tcp: improve rate samples for retansmitted segments
[vpp.git] / src / vnet / tcp / tcp_bt.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2019 Cisco and/or its affiliates.
3  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
4  * you may not use this file except in compliance with the License.
5  * You may obtain a copy of the License at:
6  *
7  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
8  *
9  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
10  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
11  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
12  * See the License for the specific language governing permissions and
13  * limitations under the License.
14  *
15  * TCP byte tracker that can generate delivery rate estimates. Based on
16  * draft-cheng-iccrg-delivery-rate-estimation-00
17  */
18
19 #include <vnet/tcp/tcp.h>
20
21 static tcp_bt_sample_t *
22 bt_get_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, u32 bts_index)
23 {
24   if (pool_is_free_index (bt->samples, bts_index))
25     return 0;
26   return pool_elt_at_index (bt->samples, bts_index);
27 }
28
29 static tcp_bt_sample_t *
30 bt_next_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts)
31 {
32   return bt_get_sample (bt, bts->next);
33 }
34
35 static tcp_bt_sample_t *
36 bt_prev_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts)
37 {
38   return bt_get_sample (bt, bts->prev);
39 }
40
41 static u32
42 bt_sample_index (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts)
43 {
44   if (!bts)
45     return TCP_BTS_INVALID_INDEX;
46   return bts - bt->samples;
47 }
48
49 static inline int
50 bt_seq_lt (u32 a, u32 b)
51 {
52   return seq_lt (a, b);
53 }
54
55 static tcp_bt_sample_t *
56 bt_alloc_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, u32 min_seq, u32 max_seq)
57 {
58   tcp_bt_sample_t *bts;
59
60   pool_get_zero (bt->samples, bts);
61   bts->next = bts->prev = TCP_BTS_INVALID_INDEX;
62   bts->min_seq = min_seq;
63   bts->max_seq = max_seq;
64   rb_tree_add_custom (&bt->sample_lookup, bts->min_seq, bts - bt->samples,
65                       bt_seq_lt);
66   return bts;
67 }
68
69 static void
70 bt_free_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts)
71 {
72   if (bts->prev != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
73     {
74       tcp_bt_sample_t *prev = bt_prev_sample (bt, bts);
75       prev->next = bts->next;
76     }
77   else
78     bt->head = bts->next;
79
80   if (bts->next != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
81     {
82       tcp_bt_sample_t *next = bt_next_sample (bt, bts);
83       next->prev = bts->prev;
84     }
85   else
86     bt->tail = bts->prev;
87
88   rb_tree_del_custom (&bt->sample_lookup, bts->min_seq, bt_seq_lt);
89   if (CLIB_DEBUG)
90     memset (bts, 0xfc, sizeof (*bts));
91   pool_put (bt->samples, bts);
92 }
93
94 static tcp_bt_sample_t *
95 bt_split_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts, u32 seq)
96 {
97   tcp_bt_sample_t *ns, *next;
98   u32 bts_index;
99
100   bts_index = bt_sample_index (bt, bts);
101
102   ASSERT (seq_leq (bts->min_seq, seq) && seq_lt (seq, bts->max_seq));
103
104   ns = bt_alloc_sample (bt, seq, bts->max_seq);
105   bts = bt_get_sample (bt, bts_index);
106
107   *ns = *bts;
108   ns->min_seq = seq;
109   bts->max_seq = seq;
110
111   next = bt_next_sample (bt, bts);
112   if (next)
113     next->prev = bt_sample_index (bt, ns);
114   else
115     bt->tail = bt_sample_index (bt, ns);
116
117   bts->next = bt_sample_index (bt, ns);
118   ns->prev = bt_sample_index (bt, bts);
119
120   return ns;
121 }
122
123 static tcp_bt_sample_t *
124 bt_merge_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * prev,
125                  tcp_bt_sample_t * cur)
126 {
127   ASSERT (prev->max_seq == cur->min_seq);
128   prev->max_seq = cur->max_seq;
129   if (bt_sample_index (bt, cur) == bt->tail)
130     bt->tail = bt_sample_index (bt, prev);
131   bt_free_sample (bt, cur);
132   return prev;
133 }
134
135 static tcp_bt_sample_t *
136 bt_lookup_seq (tcp_byte_tracker_t * bt, u32 seq)
137 {
138   rb_tree_t *rt = &bt->sample_lookup;
139   rb_node_t *cur, *prev;
