[网络协议]TCP Illinois 与 TCP Highspeed

TCP Illinois (TCP 伊利诺斯)是一个自适应 AIMD 算法：

http://tamerbasar.csl.illinois.edu/LiuBasarSrikantPerfEvalArtJun2008.pdf

其典型特征：

• Loss 作为 primary signal 控制 AIMD 方向，Delay 作为 secondary signal 控制 AIMD 程度。
• Delay 越大，AI 参数 α 越小。
• Delay 越大，MD 参数 β 越大。

设 Davg 为 RTT 均值，Illinois 实现非常简单：

• $\alpha =f1(D_{avg})$ 为 $D_{avg}$ 的减函数。
• $\beta =f2(D_{avg})$ 为 $D_{avg}$ 的增函数。

因此 Illinois 的 cwnd 曲线总体上是上凹的。

接下来看 cwnd(后面记为 W)具体的上凹形态。

需判定 α 变化率的走向，即其导数，有三种：

• 随 Delay 增加， α 降速先快后慢。
• 随 Delay 增加， α 匀速降低。
• 随 Delay 增加， α 降速先慢后快。

考虑到三种变化规律单调均匀，可排除匀速。随着 Delay 的增加，拥塞程度增加，加速比降低，选择第一种是高尚的，可保证在拥塞严重到即将丢包的后期，AI 增窗既小又平稳。

α 函数选择双曲线下凸的一支，而不是上凸的那一支，也不是直线，无疑是高尚的。至于 α 的函数表达式，根据双曲线上两点 $P1(d_1,{\alpha }_{max})$ ， $P2(d_m,{\alpha }_{min})$ ，有一蔟曲线满足，选一条即可。

大致如下图：

Wiki 主页上的一幅图展示了 Illinois 高效。
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漕河泾算法和 Illinois 类似，不同在于漕河泾算法以 delivery rate 而非 Delay 为 singal，因为 delivery rate 更准确，甚至不用设计 f1 和 f2 ，直接利用下列推论即可：

• 拥塞程度越高，delivery rate 加速比越小，直至转为 decreasing。
• 拥塞程度越低，delivery rate 加速比越大，保持 increasing 或转为 increasing。

我本想将 TCP Illinois 改为 delivery rate based，没动手的原因在于改了之后就和漕河泾算法一致了。漕河泾算法也有一版 cwnd-based，也是 AIMD。

再说一个算法，TCP highspeed，去年过年时写过一个分析：漫谈TCP High Speed与TCP Africa(TCP China)，它大致的想法也是简单：

• 带宽越高，W 越大，AI 越大，MD 越小。

本质上也是可变 AIMD 参数， AI 参数渐增，MD 参数渐减，但它们不是 Delay 的函数，而是 cwnd 的函数：

• $\alpha =f1(W)$ 为窗口 W 的减函数。
• $\beta =f2(W)$ 为窗口 W 的增函数。

不同点在于，W 和 Loss 并非正交，而是相关的：

• W 是连续递增的，若要更高的 W，必须持续足够久的时间不丢包从而有足够高的 W 作为基础。

so，在随机或连续丢包的场景下，highspeed 的带宽利用率不如 Illinois。但若 highspeed 不引入 Delay 探测，仅凭 ACK 到达无法区分拥塞丢包和噪声丢包，说到底还是信息不足，可如果加入了 Delay 探测，就和 Illinois 一样了，说到底 AIMD 最终都是一回事，输入信息量不同而已。

关于拥塞控制算法的分类，长久以来按照 Loss-based，Delay-based 维度分类，Illinois 算是二者的混合。

曾经做过一个 cugas(或叫 vebic) 的算法，即 cubic + vegas 的混合，但在细节中两个算法是独立起作用并辅助另一个，二者交替作为 primary，secondary control，类似 bloom 多个 filter 共同确认的机制来判断拥塞。

Illinois 和 cugas 不同点在于，Loss 和 Delay 交融起作用，一起完成 AIMD。用 Delay 度量 AIMD，粒度更细，和传统 Loss-based AIMD 相比，Delay 作为新输入，增加了信息量，提高了决策精度。

虽然 TCP Illinois 已经出来很久了，但这无疑是一种新样式儿。

直到现在，BBR 仍被很多人认为是真正 Delay-based 算法，即便它自称 model-based 也没用，似乎人们只认 Loss-based 和 Delay-based。BBRv2 加强了对丢包的反应，它是不是能被归到 compound 一类呢？

真实情况是，不要轻易分类，分类出了禁锢思想告诉你不能怎样之外，没什么好处，正如文科生也可以解微分方程，理科生也能写散文一样。

端到端传输协议的拥塞控制，用得最多的就是 AIMD，万变不离其宗的 AIMD，它和 Loss-based 基本相一致。细分常见的拥塞控制算法，BIC/CUBIC 几乎就是 Reno，HSTCP，HTCP，TCP Illinois，TCP Westwood 无非是细化了 AIMD 的细致行为，或者粒度更细致，或者控制信息更充足，最为典型的就是 TCP Illinois 和 TCP HighSpeed 了，前者是启发式，后者是查表，值得揣摩。因此写一篇文字。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。