正文
显式拥塞通告（ECN）及其在Linux上的实现
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1 ECN简介
首先看看ECN握手报文的特点，根据RFC3168，ECN握手报文IP头部不能够设置ECT和CE位的
SYN报文TCP标志字段的CWR和ECE位被置1
SYN-ACK报文的CWR位被置0，ECE位被置1
报文在网络上传输的过程中，如果路由器判断自身发生拥塞则在报文的IP首部设置CE标志
服务器端在接收到有CE标志的报文后，立即构造带有ECE标志的ACK报文，服务器端在接收到该ACK报文后进入TCP_CA_CWR状态，在该状态下发送窗口每两个ACK减1。
发生拥塞之前的报文都被确认后，客户端会走出TCP_CA_CWR状态，转入TCP_CA_Open状态，重新开始拥塞避免，并向服务端发送CWR标志，终止服务端向客户端发送ECE报文。
2 ECN在Linux上的实现
以下所有分析基于Linux内核3.16.38
Linux内核通过调整tcp_sock结构体的ecn_flags来标识ECN所处的状态，在文件include/net/tcp.h, line 393内，Linux定义了ECN可能的4种状态，本文将通过这4中状态的转化把ECN从协议栈中肢解出来。
#define TCP_ECN_OK 1 //套接字支持ECN协议
#define TCP_ECN_QUEUE_CWR 2 //发送端在接收到ECE报文后，设置该标志，并将拥塞状态机设置为TCP_CA_CWR状态
#define TCP_ECN_DEMAND_CWR 4 //接收端处于该状态，将在所有ACK报文中添加ECE，直到接收到CWR报文
#define TCP_ECN_SEEN 8 //是否接收到过ECT报文
2.1 实现握手
STEP1 ： 客户端发送SYN，用户态程序调用connect后，内核态通过 tcp_connect 构造SYN报文， tcp_connect 会调用 TCP_ECN_send_syn 函数，该函数通过系统配置sysctl_tcp_ecn判断是否启用了ECN协议，如果启用了ECN协议，则在SYN报文中添加ECE和CWR标志，并临时设置该套接字为TCP_ECN_OK，这里说临时的原因为在ECN握手失败后，该标志还可能被取消。
/* Build a SYN and send it off. */
int tcp_connect(struct sock *sk)
{
...
TCP_ECN_send_syn(sk, buff); ...
}
/* Packet ECN state for a SYN. */
static inline void TCP_ECN_send_syn(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); tp->ecn_flags = ;
if (sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_ecn == ) { //通过 /proc/sys/net/ipv4/tcp_ecn进行配置
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags |= TCPHDR_ECE | TCPHDR_CWR; //SYN报文需要添加ECE和CWR
tp->ecn_flags = TCP_ECN_OK; //握手阶段ecn_flags设为支持ECN通信，如果握手失败TCP_ECN_OK会被取消
}
}
STEP2 ： 服务端处理SYN， tcp_rcv_state_process 函数是接收数据时TCP层上的必经之路，它会根据报文类型调用不同函数来处理，所有握手报文都会交给 tcp_v4_conn_request ，而 tcp_v4_conn_request 又会调用 TCP_ECN_create_request 进行ECN-SYN报文，当SYN报文符合ECN-SYN标准时，套接字添加支持ECN标识。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
const struct tcphdr *th, unsigned int len)
{
...
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE:
goto discard; case TCP_LISTEN:
if (th->ack)
return ; if (th->rst)
goto discard; if (th->syn) {
if (th->fin)
goto discard;
if (icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) < ) //调用tcp_v4_conn_request
return ; kfree_skb(skb);
return ;
}
goto discard;
...
case TCP_SYN_SENT:
5663 queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len);
}
int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
...
if (!want_cookie || tmp_opt.tstamp_ok)
TCP_ECN_create_request(req, skb, sock_net(sk));
... }
static inline void
TCP_ECN_create_request(struct request_sock *req, const struct sk_buff *skb,
struct net *net)
{
const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb); if (net->ipv4.sysctl_tcp_ecn && th->ece && th->cwr && //服务端也配置了ECN，同时SYN报文中函授ECE和CWR
INET_ECN_is_not_ect(TCP_SKB_CB(skb)->ip_dsfield))
inet_rsk(req)->ecn_ok = ; //套接字设置支持ECN标识
}
STEP3 ： 客户端处理SYN-ACK报文，首先调用 tcp_rcv_synsent_state_process ，继而调用 TCP_ECN_rcv_synack 来完成ECN握手。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
const struct tcphdr *th, unsigned int len)
{ ...
case TCP_SYN_SENT:
queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len);
}
...
5672 }
static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
const struct tcphdr *th, unsigned int len)
{
...
