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TCP BBR 壅塞控制演算法

繼 google.com 與 YouTube 之後，Google 宣布其雲端平台將一併使用新演算法 TCP BBR。相對於目前的演算法，在 10Gb 的網路頻寬下，網路傳輸率最高可提升 2700 倍。

（圖片來源：Google Cloud Platform Blog）

什麼是 TCP BBR？

TCP BBR 的全名為 TCP Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time，是 Google 在 2017 年所提出的新型 TCP 壅塞控制演算法，在具有連網能力的電腦或行動裝置中運行，可決定資料傳輸的速度，目的在於解決網路壅塞問題。在 TCP BBR 問世前，TCP/IP 的演算法大多都是先觀測傳輸時封包是否有丟失狀況，如果有丟失則判定此為網路壅塞，而處理方式是全面降速，直到丟失的封包成功傳送為止。此舉會導致緩衝區不斷擴大，在傳輸大量資料時速度越來越慢、最後卡死。

而 BBR 主要是估計頻寬和延遲狀況，透過不斷偵測封包傳輸的錯誤率，根據總傳輸量和錯誤量的比例來決定要以多大的頻寬傳輸，降低緩衝區堵塞的狀況，進而提高傳輸速度。Google 將 BBR 應用在 YouTube 上，使全球網路平均傳輸量提升 4%，最高更達到 14%，封包往返時間減少約 33%，重新緩衝平均時間增加約 11%。

各國 Youtube 影音服務使用 TCP BBR 壅塞控制演算法後提升的網路吞吐量比較（圖片來源：Google Cloud Platform Blog）

各國 Youtube 影音服務使用 TCP BBR 壅塞控制演算法後提升的重新緩衝時間比較（圖片來源：Google Cloud Platform Blog）

各國 Youtube 影音服務使用 BBR 壅塞控制演算法後降低的封包往返時間比較（圖片來源：Google Cloud Platform Blog）

如何使用 TCP BBR？

目前 TCP BBR 已整合進 Linux Kernel 4.9 以後的版本，所有基於 Linux 核心的發行版本只要透過更新 Linux Kernel 後即可使用。

輸入指令 uname -srm，查詢 Linux 核心版本是否高於 4.9。

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uname -srm
Linux 4.15.0-22-generic x86_64

輸入指令lsmod | grep bbr，如果輸出結果沒有 tcp_bbr 的話，執行下面的指令：

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modprobe tcp_bbr
echo "tcp_bbr" >> /etc/modules-load.d/modules.conf
echo "net.core.default_qdisc=fq" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr" >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p
net.core.default_qdisc = fq
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

執行下面兩行指令，且執行結果都有顯示 tcp_bbr 時代表 BBR 已啟動。

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sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control
net.ipv4.tcp_available_congestion_control = reno cubic bbr
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

實機測試

這裡使用 DigitalOcean VPS 建立兩台 Ubuntu 18.04（Linux Kernel: 4.15），將TCP 壅塞控制演算法分別設為 BBR 與 CUBIC 來進行檔案傳輸測試。

Server

Platform: DigitalOcean Cloud VPS (2 Hosts)
Datacenter region: Singapore
CPU: Intel Xeon E5-2650 v4 @ 2.20GHz (1C2T)
RAM: 2GB
Storage: 25GB SSD
OS: Ubuntu 18.04 LTS x64
Linux Kernel Version: 4.15.0-22-generic
HTTP Server: Apache HTTP Server 2.4.29
TCP Congestion Method: BBR, CUBIC

Client

CPU: Intel Core i5-3230M @ 2.60GHz (2C4T)
RAM: 4GB
OS: Ubuntu 16.04 LTS x64

ICMP Ping

除了第 150 ~ 250 回測試時 LAN 似乎有點小狀況，其餘時段並沒有太大的差異。

HTTP Download Test

傳輸速度方面所有時段幾乎是有提升的，最佳情況下可以提升約 80%。

下圖總結一下平均表現，ICMP Ping 平均只差 1.02 ms，而下行速度平均差 52.02 Mbps（約 55.49%）。

後記

TCP BBR 不光是帶來顯著的速度提升，重要的是僅需要透過內核升級即可使用，完全不用更動現有網路架構，若系統不需要使用特定內核版本，幾乎等於無痛升級！

References:

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