Linux下BICTCP实现上burst control机制分析
问题现象
在测试部发现的问题：测试SqlPlus的数据库查询速度的时候，发现经过我们连接代理后速度比不过代理时候慢一倍，在关闭我们的功能后1分钟能够完成查询，但是启用后就2分钟才能完成。
当时对SqlPlus的数据流还有TCP的抓包进行分析，该查询器查询数据的特点是客户端发出21个字节的数据包，然后服务器回应9356字节的数据，然后再由客户端发21字节的数据，再回应9356字节，如此重复直到查询完成。在没过代理时发现，9356字节的数据都是一瞬间送到客户端的，从而每次交互就是一个RTT的时间，而被代理后抓包发现这9356个字节都是分两次送出的，并不是一次性的全部发出，每次发出了6个包之后就开始等待对端的ACK，直到收到ACK后才发送剩下的字节，这样每一次交互就相当于耗费了两个RTT的时间，从而总时间多出了一倍。
摸索过程
在分析了SqlPlus的数据流后，写了一个简单的测试程序，因为SqlPlus拿来测试太麻烦了，每次都要登录等操作，极其繁琐。该测试程序工作方式：客户端发送m字节，然后服务端收到后回应n字节数据，如此反复，取m=21，n=9356用来模拟SqlPlus的数据情况，得到的现象是一样的，走代理后时间增加了一倍，后来继续加大该比例，当取到m=21，n=50000时发现过代理慢了2倍，从抓包分析是中间等了2次ACK。
那么是我们的代理程序引起的还是BICTCP的原因呢？
TCP的实现上算法有很多，但是影响发送性能，并且需要等对端ACK的只有2个值，拥塞窗口和对端的流控窗口。利用TCP提供的TCP_INFO套接字选项，把这些值全部取出来看，窗口是远超过6的，流控窗口方面，因为之前修改过TCP的缓冲区，所以这次把接收缓冲区修改为很大，但是问题依旧，利用netstat可以看到，TCP的Send-Q基本上都是几十K，说明大部分情况是有数据可以发送的，后来干脆把该测试程序直接在Linux上跑，也不经过代理，结果也发现比Windows下跑还是慢了1倍，从而可以肯定是与我们的业务程序代码是没有关系的，罪魁祸首肯定是Linux的TCP协议栈。
既然牵涉到协议栈，首先最大嫌疑的就是BICTCP，于是将/proc/sys/net/ipv4/bictcp=0，再跑，居然还是一样，看来又怀疑错对象了。
在应用层能做的事情就这么多了，还不能解决问题，那就要深入到内核里面去看代码了，是否有遗漏的东西，强调下要记得目标方向，内核里面的TCP代码相对比较复杂，机制非常多，很容易看走眼。
TCP在发包之前调用了一个函数来检测是否可以发送数据包：
代码
2 unsigned cur_mss, int nonagle)
3 {
4 if ((tcp_packets_in_flight(tp) >= tp -> snd_cwnd) &&
5 ! (TCP_SKB_CB(skb) -> flags & TCPCB_FLAG_FIN))
6 return WC_SNDLIM_CWND;
7
8 if (sysctl_bictcp_moderation && tp -> bictcp_max_packets_in_flight){ /* burst moderation */
9 __u32 cap;
10 if (tp -> ca_state == TCP_CA_Recovery)
11 cap = tp -> bictcp_max_packets_in_flight; /* in recovery */
12 else
13 cap = tp -> bictcp_max_packets_in_flight + tcp_max_burst(tp) + (tp -> snd_cwnd >> 7 ); /* in other states */
14
15 if ((tcp_packets_in_flight(tp) >= cap) &&
16 ! (TCP_SKB_CB(skb) -> flags & TCPCB_FLAG_FIN))
17 return WC_SNDLIM_CWND;
18 }
19
20 if (after(TCP_SKB_CB(skb) -> end_seq, tp -> snd_una + tp -> snd_wnd))
21 return WC_SNDLIM_RWIN;
22 if ( ! (nonagle == 1 || tp -> urg_mode ||
23 ! tcp_nagle_check(tp, skb, cur_mss, nonagle)))
24 return WC_SNDLIM_SENDER;
25 return WC_SNDLIM_NONE;
26 #if 0
27 /* Don't be strict about the congestion window for the
28 * final FIN frame. -DaveM
29 */
30 return ((nonagle == 1 || tp -> urg_mode
31 || ! tcp_nagle_check(tp, skb, cur_mss, nonagle)) &&
32 ((tcp_packets_in_flight(tp) < tp -> snd_cwnd) ||
33 (TCP_SKB_CB(skb) -> flags & TCPCB_FLAG_FIN)) &&
34 ! after(TCP_SKB_CB(skb) -> end_seq, tp -> snd_una + tp -> snd_wnd));
35 #endif
36 }
在外层的判断中只有该函数返回是WC_SNDLIM_NONE才可以发送数据包。该函数中4个if语句分别做了4个条件的检测：
1. 在网络中的包个数不能超过tp->snd_cwnd，但是FIN包不算在此范围内，这就是拥塞窗口的控制。
2. 在网络中包的个数不能超过一个cap值，该cap就是突发的上限值。
3. 不能超过对端的流控窗口。
4. 检测是否需要启用nagle算法进行粘包处理，紧急数据除外。
上述4个条件，第一个和第三个条件经过分析发现不是这里引发的了，第四个条件的话，我们默认是使用了NODELAY选项，即关闭了nagle算法的，所以条件也不能成立。那么只能是第二个条件了，在函数中加了一句调试语句，把4个条件的结果打印出来看下，重编内核：
printk(KERN_INFO "inflight[%u],snd_cwnd[%u:%u],snd_wnd[%u],maxburst[%u]
cap[%u],after[%d]\n",
tcp_packets_in_flight(tp), tp->snd_cwnd, tp->snd_cwnd_cnt, tp->snd_wnd,
tp->bictcp_max_packets_in_flight,
tp->bictcp_max_packets_in_flight + tcp_max_burst(tp) + (tp->snd_cwnd>>7),
after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq, tp->snd_una + tp->snd_wnd));
看下其输出：
<6>inflight[0],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[0] cap[3],after[0]
<6>inflight[1],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[2],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[3],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[4],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[5],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[6],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[7],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[8],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[9],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[0],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[0] cap[3],after[0]
