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TCP协议之《TSQ控制》
2022-08-10 03:26:00 【程序员扫地僧】
TCP Small Queues的目的是限制每个TCP连接在Qdisc和device队列中的skb数量，以达到降低RTT（Round-Trip Time）和避免bufferbloat的目的。
一、TSQ初始化
内核定义了静态的每处理器变量tsq_tasklet结构，初始化函数tcp_tasklet_init，为定义的每处理器结构变量初始化一个单独的tasklet，并且每个tasklet有其自身独立的套接口队列。
void __init tcp_tasklet_init(void)
{
for_each_possible_cpu(i) {
struct tsq_tasklet *tsq = &per_cpu(tsq_tasklet, i);
INIT_LIST_HEAD(&tsq->head);
tasklet_init(&tsq->tasklet, tcp_tasklet_func, (unsigned long)tsq);
}
}
struct tsq_tasklet {
struct tasklet_struct tasklet;
struct list_head head; /* queue of tcp sockets */
};
static DEFINE_PER_CPU(struct tsq_tasklet, tsq_tasklet);
二、TSQ检查
基础的检查函数为tcp_small_queue_check，其逻辑如下。首先取以下两者之间的较大值：1）当前发送的数据报文skb结构所占用空间的两倍值（2*skb->truesize）；2）以及当前大约每毫秒的流量值（其通过sk_pacing_rate计算而来，内核将sk_pacing_shift变量定义为10，将当前每秒钟的流量（sk_pacing_rate）除以2的10次方，得到大约1毫秒的流量值）。其次如果此结果值大约tcp_limit_output_bytes限定的值，使用tcp_limit_output_bytes作为限定值。最后，如果是重传报文，即factor等于1，将最终的判定值增大一倍。
如果sk_wmem_alloc大于limit说明已经发送了太多的数据在Qdisc或者设备队列中，但是如果重传队列为空，此次发送还是允许进行。否则，返回true，禁止发送操作，在此之前，设置sk_tsp_flags的标志位TSQ_THROTTLED，表明是由于TSQ检查结果导致的不能发送。另外，有可能在此函数设置TSQ_THROTTLED标志之前，发生了TX中断，进行了skb释放操作，导致了sk_wmem_alloc的递减，所以，在返回前再次判断sk_wmem_alloc是否超过限值limit。
static bool tcp_small_queue_check(struct sock *sk, const struct sk_buff *skb, unsigned int factor)
{
limit = max(2 * skb->truesize, sk->sk_pacing_rate >> sk->sk_pacing_shift);
limit = min_t(u32, limit, sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_limit_output_bytes);
limit <<= factor;
if (refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) > limit) {
if (tcp_rtx_queue_empty(sk))
return false;
set_bit(TSQ_THROTTLED, &sk->sk_tsq_flags);
smp_mb__after_atomic();
if (refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) > limit)
return true;
}
return false;
}
以上基础函数tcp_small_queue_check在TCP发送路径的tcp_write_xmit函数和tcp_xmit_retransmit_queue函数中都有调用。如下的tcp_write_xmit函数，在调用TSQ检查函数之前，清空套接口的TCP_TSQ_DEFERRED标志，表明进行了发送操作，在之后的TSQ处理函数中将跳过此套接口。如果TSQ检查未通过，将设置TSQ_THROTTLED标志。
static bool tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle, int push_one, gfp_t gfp)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
while ((skb = tcp_send_head(sk))) {
if (test_bit(TCP_TSQ_DEFERRED, &sk->sk_tsq_flags))
clear_bit(TCP_TSQ_DEFERRED, &sk->sk_tsq_flags);
if (tcp_small_queue_check(sk, skb, 0))
break;
if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp)))
break;
}
另外，在系统调用函数do_tcp_sendpages与tcp_sendmsg_locked函数中，如果缺少TCP缓存，发送函数将已经挂载到发送队列中的数据进行发送，由函数tcp_push负责处理。当其判断如果不需要立即发送数据包（autocork）时，需要设置TSQ_THROTTLED标志，表明TSQ功能阻塞了数据发送。如果TX中断随后发生，其将释放部分发送缓存，发送函数如tcp_sendmsg_locked得以继续进行。