140   tcp_bt_sample_t *bts;
141
142   cur = rb_node (rt, rt->root);
143   if (rb_node_is_tnil (rt, cur))
144     return 0;
145
146   while (seq != cur->key)
147     {
148       prev = cur;
149       if (seq_lt (seq, cur->key))
150         cur = rb_node_left (rt, cur);
151       else
152         cur = rb_node_right (rt, cur);
153
154       if (rb_node_is_tnil (rt, cur))
155         {
156           /* Hit tnil as a left child. Find predecessor */
157           if (seq_lt (seq, prev->key))
158             {
159               cur = rb_tree_predecessor (rt, prev);
160               if (rb_node_is_tnil (rt, cur))
161                 return 0;
162               bts = bt_get_sample (bt, cur->opaque);
163             }
164           /* Hit tnil as a right child */
165           else
166             {
167               bts = bt_get_sample (bt, prev->opaque);
168             }
169
170           if (seq_geq (seq, bts->min_seq))
171             return bts;
172
173           return 0;
174         }
175     }
176
177   if (!rb_node_is_tnil (rt, cur))
178     return bt_get_sample (bt, cur->opaque);
179
180   return 0;
181 }
182
183 static void
184 bt_update_sample (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * bts, u32 seq)
185 {
186   rb_tree_del_custom (&bt->sample_lookup, bts->min_seq, bt_seq_lt);
187   bts->min_seq = seq;
188   rb_tree_add_custom (&bt->sample_lookup, bts->min_seq,
189                       bt_sample_index (bt, bts), bt_seq_lt);
190 }
191
192 static tcp_bt_sample_t *
193 bt_fix_overlapped (tcp_byte_tracker_t * bt, tcp_bt_sample_t * start,
194                    u32 seq, u8 is_end)
195 {
196   tcp_bt_sample_t *cur, *next;
197
198   cur = start;
199   while (cur && seq_leq (cur->max_seq, seq))
200     {
201       next = bt_next_sample (bt, cur);
202       bt_free_sample (bt, cur);
203       cur = next;
204     }
205
206   if (cur && seq_lt (cur->min_seq, seq))
207     bt_update_sample (bt, cur, seq);
208
209   return cur;
210 }
211
212 int
213 tcp_bt_is_sane (tcp_byte_tracker_t * bt)
214 {
215   tcp_bt_sample_t *bts, *tmp;
216
217   if (pool_elts (bt->samples) != pool_elts (bt->sample_lookup.nodes) - 1)
218     return 0;
219
220   if (bt->head == TCP_BTS_INVALID_INDEX)
221     {
222       if (bt->tail != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
223         return 0;
224       if (pool_elts (bt->samples) != 0)
225         return 0;
226       return 1;
227     }
228
229   bts = bt_get_sample (bt, bt->tail);
230   if (!bts)
231     return 0;
232
233   bts = bt_get_sample (bt, bt->head);
234   if (!bts || bts->prev != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
235     return 0;
236
237   while (bts)
238     {
239       tmp = bt_lookup_seq (bt, bts->min_seq);
240       if (!tmp)
241         return 0;
242       if (tmp != bts)
243         return 0;
244       tmp = bt_next_sample (bt, bts);
245       if (tmp)
246         {
247           if (tmp->prev != bt_sample_index (bt, bts))
248             {
249               clib_warning ("next %u thinks prev is %u should be %u",
250                             bts->next, tmp->prev, bt_sample_index (bt, bts));
251               return 0;
252             }
253           if (!seq_lt (bts->min_seq, tmp->min_seq))
254             return 0;
255         }
256       else
257         {
258           if (bt->tail != bt_sample_index (bt, bts))
259             return 0;
260           if (bts->next != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
261             return 0;
262         }
263       bts = tmp;
264     }
265   return 1;
266 }
267
268 static tcp_bt_sample_t *
269 tcp_bt_alloc_tx_sample (tcp_connection_t * tc, u32 min_seq, u32 max_seq)
270 {
271   tcp_bt_sample_t *bts;
272   bts = bt_alloc_sample (tc->bt, min_seq, max_seq);
273   bts->delivered = tc->delivered;
274   bts->delivered_time = tc->delivered_time;
275   bts->tx_time = tcp_time_now_us (tc->c_thread_index);
276   bts->first_tx_time = tc->first_tx_time;
277   bts->flags |= tc->app_limited ? TCP_BTS_IS_APP_LIMITED : 0;
278   return bts;
279 }
280
281 void
282 tcp_bt_check_app_limited (tcp_connection_t * tc)
283 {
284   u32 available_bytes, flight_size;
285