<6>inflight[1],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[2],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[3],snd_cwnd[12:0],snd_wnd[65792],maxburst[3] cap[6],after[0]
从这里的结果可以看到，果然是被cap这个值限制了数据的发送，从而必须得等到ACK。
再看一下在m=21，n=50000时候的输出：
<6>inflight[0],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[0] cap[3],after[0]
<6>inflight[1],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[2],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[3],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[4],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[5],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[6],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[7],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[8],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[9],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[10],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[11],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[12],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[13],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[14],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[15],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[16],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[17],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[18],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[19],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[20],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[3] cap[6],after[0]
<6>inflight[10],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[0] cap[3],after[0]
<6>inflight[11],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[13] cap[16],after[0]
<6>inflight[12],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[13] cap[16],after[0]
<6>inflight[13],snd_cwnd[21:0],snd_wnd[99968],maxburst[13] cap[16],after[0]
至此问题原因已经找到。
Burst control算法分析
对比下BICTCP的补丁代码，第二个if语句的代码是补丁中加进去的，burst control的目地就是防止TCP一次性发出太多的包，导致网络上突发性流量很大，可以看到cap值是慢慢往上增长的，也就是说慢慢的就可以越发越多了，但是tp->bictcp_max_packets_in_flight在哪里赋值的呢？
代码
{
struct tcp_opt * tp = & (sk -> tp_pinfo.af_tcp);
tp -> bictcp_max_packets_in_flight = 0 ; /* reset burst moderation count */
……
}
int tcp_transmit_skb( struct sock * sk, struct sk_buff * skb)
{
……
if (tp -> bictcp_max_packets_in_flight == 0 )
tp -> bictcp_max_packets_in_flight = tcp_packets_in_flight(tp) + tcp_max_burst(tp);
……
}
也就是说在establish状态每收到任何一个包，bictcp_max_packets_in_flight就被置0了，然后每次发送一个包的时候再重新赋值为“in_flight”的数据包个数加上突发个数，其中tcp_max_burst(tp)是等于3的，那么在交互的过程当中，一旦收到对端的全部确认后，显然bictcp_max_packets_in_flight就为0了，那么下次再发送数据包的时候，bictcp_max_packets_in_flight就等于3了，当数据越发越多的时候，那么"in_flight"的数据也变大，所以bictcp_max_packets_in_flight也随之增大，但是当一次交互完成后，"in_flight"就为0了，也就相当于每一次交互都需要重新启动这个过程，因而就导致了之前看到的交互都变慢了的现象。
该控制机制的好处在于可以防止突然的大量数据：如果有一个包乱序或者丢失，后面接着就来了一大把数据，从而造成这个包一旦到达后，可以连续确认非常多的数据，如果没有此机制的话，那么便可以一次性的发出一大片数据，而使用了该方式后，则一次能发送的数据少的多，可以很大程度上的减少超时和包丢失率。
关于burst control的讨论可以在此看到：http://oss.sgi.com/archives/netdev/2004-07/msg00988.html，同时有数据分析，对比了burst control机制的影响：
http://www4.ncsu.edu/~rhee/export/bitcp/tiny_release/experiments/BIC-600-75-7500-1-0-0/index.htm
建议解决方案
最简单的方式就是把/proc/sys/net/ipv4/bictcp_moderation置0，通过模拟测试可以确认该方法可以达到和不过代理时一样快的速度。
因为在2.6版本的内核代码里面找不到该限制了，在2.6的内核的发包函数里面只有对拥塞窗口、流控窗口和nagle算法的检查，没有burst的检查，在BIC的实现里面也没有该条件，可能某种原因把它去掉了，但是没有找到其说明，又或者用其他什么算法给替换了，暂时没有找到。