TCP_ECN_rcv_synack(tp, th);
... }
static inline void TCP_ECN_rcv_synack(struct tcp_sock *tp, const struct tcphdr *th)
{
if ((tp->ecn_flags & TCP_ECN_OK) && (!th->ece || th->cwr)) //SYN-ACK报文含有CWR或不含ECE则握手失败，客户端撤销TCP_ECN_OK
tp->ecn_flags &= ~TCP_ECN_OK;
}
2.2 客户端发送带有ECT的报文
所有支持ECN通信的流，在传输层 tcp_transmit_skb -> TCP_ECN_send -> INET_ECN_xmit 的流程中都会打上ECT（0）标记。
static inline void TCP_ECN_send(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
int tcp_header_len)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_OK) { //ECN通信添加ECT
/* Not-retransmitted data segment: set ECT and inject CWR. */
if (skb->len != tcp_header_len &&
!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->snd_nxt)) {
INET_ECN_xmit(sk);
if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_QUEUE_CWR) {
tp->ecn_flags &= ~TCP_ECN_QUEUE_CWR;
tcp_hdr(skb)->cwr = ;
skb_shinfo(skb)->gso_type |= SKB_GSO_TCP_ECN;
}
} else {
/* ACK or retransmitted segment: clear ECT|CE */
INET_ECN_dontxmit(sk);
}
if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_DEMAND_CWR)
tcp_hdr(skb)->ece = ;
}
}
static inline void INET_ECN_xmit(struct sock *sk)
{
inet_sk(sk)->tos |= INET_ECN_ECT_0;
if (inet6_sk(sk) != NULL)
inet6_sk(sk)->tclass |= INET_ECN_ECT_0;
}
2.3 路由器处理ECT报文
根据设计思路，路由器在认为发生拥塞时，给所有支持ECN协议的流打上CE标记，然而路由器如何判断拥塞发生并没有一个统一的标准，一般来说为平滑后的队列长度超过一定阈值，以RED队列为例，它维护一个队列长度的移动平均值，在该值大于设置的阈值，之后以一定概率给过往的报文打上CE标记（没有启用ECN时为以一定概率丢弃报文）。
static int red_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch)
{
...
switch (red_action(&q->parms, &q->vars, q->vars.qavg)) { //根据平均队列长度决定如何处理报文
case RED_DONT_MARK:
break; case RED_PROB_MARK: //标记报文
sch->qstats.overlimits++;
if (!red_use_ecn(q) || !INET_ECN_set_ce(skb)) { //没有启用ECN，或者打CE标记失败则丢弃报文
q->stats.prob_drop++;
goto congestion_drop;
} q->stats.prob_mark++;
break; case RED_HARD_MARK:
sch->qstats.overlimits++;
if (red_use_harddrop(q) || !red_use_ecn(q) ||
!INET_ECN_set_ce(skb)) {
q->stats.forced_drop++;
goto congestion_drop;
} q->stats.forced_mark++;
break;
}
... }
2.4 服务器端处理CE报文
服务器端在收到带有CE标志的IP报文后，将套接字结构体tp->ecn_flags置TCP_ECN_DEMAND_CWR，并进入quick ack模式，之后所有ack报文都置有ECE标志，直到接收端接收到CWR报文后，取消TCP_ECN_DEMAND_CWR。
STEP1 ： 转入TCP_ECN_DEMAND_CWR状态。具体流程为 tcp_rcv_established -> tcp_event_data_recv -> TCP_ECN_check_ce ，在TCP_ECN_check_ce中检查报文是否包含CE标记，在遇到CE标记时转入TCP_ECN_DEMAND_CWR状态。
static inline void TCP_ECN_check_ce(struct tcp_sock *tp, const struct sk_buff *skb)
{
if (!(tp->ecn_flags & TCP_ECN_OK))
return; switch (TCP_SKB_CB(skb)->ip_dsfield & INET_ECN_MASK) {
case INET_ECN_NOT_ECT:
/* Funny extension: if ECT is not set on a segment,
228 * and we already seen ECT on a previous segment,
229 * it is probably a retransmit.
