BBR 拥塞控制算法

BBR: Bottleneck Bandwidth and RTT

BBR 发明的目的是解决2个问题。

• 在有一定丢包率的网络链路上充分利用带宽
• 降低网络链路上的buffer占用率，降低延迟。

BBR 原理 使用极大带宽和极小延迟的乘积作为发送窗口大小。

其他拥塞算法原理

所有拥塞算法目标都是最大化利用网络上瓶颈链路的带宽，通常办法是不断增加数据量，直到发生丢包或者延迟增大等这些信号表明当前带宽已经使用100%。 GCC等其他算法都是基于某些信号认为网络发生拥塞，例如丢包。

网络链路上能容纳的数据量=链路带宽×往返时延 但是常用的标准TCP拥塞控制算法的问题在于：

1. 网络上丢包不都是拥塞导致的，可能是传输错误导致的丢包，如果因为传输错误的丢包影响算法对带宽的评估，是失败的。
2. 网络中的缓冲区buffer会被计算在内被占用，计算出的带宽=真实带宽+buffer大小， 问题称为buffrbloat （缓冲区膨胀）

缓冲区膨胀问题：

• 增加网络延迟， buffer东西越多，排队时间越长
• 共享网络瓶颈的连接较多时，可能导致缓冲区被填满而丢包，被误认为发生拥塞。 这个地方有点不理解

BBR和常规算法区别

1. 既然区分不了拥塞丢包和错误丢包，就不考虑丢包这个信号
2. 不断加快数据发送量，容易产生缓冲区膨胀，就单独估计带宽和延迟，而不是简单加快发送数据量。

BBR算法步骤

BBR分为3个阶段

• 慢启动：增加数据量，计算最大发送窗口
• 排空阶段：清空数据量，基本不发数据，计算最低延迟
• 稳定阶段：交替探测带宽和延迟

下图是发送速率(发送窗口)和时延与网络中的数据量关系

随着数据量增加，发送速率达到最高点100%即达到真实带宽，再继续增加数据量会占用buffer而不会增加发送率，RTT在发送率到达100%之前都是最小值，超过后开始产生延迟，且越来越高，直到buffer溢出发生丢包。

BBR会在窗口1和窗口2之间停下，会超过真实带宽单但没到丢包。 基于丢包的标准TCP会在窗口2停下，直到丢包才停止。

所以BBR需要计算的就是蓝色和绿色的转折点，分别代表最低延迟和最大发送窗口。

计算最大发送窗口(带宽探测)

刚开始时采用慢启动，每个包都会收到ACK，当发现通过i计算ACK得到的带宽 没有因为增加发送率而增加时，就知道此时已经占用了buffer，开始结束第一阶段，得到的值是3倍bandwight。

计算最低延迟（排空阶段）

因为要计算最低延迟，需要将inflight数据清空，发送极少数据才能保证RTT是极小值. 指数降低发送速率，buffer被慢慢排空，把上一个阶段占用的2倍bandwight的buffer消耗掉，直到延迟不再降低，则为最小延迟(因为buffer的存在说明有数据在排队，会增加延迟)。

稳定阶段

以8个往返为周期，第一个往返时间里，BBR增加为1.25倍的发包率，在第二个时间里，降低为0.85的发包率。后面6个往返里使用估计的带宽发包。 这里主要是带宽探测任务，

BBR每过10s ，如果最小延迟没有变化，就进入探测阶段，持续时间200ms， 发送窗口固定4个包，用来探测最小延迟作为新的延迟估计。大约2%的时间BBR用极低的发包率来测量延迟

性能评估

BBR对于带宽变化的响应

大部分时间内带宽的变化比延迟变化更频繁，BBR绝大多数时间都处于带宽探测阶段 *蓝色是延迟，绿色是inflight数量* 当带宽增长一倍时，BBR会每个周期向上探测1.25倍，大概3个周期后就能达到增长后的带宽。

当带宽降低一半时，多出来的包占用了buffer，导致延迟显著增加，但是延迟采用的是不发包测得的极小值，对于刚刚实际延迟增加没有影响。 带宽估计 是使用一段滑动窗口内的极大值，滑动窗口是多个往返周期，所以需要等当前任务滑出窗口后，发送窗口减半，估计带宽降低一半，发送包速率键盘，buffer被排空，延迟才会缓慢下降。

带宽增加一倍，BBR用时1.5s收敛; 带宽降低一半，BBR用时4s收敛;

BBR与标准TCP效果比对

BBR 要解决的第一个问题，丢包错误导致误判拥塞问题。 只要有0.01%丢包率，标准TCP带宽只剩下30%。 0.1%丢包率TCP带宽只有10%。1%丢包率几乎停滞。 而BBR在5%以下几乎没有带宽损失， 15%时仍然有75%带宽

BBR 要解决的第二个问题，降低延迟，减少缓冲区膨胀。 TCP倾向于填满缓冲区，延迟就越高，当用户网络接入速度很慢时，延迟可能超过造成连接失败。 BBR不会占用多于的缓冲区，会有单独的延迟探测阶段可以避免这个问题