WEBRTC浅析（九）带宽估计算法之BBR

带宽估计算法之BBR

此次，主要介绍一种效率更快的带宽探测策略。BBR主要的应用是在QUIC 协议里有支持。在webrtc里，也有一段时间是放到了正式版本中。此次，我就基于WEBRTC上的BBR版本和标准的bbr协议，来给大家做个大致的讲解。

BBR带宽估计 （Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time）

参考文档：https://datatracker.ietf.org/doc/html/draft-cardwell-iccrg-bbr-congestion-control

参考文档：https://www.ietf.org/proceedings/98/slides/slides-98-iccrg-an-update-on-bbr-congestion-control-00.pdf

一：BBR 的设计概述

1. 网络路径模型

   • BBR 是一种基于模型的拥塞控制算法：BBR 的模型包括两个显式估计参数
     • BBR.BtlBw : bottleneck bandwidth（瓶颈带宽），根据最大发送数据率 获得
     • BBR.RTprop ：双向往返传播延迟，根据一个窗口内发送数据的最小RTT获得

2. 目标工作点

   • BBR 使用其模型寻找具有高吞吐量的操作点和低延迟。为了在最佳工作点附近工作(具有最大吞吐量和最小延迟的点)系统需要保持两个条件：

     1. Rate balance: 最大发送速率

     2. Full pipe:

         BDP = BBR.BtlBw * BBR.RTprop 
        

3. 控制参数

   • BBR 使用其模型来控制其发送行为，使保持在目标工作点附近。

       1. pacing rate：BBR发送数据的速率
       2. send quantum：发送数据量
       3. cwnd：允许在飞行中的最大数据量。
     

4. 状态机设计概述

   • BBR 希望通过一个简单的状态机改变其三个控制参数。

      通过状态机，从而实现高吞吐量、低延迟的目标。
      首先探测 BBR.BtlBw 然后探测 BBR.RTprop，通过顺序交替近似公平地共享带宽。
     
     
       BBR 从 Startup 状态开始，并提高其发送速率
      迅速地。当它估计管道已满时，它进入 Drain
      状态以排空队列。在稳定状态下，BBR 仅使用
      ProbeBW 状态 和（如果需要）ProbeRTT 状态
     
       ProbeBW 状态：定期在飞行中短暂升高以探测更高的 BBR.BtlBw 样本
       ProbeRTT 状态： 在飞行中短暂降低以探测较低的 BBR.RTprop 样本
     

4.1 状态转换图

下面的状态转移图总结了控制流程

            |
            V
   +---> Startup  ----+
   |        |         |
   |        V         |
   |      Drain   ----+
   |        |         |
   |        V         |
   +---> ProbeBW -----+
   |      ^    |      |
   |      |    |      |
   |      +----+      |
   |                  |
   +---- ProbeRTT <---+

5. 算法组织

二：通过代码来了解

RTT, LOSE RATE的统计：：bandwidth_sampler.cc

• 计算实时发送码率

    DataSize sent_delta = sent_packet.total_data_sent -
                          sent_packet.total_data_sent_at_last_acked_packet;
    TimeDelta time_delta =
        sent_packet.sent_time - *sent_packet.last_acked_packet_sent_time;
    send_rate = sent_delta / time_delta;
  

• 计算实时反馈码率

    DataSize ack_delta = total_data_acked_ - sent_packet.total_data_acked_at_the_last_acked_packet;
    TimeDelta time_delta = ack_time - *sent_packet.last_acked_packet_ack_time;
    DataRate ack_rate = ack_delta / time_delta;
  

• 计算实时bandwidth

      BandwidthSample sample;
      sample.bandwidth = std::min(send_rate, ack_rate);
      max_bandwidth_.Update(sample.bandwidth, round_trip_count_);
  

• 计算实时rtt：：

      sample.rtt = ack_time - sent_packet.sent_time;
  

BBR的主要参数计算::bbr_network_controller.cc

带宽上探的过程

1. 首先进入start up 快速上探模式
   * mode = start up
   * pacing gain = 2.885
   * 连续3个RTT target_rate > 最大带宽，判断达到 最大带宽，is_at_full_bandwidth_= true。

