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Understand the Performance of Pacing

这篇文章给出了对于TCP Pacing技术的详细评测分析结果。
对于pacing想要解决的问题和实际效果给出了详细的实验数据分析，是理解pacing
技术的一篇很好的入门文章。

1. What is Pacing ?

TCP的数据发送目前有三种策略：
a. ACK-Clocking: 这是Linux TCP/IP协议栈现有的实现策略。每一个数据包的发送
都是由收到的确认包触发的。当数据确认包ACK由于网络拥塞无法及时达到发送端时，
发送方是不会发送数据的，除非timeout。总的来说就是，ack控制数据发送的时机，
min(cwnd, rwnd)控制发送数据的多少。

b. Rate-based: pure的rate-based的方法使用一个估计的瓶颈链路带宽rate来控制
数据发送的多少和时机。

c. Pacing: pacing算是以上两种方法的一个hybrid。pure的rate-based的方法最大的
缺点就是可能造成瓶颈链路的over-subscribed，而不能及时的发现。而在Pacing方法
中，发送数据量的多少还是由min(cwnd, rwnd)控制，而数据的发送时机则由timer控制。
timer控制的目的就是保证在一个RTT内，数据是比较平滑的发送出去的。

why needs pacing ?

Pacing的提出主要是为了解决传统协议栈中存在的bursty transmission的情况。
文章总结的TCP中可能产生burst的情况有： 

a. Slow Start：慢启动阶段cwnd的增长是指数级的  
b. Losses: 当rwnd用完后，在丢包发生时无法发送新数据，重传结束后会引发burst。  
  Note: 这种burst可以用opportunistic retransmission 解决 :)  
c. ACK Compression: 当存在双向的数据流时，ACK包可能会在瓶颈链路中排队，破坏ack-clocking机制。  
d. Multiplexing: 当多条流共享一个高速瓶颈链路时，尽管同一条流数据包可能到达瓶颈链路的时间不同(细小的维持ack-clocking的gap)，但当数据包经历在瓶颈链路排队后，维持ack-clocking的gap被完全的破坏了。最终导致的结果就是数据包的发送都是突发性的。

Results

Pacing的实现： 

Timeouts are scheduled at regular intervals of duration RTT/window.  
A packet is transmitted from the window whenever the timer fires.

单条流的情况： 

a. 当瓶颈链路buffer小于BDP时，reno会更早的遭遇丢包，因此pacing在throughput方面表现更好  
b. 当瓶颈链路buffer超过BDP时，pacing的throughput更差，这主要是由于pacing会delay congestion signal

多条流的情况： 

a. 在initial period，reno反而性能更好。主要是pacing流几乎同时丢包造成的性能下降，即synchronization effect现象。  
    synchronization effect：pacing流由于将数据包打散，当瓶颈链路buffer溢出时，  
    许多pacing流都会产生丢包，进而许多pacing流都会下降cwnd。  
    而reno由于数据包相对是以burst的形式发送的，要么有一条流丢很多包，  
    要么可能某些流一个包都不丢。 

b. 在steady state，pacing反而性能更好。主要是de-synchronization effect现象导致的。  
    de-synchronization effect：在稳定状态，Reno每个RTT会将cwnd加1。  
    在buffer用满后，每个Reno流多发的这个数据包(burst最后一个包)很大概率就会drop。  
    而pacing由于将数据包打散了，丢包的发生有一定的随机性。对于单条pacing流而言就可能没有包被drop

参考资料

Understanding the Performance of TCP Pacing, INFOCOM’2000