static void tcp_push(struct sock *sk, int flags, int mss_now, int nonagle, int size_goal)
{
skb = tcp_write_queue_tail(sk);
if (tcp_should_autocork(sk, skb, size_goal)) {
if (!test_bit(TSQ_THROTTLED, &sk->sk_tsq_flags)) {
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPAUTOCORKING);
set_bit(TSQ_THROTTLED, &sk->sk_tsq_flags);
}
if (refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) > skb->truesize)
return;
}
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, nonagle);
}
此处有必要说一下tcp_should_autocork函数的判断条件：1）skb的数据长度len小于size_goal，表明数据还未填满允许的发送目标长度（参见函数tcp_xmit_size_goal，支持GSO时此目标长度可能大小MSS，反之等于MSS）；2）PROC文件/proc/sys/net/ipv4/tcp_autocorking设置为1；3）当前skb不是发送队列头，表明已经有数据发送；4）并且，当前正在发送的数据的总truesize长度大于此skb的truesize，表明位于Qdisc或者设备队列中的数据不是仅有ACK报文，所以TX发送处理不会被延迟。
综上的四个条件，TX中断马上要发送，此时有机会将数据包暂时阻塞，为之后发生的sendmsg的发送数据提供与此skb合并的机会。由于TX中断马上要发生，不会造成此数据包的发送延时。
static bool tcp_should_autocork(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int size_goal)
{
return skb->len < size_goal &&
sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_autocorking &&
skb != tcp_write_queue_head(sk) &&
refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) > skb->truesize;
}
三、TSQ阻塞时机
当数据报文skb释放时（如TX完成中断发生），检查其所属套接口的TSQ阻塞状态，如下发送缓存释放函数tcp_wfree。首先将发送缓存sk_wmem_alloc的值将其skb的truesize-1的值，保留1个计数是由于此函数之后或者tcp_tasklet_func函数将调用sk_free函数，如果sk_wmem_alloc为1，sk_free将释放套接口结构。其次如果当前进程上下文在ksoftirqd中，并且Qdisc或者设备队列中还有数据未发送，表明系统当前繁忙，不在进行TSQ拥塞处理，避免导致加重系统的繁忙状况，也可使此TCP流的确认ACK报文得以处理。
如果此套接口没有被TSQ阻塞，TSQF_THROTTLED标志未设置，或者其已经位于TSQ处理队列中，直接返回。如果在此期间套接口的阻塞状态已经缓解（见cmpxchg函数实现），直接返回。否则，将处于阻塞状态的套接口的sk_tsq_flags中的阻塞状态清除，并且将此套接口添加到当前处理器的TSQ处理队列中，并且调用处理器的takslet进行处理。
void tcp_wfree(struct sk_buff *skb)
{
WARN_ON(refcount_sub_and_test(skb->truesize - 1, &sk->sk_wmem_alloc));
if (refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) >= SKB_TRUESIZE(1) && this_cpu_ksoftirqd() == current)
goto out;
for (oval = READ_ONCE(sk->sk_tsq_flags);; oval = nval) {
struct tsq_tasklet *tsq;
bool empty;
if (!(oval & TSQF_THROTTLED) || (oval & TSQF_QUEUED))
goto out;
nval = (oval & ~TSQF_THROTTLED) | TSQF_QUEUED | TCPF_TSQ_DEFERRED;
nval = cmpxchg(&sk->sk_tsq_flags, oval, nval);
if (nval != oval)
continue;
local_irq_save(flags);
tsq = this_cpu_ptr(&tsq_tasklet);
empty = list_empty(&tsq->head);
list_add(&tp->tsq_node, &tsq->head);
if (empty)
tasklet_schedule(&tsq->tasklet);
local_irq_restore(flags);
return;
}
out:
sk_free(sk);
}
除以以上的tcp_wfree函数之外，在TCP的pacing功能中，pacing超时处理函数tcp_pace_kick已将处理TSQ除以阻塞状态的套接口，其逻辑与tcp_wfree中的一致，唯一区别在于pacing处理中，不会先检查套接口是否处于阻塞状态。