2. 然后进入 drain 模式，进行排空数据
   * mode = drain
   * pacing gain = 0.34662
   * 当管道中的数据，小于一个1bdp时，认为排空结束。进入probe rtt 模式。
   * msg.data_in_flight <= GetTargetCongestionWindow

3. 开始进入PROBE_BW模式，探测 带宽
   * EnterProbeBandwidthMode ：进入 probe bw 模式
   * 通过UpdateGainCyclePhase来计算pacing gain。

4. 稳定后的模式：
   * pacer gain: 在1.25 ,1 , 0.75 中切换.
   * 1.25 为探测带宽是否可以上溢。
   * 0.75 为排空过程。
   * 1 为带宽维持稳定的过程。

需要了解的参数：

• 计算实时loss rate：：

  • 这个是链路的真实丢包率，可以传到上层，给fec模块用来判断冗余的比例。

        if(packets_sent > 0){
         current_feedback_loss_rate_ = (float)((float)packets_lost/(float)packets_sent * 100);
        loss_rate_.UpdateWithLossStatus(msg.feedback_time.ms(), packets_sent, packets_lost);
    

• 计算pacing_gain::

     if (round_offset == 0)
        return 1 + config_.probe_bw_pacing_gain_offset;// 1.25
      else if (round_offset == 1)
        return 1 - config_.probe_bw_pacing_gain_offset;// 0.75
      else
        return 1;
  

• 计算当前bandwidth：

  • 这当网络没有丢包：bandwidth就是实际带宽。

  • 在有丢包率的情况：当前总带宽=bandwidth/(1-loss rate).

      实际透过率：这是服务器收到的feekback的数据，表示当前的可用带宽。
      bandwidth  = max_bandwidth_.GetBest()
    

• 计算pacing rate：：

    	DataRate pacing_rate_ = pacing_gain_ * max_bandwidth_.GetBest();
  

• 计算cwd

     	DataSize bdp = GetMinRtt() * max_bandwidth_.GetBest();
      	DataSize congestion_window = gain * bdp;
  

三：与Paced Sender 的互动

1. Paced_sender 是一个数据平滑发送器，他的主要作用有两个：
   * 在带宽允许的状态下，尽快的发送带宽。
   * 如果有突发的数据，则要按间隔，分多次的发送，避免造成网络拥塞。
   * Pacer 的发送模式：Pacer 内部有一个线程，定期（默认是5ms）的执行发送rtp 包的任务。

2. Pacer 中使用的参数

   • 设置pacing和padding的 bitrate

       * setPacingRates(uint32_t pacing_rate_bps, uint32_t padding_rate_bps
       * pacing_rate_bps 是最大的可发送码率，标明媒体数据可以发送的最大带宽。
       * padding_rate_bps 是发送padding的最大码率，一般大于 等于pacing_rate_bps，当需要探测更高的带宽时，这时 媒体信源的码率不能提升，所以只能通过发送空的padding包来填充管道，来探测是否能够达到更高的带宽。
     

   • 设置pacer 增益

       * pacing_gain_ = pacing_gain;
       * 在带宽稳定的的情况下gain的值为1 。只有系统希望多发一些带宽，去探测一下当前是否有更多的带宽可以用时，会希望超发一些带宽，这个时候，Pacing gain 会 > 1.
       * 当然，当系统超发后造成的管道拥塞，就会把gain 小于1，此时会开始排空管道，减少拥塞。
     

   • 设置拥塞窗口

       * data_in_fly(管道中的数据) = data_by_send - data_by_ack 
       * congestion_window_bytes_ = congestion_window_bytes * pacing_factor_
       * 当data_in_fly(管道中的数据) > congestion_window_bytes_ 时，表示拥塞了，Pacer 需要停下来， 等待data_in_fly 下降到小于congestion_window_bytes_时，才能重新发送数据。
     

3. Pacer的优化方向：
   * 在pacer 中多加几个rtp队列，可以精准的控制媒体流的发送顺序。
   * 对nack，media，audio进行区别对待。
   * padding包的发送，可以使用媒体包来发送，从而达到加冗余的效果，提高抗弱网的性能。