230 */
if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_SEEN)
tcp_enter_quickack_mode((struct sock *)tp);
break;
case INET_ECN_CE:
if (!(tp->ecn_flags & TCP_ECN_DEMAND_CWR)) {
/* Better not delay acks, sender can have a very low cwnd */
tcp_enter_quickack_mode((struct sock *)tp); //进入quick ack模式，立即构造ack报文
tp->ecn_flags |= TCP_ECN_DEMAND_CWR; //在ecn_flags中添加TCP_ECN_DEMAND_CWR状态
}
/* fallinto */
default:
tp->ecn_flags |= TCP_ECN_SEEN;
}
}
STEP2 ： 构造ECE - ACK。在构造ACK报文时， tcp_transmit_skb 调用 TCP_ECN_send 来判断是否处于TCP_ECN_DEMAND_CWR状态，并决定是否在ACK报文中添加ECE标志。
static inline void TCP_ECN_send(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
int tcp_header_len)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_OK) {
/* Not-retransmitted data segment: set ECT and inject CWR. */
if (skb->len != tcp_header_len &&
!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->snd_nxt)) {
INET_ECN_xmit(sk);
if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_QUEUE_CWR) {
tp->ecn_flags &= ~TCP_ECN_QUEUE_CWR;
tcp_hdr(skb)->cwr = ;
skb_shinfo(skb)->gso_type |= SKB_GSO_TCP_ECN;
}
} else {
/* ACK or retransmitted segment: clear ECT|CE */
INET_ECN_dontxmit(sk);
}
if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_DEMAND_CWR) //在CWR状态时，给ACK报文添加ece标志
tcp_hdr(skb)->ece = ;
}
}
STEP3 ： 退出TCP_ECN_DEMAND_CWR状态。具体流程为 tcp_rcv_established -> tcp_data_queue -> TCP_ECN_accept_cwr ，在 TCP_ECN_accept_cwr 中，判断接收到的报文中是否有CWR标志，并决定是否退出TCP_ECN_DEMAND_CWR状态。
static inline void TCP_ECN_accept_cwr(struct tcp_sock *tp, const struct sk_buff *skb)
{
if (tcp_hdr(skb)->cwr) //退出TCP_ECN_DEMAND_CWR状态
tp->ecn_flags &= ~TCP_ECN_DEMAND_CWR;
}
2.5 客户端处理ECE报文
客户端首先要根据ACK报文中的ECE调整TCP拥塞状态机到TCP_CA_CWR状态，并开始减小发送窗口，在拥塞发生之前的所有报文都被确认后，恢复TCP_CA_Open状态，并向服务器端发送CWR终止服务器端的TCP_ECN_DEMAND_CWR，结束整个流程。
STEP1 ： 处理ACK报文，并确定是否包含ECE标志，流程为 tcp_rcv_established -> tcp_ack 。
static int tcp_ack(struct sock *sk, const struct sk_buff *skb, int flag)
{
...
if (!(flag & FLAG_SLOWPATH) && after(ack, prior_snd_una)) {
...
} else {
if (ack_seq != TCP_SKB_CB(skb)->end_seq)
flag |= FLAG_DATA;
else
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPPUREACKS); flag |= tcp_ack_update_window(sk, skb, ack, ack_seq); if (TCP_SKB_CB(skb)->sacked)
flag |= tcp_sacktag_write_queue(sk, skb, prior_snd_una,
&sack_rtt_us); if (TCP_ECN_rcv_ecn_echo(tp, tcp_hdr(skb))) //确定ACK报文是否含有ECE标志
flag |= FLAG_ECE; tcp_ca_event(sk, CA_EVENT_SLOW_ACK);
}
...
}
STEP2 : 调整拥塞控制状态机。具体流程为 tcp_rcv_established -> tcp_ack -> tcp_fastretrans_alert -> tcp_try_to_open ，其中 tcp_fastretrans_alert 函数为整个TCP拥塞控制状态机的核心，而 tcp_try_to_open 函数则根据flag中是否包含FLAG_ECE标志，确定是否将拥塞状态机调整为TCP_CA_CWR状态。拥塞控制状态机进入TCP_CA_CWR状态后，协议栈需要调用 tcp_enter_cwr 函数来保存当前snd_nxt等重要的变量，之后发送窗口大致为每两个ack减1。
static void tcp_try_to_open(struct sock *sk, int flag, const int prior_unsacked)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); tcp_verify_left_out(tp); if (!tcp_any_retrans_done(sk))
tp->retrans_stamp = ; if (flag & FLAG_ECE) //将拥塞控制状态机从OPEN或REORDER状态调整为CWR状态
tcp_enter_cwr(sk, ); if (inet_csk(sk)->icsk_ca_state != TCP_CA_CWR) {
tcp_try_keep_open(sk);
} else {
tcp_cwnd_reduction(sk, prior_unsacked, );
}
}
STEP3 : 退出CWR状态。上面介绍过Linux的拥塞控制状态机主要由 tcp_fastretrans_alert 控制，在STEP2中记录的snd_nxt之前的报文都被确认后，拥塞状态机也将退出TCP_CA_CWR状态，并转入TCP_CA_Open状态。
static void tcp_fastretrans_alert(struct sock *sk, const int acked,
const int prior_unsacked,
bool is_dupack, int flag)
{
...
/* D. Check state exit conditions. State can be terminated
2802 * when high_seq is ACKed. */
if (icsk->icsk_ca_state == TCP_CA_Open) {
WARN_ON(tp->retrans_out != );
tp->retrans_stamp = ;
} else if (!before(tp->snd_una, tp->high_seq)) {
switch (icsk->icsk_ca_state) {
case TCP_CA_CWR:
/* CWR is to be held something *above* high_seq
2810 * is ACKed for CWR bit to reach receiver. */
if (tp->snd_una != tp->high_seq) { //退出TCP_CA_Cwr
tcp_end_cwnd_reduction(sk);
tcp_set_ca_state(sk, TCP_CA_Open);
}
break; ...
}
}
...
}
