Google的TCP BBR擁塞控制算法深度解析

宏觀背景下的BBR

慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳、快速恢復(fù)：

說(shuō)實(shí)話，這些機(jī)制完美適應(yīng)了1980年代的網(wǎng)絡(luò)特征，低帶寬，淺緩存隊(duì)列，美好持續(xù)到了2000年代。

隨后互聯(lián)網(wǎng)大爆發(fā)，多媒體應(yīng)用特別是圖片，音視頻類的應(yīng)用促使帶寬必須猛增，而摩爾定律促使存儲(chǔ)設(shè)施趨于廉價(jià)而路由器隊(duì)列緩存猛增，這便是BBR誕生的背景。

正文之前，給出本文的圖例：

BBR的組成

bbr算法實(shí)際上非常簡(jiǎn)單，在實(shí)現(xiàn)上它由5部分組成：

BBR（Bottleneck Bandwidth and Round-trip time）擁塞控制算法是由Google開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)代化的TCP擁塞控制算法。與傳統(tǒng)的TCP擁塞控制算法（如TCP Cubic）相比，BBR采用了不同的工作原理和算法策略。

BBR擁塞控制算法具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：

1. 高帶寬利用率：BBR算法通過(guò)準(zhǔn)確估算網(wǎng)絡(luò)的瓶頸帶寬，能夠充分利用可用的帶寬資源。相比傳統(tǒng)的擁塞控制算法，如TCP Cubic，它能夠更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，提供更高的吞吐量。
2. 低延遲：BBR算法通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量往返時(shí)間（RTT）和帶寬來(lái)調(diào)整發(fā)送速率，以最小化網(wǎng)絡(luò)延遲。它能夠更快地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化，并通過(guò)動(dòng)態(tài)的發(fā)送速率控制來(lái)減少排隊(duì)延遲，從而提供更低的端到端延遲。
3. 公平性：BBR算法采用了公平共享帶寬的策略，以避免某些連接占據(jù)過(guò)多的帶寬，導(dǎo)致其他連接的性能下降。它能夠在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高的情況下，相對(duì)公平地分配帶寬資源，確保多個(gè)連接能夠公正地競(jìng)爭(zhēng)帶寬。
4. 適應(yīng)性：BBR算法具有較好的自適應(yīng)性，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。它能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和延遲變化，自動(dòng)調(diào)整發(fā)送速率，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和擁塞程度。
5. 丟包率減少：由于BBR算法采用了基于帶寬和延遲的擁塞控制策略，它能夠減少網(wǎng)絡(luò)中的擁塞和丟包情況。相比傳統(tǒng)算法，BBR能夠更好地探測(cè)和應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而減少丟包率。

a. 噪聲丟包

如果是噪聲丟包，在收到reordering個(gè)重復(fù)ACK后，由于bbr并不區(qū)分一個(gè)確認(rèn)是ACK還是SACK引起的，所以在bbr看來(lái)，即時(shí)帶寬并沒(méi)有降低，可能還有所增加，所以一個(gè)數(shù)據(jù)包的丟失并不會(huì)引發(fā)什么，bbr依舊會(huì)給出一個(gè)比較大的cwnd配額，此時(shí)雖然TCP可能已經(jīng)進(jìn)入了Recovery狀態(tài)，但bbr依舊按照自己的bw以及調(diào)整后的增益系數(shù)來(lái)計(jì)算cwnd的新值，過(guò)程中并不會(huì)受到任何TCP擁塞狀態(tài)的影響。

如此一來(lái)，所有的噪聲丟包就被區(qū)別開(kāi)來(lái)了！bbr的宗旨是：“首先，在我的bw計(jì)算指示我發(fā)生擁塞之前，任何傳統(tǒng)的TCP擁塞判斷-丟包/時(shí)延增加，均全部失效，我并不care丟包和RTT增加”，隨后brr又會(huì)說(shuō)：“但是我比較care的是，RTT在一段時(shí)間內(nèi)(隨你怎么配，但我個(gè)人傾向于自學(xué)習(xí))都沒(méi)有達(dá)到我所采集到的最小值或者更小的值！這也許意味著著鏈路真的發(fā)生擁塞了！”…

b. 擁塞丟包

將a的論述反過(guò)來(lái)，我們就會(huì)得到奇妙的封閉性結(jié)論。這樣，bbr不光是消除了吞吐曲線的鋸齒(ssthresh所致，bbr并不使用ssthresh！)，而且還消除了傳統(tǒng)擁塞控制算法的判斷滯后性問(wèn)題。在cubic發(fā)現(xiàn)丟包進(jìn)而判斷為擁塞時(shí)，擁塞可能已經(jīng)緩解了，但是cubic無(wú)法發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。為什么？原因在于cubic在計(jì)算新的cwnd的時(shí)候，并沒(méi)有把當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(比如bw)當(dāng)作參數(shù)，而只是一味的按照數(shù)學(xué)意義上的三次方程去計(jì)算，這是錯(cuò)誤的，這不是一個(gè)正確的反饋系統(tǒng)的做法！

基于a和b，看到了吧，這就是新的擁塞判斷機(jī)制！綜合考慮丟包和RTT的增加：

b-1.如果丟包時(shí)真的發(fā)生了擁塞，那么測(cè)量的即時(shí)帶寬肯定會(huì)減少，否則，丟包即擁塞就是謊言。

b-2.如果RTT增加時(shí)真的發(fā)生了擁塞，那么測(cè)量的即時(shí)帶寬肯定會(huì)減少，否則，時(shí)延增加即擁塞就是謊言。

bbr測(cè)量了即時(shí)帶寬，這個(gè)統(tǒng)一cwnd和rtt的計(jì)量，完全忽略了丟包，因此bbr的算法思想是TCP擁塞控制的正軌！事實(shí)上，丟包本就不應(yīng)該作為一種擁塞的標(biāo)志，它只是擁塞的表現(xiàn)。

擁塞控制算法（如TCP擁塞控制算法）的主要目標(biāo)是通過(guò)監(jiān)測(cè)丟包事件來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并調(diào)整發(fā)送速率以緩解擁塞。然而，對(duì)于噪聲丟包，這些算法并不會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整，因?yàn)樵肼晛G包并不表示網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，對(duì)于擁塞控制算法來(lái)說(shuō)，區(qū)分噪聲丟包和擁塞丟包是非常重要的。

的調(diào)整，因?yàn)樵肼晛G包并不表示網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，對(duì)于擁塞控制算法來(lái)說(shuō)，區(qū)分噪聲丟包和擁塞丟包是非常重要的。

BBR擁塞控制算法在這方面相對(duì)于傳統(tǒng)算法具有優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)觀察發(fā)送數(shù)據(jù)包的出隊(duì)情況和接收確認(rèn)ACK的延遲時(shí)間，估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸帶寬，并使用這些信息來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送速率。BBR算法在設(shè)計(jì)上能夠更好地識(shí)別和應(yīng)對(duì)擁塞丟包，從而提供更好的網(wǎng)絡(luò)性能和擁塞控制。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-775800.html

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