286   available_bytes = transport_max_tx_dequeue (&tc->connection);
287   flight_size = tcp_flight_size (tc);
288
289   /* Not enough bytes to fill the cwnd */
290   if (available_bytes + flight_size + tc->snd_mss < tc->cwnd
291       /* Bytes considered lost have been retransmitted */
292       && tc->sack_sb.lost_bytes <= tc->snd_rxt_bytes)
293     tc->app_limited = tc->delivered + flight_size ? : 1;
294 }
295
296 void
297 tcp_bt_track_tx (tcp_connection_t * tc, u32 len)
298 {
299   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
300   tcp_bt_sample_t *bts, *tail;
301   u32 bts_index;
302
303   tail = bt_get_sample (bt, bt->tail);
304   if (tail && tail->max_seq == tc->snd_nxt
305       && tail->tx_time == tcp_time_now_us (tc->c_thread_index))
306     {
307       tail->max_seq += len;
308       return;
309     }
310
311   if (tc->snd_una == tc->snd_nxt)
312     {
313       tc->delivered_time = tcp_time_now_us (tc->c_thread_index);
314       tc->first_tx_time = tc->delivered_time;
315     }
316
317   bts = tcp_bt_alloc_tx_sample (tc, tc->snd_nxt, tc->snd_nxt + len);
318   bts_index = bt_sample_index (bt, bts);
319   tail = bt_get_sample (bt, bt->tail);
320   if (tail)
321     {
322       tail->next = bts_index;
323       bts->prev = bt->tail;
324       bt->tail = bts_index;
325     }
326   else
327     {
328       bt->tail = bt->head = bts_index;
329     }
330 }
331
332 void
333 tcp_bt_track_rxt (tcp_connection_t * tc, u32 start, u32 end)
334 {
335   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
336   tcp_bt_sample_t *bts, *next, *cur, *prev, *nbts;
337   u32 bts_index, cur_index, next_index, prev_index, max_seq;
338   u8 is_end = end == tc->snd_nxt;
339
340   /* Contiguous blocks retransmitted at the same time */
341   bts = bt_get_sample (bt, bt->last_ooo);
342   if (bts && bts->max_seq == start
343       && bts->tx_time == tcp_time_now_us (tc->c_thread_index))
344     {
345       bts->max_seq = end;
346       next = bt_next_sample (bt, bts);
347       if (next)
348         bt_fix_overlapped (bt, next, end, is_end);
349
350       return;
351     }
352
353   /* Find original tx sample */
354   bts = bt_lookup_seq (bt, start);
355
356   ASSERT (bts != 0 && seq_geq (start, bts->min_seq));
357
358   /* Head in the past */
359   if (seq_lt (bts->min_seq, tc->snd_una))
360     bt_update_sample (bt, bts, tc->snd_una);
361
362   /* Head overlap */
363   if (bts->min_seq == start)
364     {
365       prev_index = bts->prev;
366       next = bt_fix_overlapped (bt, bts, end, is_end);
367       next_index = bt_sample_index (bt, next);
368
369       cur = tcp_bt_alloc_tx_sample (tc, start, end);
370       cur->flags |= TCP_BTS_IS_RXT;
371       cur->next = next_index;
372       cur->prev = prev_index;
373
374       cur_index = bt_sample_index (bt, cur);
375
376       if (next_index != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
377         {
378           next = bt_get_sample (bt, next_index);
379           next->prev = cur_index;
380         }
381       else
382         {
383           bt->tail = cur_index;
384         }
385
386       if (prev_index != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
387         {
388           prev = bt_get_sample (bt, prev_index);
389           prev->next = cur_index;
390         }
391       else
392         {
393           bt->head = cur_index;
394         }
395
396       bt->last_ooo = cur_index;
397       return;
398     }
399
400   bts_index = bt_sample_index (bt, bts);
401   next = bt_next_sample (bt, bts);
402   if (next)
403     next = bt_fix_overlapped (bt, next, end, is_end);
404
405   max_seq = bts->max_seq;
406   ASSERT (seq_lt (start, max_seq));
407
408   /* Have to split or tail overlap */
409   cur = tcp_bt_alloc_tx_sample (tc, start, end);
410   cur->flags |= TCP_BTS_IS_RXT;
411   cur->prev = bts_index;
412   cur_index = bt_sample_index (bt, cur);
413
414   /* Split. Allocate another sample */
415   if (seq_lt (end, max_seq))
416     {
417       nbts = tcp_bt_alloc_tx_sample (tc, end, bts->max_seq);
418       cur = bt_get_sample (bt, cur_index);
419       bts = bt_get_sample (bt, bts_index);
420
421       *nbts = *bts;