enum hrtimer_restart tcp_pace_kick(struct hrtimer *timer)
{
struct tcp_sock *tp = container_of(timer, struct tcp_sock, pacing_timer);
struct sock *sk = (struct sock *)tp;
for (oval = READ_ONCE(sk->sk_tsq_flags);; oval = nval) {
struct tsq_tasklet *tsq;
bool empty;
if (oval & TSQF_QUEUED)
break;
nval = (oval & ~TSQF_THROTTLED) | TSQF_QUEUED | TCPF_TSQ_DEFERRED;
nval = cmpxchg(&sk->sk_tsq_flags, oval, nval);
if (nval != oval)
continue;
if (!refcount_inc_not_zero(&sk->sk_wmem_alloc))
break;
/* queue this socket to tasklet queue */
tsq = this_cpu_ptr(&tsq_tasklet);
empty = list_empty(&tsq->head);
list_add(&tp->tsq_node, &tsq->head);
if (empty)
tasklet_schedule(&tsq->tasklet);
break;
}
return HRTIMER_NORESTART;
}
四、TSQ阻塞处理
以上的tasklet_schedule调用了初始化时注册的tcp_tasklet_func函数。如下，在其处理过程中，首先从TSQ队列中移除套接口，清除其TSQ_QUEUE入队标志。其次如果此套接口未设置TCP_TSQ_DEFERRED标志，表明其已经在tcp_write_xmit发送函数中得到处理，此处不再处理。否则，如果此套接口没有被用户层系统调用锁定，调用TSQ核心处理函数tcp_tsq_handler处理。
static void tcp_tasklet_func(unsigned long data)
{
struct tsq_tasklet *tsq = (struct tsq_tasklet *)data;
local_irq_save(flags);
list_splice_init(&tsq->head, &list);
local_irq_restore(flags);
list_for_each_safe(q, n, &list) {
tp = list_entry(q, struct tcp_sock, tsq_node);
list_del(&tp->tsq_node);
sk = (struct sock *)tp;
smp_mb__before_atomic();
clear_bit(TSQ_QUEUED, &sk->sk_tsq_flags);
if (!sk->sk_lock.owned && test_bit(TCP_TSQ_DEFERRED, &sk->sk_tsq_flags)) {
bh_lock_sock(sk);
if (!sock_owned_by_user(sk)) {
clear_bit(TCP_TSQ_DEFERRED, &sk->sk_tsq_flags);
tcp_tsq_handler(sk);
}
bh_unlock_sock(sk);
}
sk_free(sk);
}
}
TSQ的核心处理函数tcp_tsq_handler，负责重新调用TCP的发送或者重传函数。
static void tcp_tsq_handler(struct sock *sk)
{
if ((1 << sk->sk_state) &
(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_FIN_WAIT1 | TCPF_CLOSING | TCPF_CLOSE_WAIT | TCPF_LAST_ACK)) {
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
if (tp->lost_out > tp->retrans_out && tp->snd_cwnd > tcp_packets_in_flight(tp)) {
tcp_mstamp_refresh(tp);
tcp_xmit_retransmit_queue(sk);
}
tcp_write_xmit(sk, tcp_current_mss(sk), tp->nonagle, 0, GFP_ATOMIC);
}
}
五、TSQ延迟处理
如果在以上的操作中，由于用户层正在执行套接口相关的系统调用，导致未能进行。将在用户层系统调用退出时，在套接口释放函数中tcp_release_cb，根据标志TCPF_TSQ_DEFERRED的判断，执行TSQ函数tcp_tsq_handler。
void tcp_release_cb(struct sock *sk)
{
do {
flags = sk->sk_tsq_flags;
if (!(flags & TCP_DEFERRED_ALL))
return;
nflags = flags & ~TCP_DEFERRED_ALL;
} while (cmpxchg(&sk->sk_tsq_flags, flags, nflags) != flags);
if (flags & TCPF_TSQ_DEFERRED)
tcp_tsq_handler(sk);
}
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