗口允许发出一个数据包，接着server端快速重传No34数据包并更新prr_out=4，retrans_out=4。
No35-No36：server收到No35后，sacked_out=8，fackets_out=13，lost_out=4，prr_delivered=8，in_flight=14-(8+4)+4=6， delta=1， sndcnt=min(1,1)=1， sndcnt=max(1,0)=1，因此cwnd=7，此时拥塞窗口允许发出一个数据包，此时server端被标记为lost的数据包已全部重传了，没有额外的数据包等待重传，因此server端发出新数据，对应No36，发出No36后packets_out=15，prr_out=5。
No37-No38：No37的SACK新确认了一个数据包，更新sacked_out=9，fackets_out=14，此时fackets_out-dupthresh=11，而从Ack=101开始的第11个数据包为(601,651)，这个数据包是没有被SACK确认的，因此TCP会把这个数据包标记为lost，进而更新lost_out=5。接着进行cwnd的更新操作，prr_delivered=9， in_flight=15-(9+5)+4=5， delta=2， sndcnt=min(2,1)=1， sndcnt=max(1,0)=1，因此cwnd=6，可以看到此时cwnd在Recovery状态下又降低到了ssthresh下面。此时cwnd允许发出一个数据包，因此发出No38重传包，更新retrans_out=5，prr_out=6。
No39-No41：client收到No25重传包后，回复No39确认包，No39的SACK信息没有发生变化，但是ack number新确认了一个之前标记为lost的数据包，server收到No39后更新packets_out=14，fackets_out=13，lost_out=4，retrans_out=4，因为SACK块信息没有发生变化，因此sacked_out不变，此时in_flight=14-(9+4)+4=5，prr_delivered=10， delta=2>0，因为这个No39这个ACK报文确认了新数据，而且没有被RACK做标记，因此sndcnt = min(delta, max(prr_delivered - prr_out,newly_acked_sacked) + 1)=min(2,max(10-6,1)+1)=2，sndcnt=max(2,0)=2，cwnd=7，注意到了吧在Recovery状态下，cwnd也可能会向上调整的，此时拥塞窗口允许发出两个新的数据包，即对应No40和No41，并更新packets_out=16，prr_out=8。
No42-No43：server端收到No42后，更新packets_out=15，fackets_out=12，lost_out=3，retrans_out=3，sacked_out不变仍为9。此时in_flight=15-(9+3)+3=6，prr_delivered=11，delta=1>0，sndcnt=min(1,max(11-8,1)+1)=1，snd=max(1,0)=1，cwnd=6+1=7。此时拥塞控制允许TCP发出一个数据包，即对应No43，然后更新packets_out=16，prr_out=9。
No44-No45：这组数据包的处理与No42-No43相同，发出No45后，packets_out=16， fackets_out=11，lost_out=2，retrans_out=2， sacked_out=9， prr_delivered=12，cwnd=7，prr_out=10。
No46-No47：client收到No34这个重传包后，之前由No8、No9、No10、No11四个数据包丢包形成hole得以填上，可以看到No46的因此少了一个(301,601)的SACK块，这个SACK块中共包含6个数据包，因此更新sacked_out=3。No46的Ack=601，相比No44新确认了7个数据包，因此更新packets_out=9， fackets_out=4，这7个数据包(251,301)是之前被标记为lost的数据包并进行了重传，因此更新lost_out=1，retrans_out=1。此时in_flight=9-(3+1)+1=6， prr_delivered=13， delta=1>0， sndcnt=min(1,max(13-10,1)+1)=1，cwnd=7，此时拥塞控制允许发出一个数据包即No47，然后更新packets_out=10，prr_out=11。
No48-No49：No48这个dup ACK对应No36数据包，server收到No48后，更新sacked_out=4，fackets_out=5，in_flight=10-(4+1)+1=6， prr_delivered=14， delta=1>0， sndcnt=min(1,max(14-11,1)+1)=1，cwnd=7，此时拥塞控制允许发出一个数据包即No49，然后更新packets_out=11，prr_out=12。
No50-No51：client端收到No38的重传后，最后一个由No19形成的hole也被填充上了，因此No50中不在带有SACK信息，更新sacked_out=0， fackets_out=0，No50的Ack=851新确认了5个数据包，更新packets_out=6，其中4个是之前被SACK确认的，1个是被标记为lost并进行了重传的，因此更新lost_out=0， retrans_out=0，注意No50的Ack=851>high_seq=801，因此此时server端的TCP进入Open状态，更新cwnd=ssthresh=7，即此时TCP处于reno的拥塞避免过程中，更新cwnd_cnt=5，此时in_flight=6，因此拥塞控制允许TCP发出一个数据包即No51，发出后更新packets_out=7。
No52-No53：server端收到No52后更新packets_out=6，cwnd_cnt=6，cwnd=7，TCP发出No53数据包后更新packets_out=7。
No54-No56：server收到No54后更新packets_out=6，cwnd_cnt=7，此时cwnd_cnt/cwnd=1，因此更新cwnd=8，cwnd_cnt=0。此时拥塞控制允许TCP发出两个数据包No55和No56，并更新packets_out=8。此时server端write写入的数据都已经发出去了。
No57-No64：server端依次收到client端的ACK确认包，最终发出No64后packets_out=0， fackets_out=0，lost_out=0，retrans_out=0， sacked_out=0， cwnd=9(server端收到No59后reno的拥塞避免又更新cwnd=cwnd+1=9)，ssthresh=7，cwnd_cnt=0。
最后依然给出系列号的时序图，不过因为这个图中不能显示处SACK的信息，所以看起来不像SACK关闭场景下那么直观了
补充说明：
1、https://tools.ietf.org/html/draft-mathis-tcp-ratehalving-00
2、https://tools.ietf.org/html/rfc6937
3、http://conferences.sigcomm.org/sigcomm/1996/papers/mathis.pdf