422       nbts->min_seq = end;
423
424       if (nbts->next != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
425         {
426           next = bt_get_sample (bt, nbts->next);
427           next->prev = bt_sample_index (bt, nbts);
428         }
429       else
430         bt->tail = bt_sample_index (bt, nbts);
431
432       bts->next = nbts->prev = cur_index;
433       cur->next = bt_sample_index (bt, nbts);
434
435       bts->max_seq = start;
436       bt->last_ooo = cur_index;
437     }
438   /* Tail completely overlapped */
439   else
440     {
441       bts = bt_get_sample (bt, bts_index);
442       bts->max_seq = start;
443
444       if (bts->next != TCP_BTS_INVALID_INDEX)
445         {
446           next = bt_get_sample (bt, bts->next);
447           next->prev = cur_index;
448         }
449       else
450         bt->tail = cur_index;
451
452       cur->next = bts->next;
453       bts->next = cur_index;
454
455       bt->last_ooo = cur_index;
456     }
457 }
458
459 static void
460 tcp_bt_sample_to_rate_sample (tcp_connection_t * tc, tcp_bt_sample_t * bts,
461                               tcp_rate_sample_t * rs)
462 {
463   if (bts->flags & TCP_BTS_IS_SACKED)
464     return;
465
466   if (rs->prior_delivered && rs->prior_delivered >= bts->delivered)
467     return;
468
469   rs->prior_delivered = bts->delivered;
470   rs->prior_time = bts->delivered_time;
471   rs->interval_time = bts->tx_time - bts->first_tx_time;
472   rs->rtt_time = tc->delivered_time - bts->tx_time;
473   rs->flags = bts->flags;
474   tc->first_tx_time = bts->tx_time;
475 }
476
477 static void
478 tcp_bt_walk_samples (tcp_connection_t * tc, tcp_rate_sample_t * rs)
479 {
480   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
481   tcp_bt_sample_t *next, *cur;
482
483   cur = bt_get_sample (bt, bt->head);
484   while (cur && seq_leq (cur->max_seq, tc->snd_una))
485     {
486       next = bt_next_sample (bt, cur);
487       tcp_bt_sample_to_rate_sample (tc, cur, rs);
488       bt_free_sample (bt, cur);
489       cur = next;
490     }
491
492   if (cur && seq_lt (cur->min_seq, tc->snd_una))
493     tcp_bt_sample_to_rate_sample (tc, cur, rs);
494 }
495
496 static void
497 tcp_bt_walk_samples_ooo (tcp_connection_t * tc, tcp_rate_sample_t * rs)
498 {
499   sack_block_t *blks = tc->rcv_opts.sacks, *blk;
500   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
501   tcp_bt_sample_t *cur, *prev, *next;
502   int i;
503
504   for (i = 0; i < vec_len (blks); i++)
505     {
506       blk = &blks[i];
507
508       /* Ignore blocks that are already covered by snd_una */
509       if (seq_lt (blk->end, tc->snd_una))
510         continue;
511
512       cur = bt_lookup_seq (bt, blk->start);
513       if (!cur)
514         continue;
515
516       ASSERT (seq_geq (blk->start, cur->min_seq)
517               && seq_lt (blk->start, cur->max_seq));
518
519       /* Current should be split. Second part will be consumed */
520       if (PREDICT_FALSE (cur->min_seq != blk->start))
521         {
522           cur = bt_split_sample (bt, cur, blk->start);
523           prev = bt_prev_sample (bt, cur);
524         }
525       else
526         prev = bt_prev_sample (bt, cur);
527
528       while (cur && seq_leq (cur->max_seq, blk->end))
529         {
530           if (!(cur->flags & TCP_BTS_IS_SACKED))
531             {
532               tcp_bt_sample_to_rate_sample (tc, cur, rs);
533               cur->flags |= TCP_BTS_IS_SACKED;
534               if (prev && (prev->flags & TCP_BTS_IS_SACKED))
535                 {
536                   cur = bt_merge_sample (bt, prev, cur);
537                   next = bt_next_sample (bt, cur);
538                 }
539               else
540                 {
541                   next = bt_next_sample (bt, cur);
542                   if (next && (next->flags & TCP_BTS_IS_SACKED))
543                     {
544                       cur = bt_merge_sample (bt, cur, next);
545                       next = bt_next_sample (bt, cur);
546                     }
547                 }
548             }
549           else
550             next = bt_next_sample (bt, cur);
551
552           prev = cur;
