从CUBIC/BBR的TCP ACK失速说起

上周有同事问，延迟ACK到底对应用层会产生什么后果，我也不知道该如何作答，于是丢了一个链接：
TCP之Delay ACK在Linux和Windows上实现的异同-Linux的自适应ACK：https://blog.csdn.net/dog250/article/details/52664508

是的，这是我几年前关于Delay ACK的分析，如今看来有些许不足，有些空洞，有些学院派，所以本文试图就着这个问题来分析一个关于Delay ACK以及带来相似后果的聚集ACK，以及ACK丢失等等的具体的场景，即ACK失速问题，简称TCP失速。

  之所以会在假期写这篇文章，还有两个原因，首先感谢fcicq大神的提示，其次…等我的生日过后再细说。

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所谓失速，即TCP发送端由于拥塞窗口配额耗尽而无法继续发送的现象。本文我依然用tcptrace来分析。

  先看一下tcptrace图的概览：

有点简陋了，详情参见：
在Wireshark的tcptrace图中看清TCP拥塞控制算法的细节(CUBIC/BBR算法为例)：https://blog.csdn.net/dog250/article/details/53227203

  接下来我们看一下TCP失速在CUBIC算法看来是如何解决的：

不得不说TCP基于ACK时钟驱动的AIMD模型是一个多么好的负反馈收敛模型，几乎不需要额外的任何事情，在ACK到来后，一个突发会迅速弥补失速带来的发送速率停滞。这完全是因为Reno/CUBIC算法基于cwnd来决定能发送多少数据。

  然而，事情在BBR算法中起了变化，我们看一下BBR算法下类似的场景：

有点复杂了，但是仔细琢磨还是可以理解的。我们着重看一下BBR算法失速恢复过程：

问题非常明确，于是，给出我们的愿景：

仔细思考几分钟，有没有什么解决方案呢？其实不光是应对TCP失速，任何关于TCP优化的问题，归根结底都是减小图中那个小三角形面积的问题，不要试图把发送线变陡，因为带宽是大家的，不管你自己，然而一旦出现了图中的阴影三角形，那便是整个网络系统欠你的了，遗憾的是，这种债务需要你自己去理清和了结！

  不多说，先给出解决方案：

…这里我给出的是省略号，和以往文章直接把答案暴露不同，这里我也没有标准的答案，就算有我也不想再写了。问题回归原点，你怎么预测ACK将会延迟聚集到达？

  感谢fcicq大神总是在我闲着无所事事或者忙的焦头烂额的时候给我一些points让我思考从而可以动起来，fcicq大神提供了一个关于BBR最新进展的ppt，非常精彩：
BBR Congestion Control Work at Google IETF 101 Update：https://datatracker.ietf.org/meeting/101/materials/slides-101-iccrg-an-update-on-bbr-work-at-google-00

其中有一个非常典型的问题分析，也是和TCP失速相关的，其解决方案偏向于我上述的方案2，是一种检测到ACK行为是聚集或者延迟到达的情况下，对cwnd有所增益，具体增益值就是一个和extra_acked相关的一个数字，具体解释如下图：

图中expected_acked是怎么算出来的呢？记住下面的等式即可：

acked×interval=send_rate a c k e d × i n t e r v a l = s e n d _ r a t e

现在的问题就是求 send_rate s e n d _ r a t e 了，在文档：
BBR Congestion Control:IETF 99 Update：https://www.ietf.org/proceedings/99/slides/slides-99-iccrg-iccrg-presentation-2-00.pdf
中的第13/14/15页给出了一个计算方法，同时详细的算法描述请参考：
Delivery Rate Estimation：https://tools.ietf.org/id/draft-cheng-iccrg-delivery-rate-estimation-00.html。

  也许还记得我前年写的那篇《来自Google的TCP BBR拥塞控制算法解析》，记得那篇文章里讲 send_rate s e n d _ r a t e 计算的时候，给出了一张比较复杂的图：

俱往矣，太low，因为大道至简，我那个太复杂了，事情本不该那么复杂，然而初学者总是喜欢把简单事情复杂化。现在看看简单的表示是什么，当然你也可以参见我给出的链接文档(draft-cheng-iccrg-delivery-rate-estimation-00)自己去琢磨：

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现在提几个问题。

• 为什么ACK会聚集到达？
  原因非常多，延迟ACK，ACK丢失，TSO，限速设备…发送归拥塞控制算法自行控制，然而ACK并不是，所以拥塞控制必须监控ACK到达的行为！BBR的cwnd增益为2，某种程度上就是为了应对这种多变的ACK到达情况。
• BBR为什么要”快速恢复”而不是等待ProbeMore去做？
  BBR可以这么做，并且它也是这么做的。只是我并不认同这种做法。对于单条TCP流而言，它确确实实是一个负反馈系统，自闭环的，然而如果只有单独的一条流，那么也确实不会有什么反馈，拥塞总是来自他者！总之，我不相信在经历了BBR的6个Probe匀速周期(大约8个RTT)后，由于失速而损失的带宽还能留着还给它！一定有好的解法，只是我还没有想到，而已。

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感冒了，睡觉了。