553           cur = next;
554         }
555
556       if (cur && seq_lt (cur->min_seq, blk->end))
557         {
558           tcp_bt_sample_to_rate_sample (tc, cur, rs);
559           prev = bt_prev_sample (bt, cur);
560           /* Extend previous to include the newly sacked bytes */
561           if (prev && (prev->flags & TCP_BTS_IS_SACKED))
562             {
563               prev->max_seq = blk->end;
564               bt_update_sample (bt, cur, blk->end);
565             }
566           /* Split sample into two. First part is consumed */
567           else
568             {
569               next = bt_split_sample (bt, cur, blk->end);
570               cur = bt_prev_sample (bt, next);
571               cur->flags |= TCP_BTS_IS_SACKED;
572             }
573         }
574     }
575 }
576
577 void
578 tcp_bt_sample_delivery_rate (tcp_connection_t * tc, tcp_rate_sample_t * rs)
579 {
580   u32 delivered;
581
582   if (PREDICT_FALSE (tc->flags & TCP_CONN_FINSNT))
583     return;
584
585   delivered = tc->bytes_acked + tc->sack_sb.last_sacked_bytes;
586   if (!delivered || tc->bt->head == TCP_BTS_INVALID_INDEX)
587     return;
588
589   /* Do not count bytes that were previously sacked again */
590   tc->delivered += delivered - tc->sack_sb.last_bytes_delivered;
591   tc->delivered_time = tcp_time_now_us (tc->c_thread_index);
592
593   if (tc->app_limited && tc->delivered > tc->app_limited)
594     tc->app_limited = 0;
595
596   if (tc->bytes_acked)
597     tcp_bt_walk_samples (tc, rs);
598
599   if (tc->sack_sb.last_sacked_bytes)
600     tcp_bt_walk_samples_ooo (tc, rs);
601
602   rs->interval_time = clib_max ((tc->delivered_time - rs->prior_time),
603                                 rs->interval_time);
604   rs->delivered = tc->delivered - rs->prior_delivered;
605   rs->acked_and_sacked = delivered;
606   rs->lost = tc->sack_sb.last_lost_bytes;
607 }
608
609 void
610 tcp_bt_flush_samples (tcp_connection_t * tc)
611 {
612   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
613   tcp_bt_sample_t *bts;
614   u32 *samples = 0, *si;
615
616   vec_validate (samples, pool_elts (bt->samples) - 1);
617   vec_reset_length (samples);
618
619   /* *INDENT-OFF* */
620   pool_foreach (bts, bt->samples, ({
621     vec_add1 (samples, bts - bt->samples);
622   }));
623   /* *INDENT-ON* */
624
625   vec_foreach (si, samples)
626   {
627     bts = bt_get_sample (bt, *si);
628     bt_free_sample (bt, bts);
629   }
630
631   vec_free (samples);
632 }
633
634 void
635 tcp_bt_cleanup (tcp_connection_t * tc)
636 {
637   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
638
639   rb_tree_free_nodes (&bt->sample_lookup);
640   pool_free (bt->samples);
641   clib_mem_free (bt);
642   tc->bt = 0;
643 }
644
645 void
646 tcp_bt_init (tcp_connection_t * tc)
647 {
648   tcp_byte_tracker_t *bt;
649
650   bt = clib_mem_alloc (sizeof (tcp_byte_tracker_t));
651   clib_memset (bt, 0, sizeof (tcp_byte_tracker_t));
652
653   rb_tree_init (&bt->sample_lookup);
654   bt->head = bt->tail = TCP_BTS_INVALID_INDEX;
655   tc->bt = bt;
656 }
657
658 u8 *
659 format_tcp_bt_sample (u8 * s, va_list * args)
660 {
661   tcp_connection_t *tc = va_arg (*args, tcp_connection_t *);
662   tcp_bt_sample_t *bts = va_arg (*args, tcp_bt_sample_t *);
663   f64 now = tcp_time_now_us (tc->c_thread_index);
664   s = format (s, "[%u, %u] d %u dt %.3f txt %.3f ftxt %.3f flags 0x%x",
665               bts->min_seq - tc->iss, bts->max_seq - tc->iss, bts->delivered,
666               now - bts->delivered_time, now - bts->tx_time,
667               now - bts->first_tx_time, bts->flags);
668   return s;
669 }
670
671 u8 *
672 format_tcp_bt (u8 * s, va_list * args)
673 {
674   tcp_connection_t *tc = va_arg (*args, tcp_connection_t *);
675   tcp_byte_tracker_t *bt = tc->bt;
676   tcp_bt_sample_t *bts;
677
678   bts = bt_get_sample (bt, bt->head);
679   while (bts)
680     {
681       s = format (s, "%U\n", format_tcp_bt_sample, tc, bts);
682       bts = bt_next_sample (bt, bts);
683     }
684
685   return s;
686 }
687
688 /*
689  * fd.io coding-style-patch-verification: ON
690  *
691  * Local Variables:
692  * eval: (c-set-style "gnu")
693  * End:
694  */