BBR 的 buffer 动力学观感

这周很忙，今天还加了一天班，但还是抽空实现了五一在安徽泾县山区喝着一壶酒写的 BBR ProbeRTT 的想法，没多少行代码，它真就消除了带宽锯齿，皮了个鞋👞，昨天我还在群里说了今天再说说 BBR 的，回到家就作图作文了。

去年夏天，我花了些精力量化 BBR 动力学，并给出一些相图以及收敛方程的数值解，但数学也只是描述而非解释，就像牛顿定律只能描述万有引力却无法解释引力的由来(任何理论都无法解释)一样。所以这个话题要不断推敲，常看常新，搞不好就有新思路了。

BBR 动力学核心是收敛，归为一句话就是 “带宽越大 Probe 加速比越小”，这句话是收敛的原因，进一步通俗解释，大的想更大更难，是为边际收益递减，小的想更大也难，但边际收益单调递减，却仍高于大的，相对而言其加速比就更大。buffer 动力学解释，即小流 Probe 的结果比大流的更大，大流就表现出净损而让给小流了。

《道德经》里早有论述，“天之道，损有余而补不足”，看来这是天道，容不得解释。而 “人之道则不然，损不足以奉有余”，则与《新约 · 马太福音》相呼应了。

我也常常提到 “矩”，它是一个乘积，与一个值不同的是，它体现了两个维度的胶合，两个维度的矩针对一个维度的值，其结果就是边际收益递减了，因为两个维度的伸缩比例并不常一致，所谓矩的效应，就比如面积相同而周长不等，或周长相同而面积各异，正如力和力臂，矩不变，但费料不同。

套用解释 buffer 动力学，BDP 就是挤出带宽的矩，BBR 靠 1.25 倍增益来体现边际收益递减，直到当它继续再减下去时，对方也要跟着减下去，这时候收敛到公平，方可停止，惊奇的是，这件事确实自然发生。

5 月 2 日晚，我在安徽宣城写了一篇 BBR ProbeRTT 新改，提出一个新思路，近日测试，是那么回事。我大致说的是，BBR 一定需要借宿于 buffer 中收敛到公平，为守其初衷，却又要 ProbeRTT，但原生 ProbeRTT 的假设太苛刻，对全局同步过度依赖，这境况在强弱不等的持续统计波动中未必能保持，何不哺其糟而歠其醨，将自己因 Probe 而建立的 queue 吐出即可。

我模仿 Jaffe’s style，用四则混合运算描述 BBR buffer 动力学，基于表达式推出一个结论，基于该结论给出上述 ProbeRTT 描述，即刻取消 BBR 由于 ProbeRTT 导致的邪恶带宽锯齿(BBR 终于摆脱了 cwnd 锯齿，却为何还要面对 bw 锯齿)。

设总带宽为 1，流 1 带宽为 x，则流 2 带宽则为 1 - x，以 ProbeBW 之 ProbeUP phase 论，流 1 和流 1 的带宽增量表示为：

$f_1(x)=\dfrac{\mathrm{g}\cdot x}{\mathrm{g}\cdot x+1-x}-\dfrac{x}{x+1-x}$

$f_2(x)=\dfrac{\mathrm{g}\cdot (1-x)}{\mathrm{g}\cdot (1-x)+x}-\dfrac{(1-x)}{(1-x)+x}$

不必化简，直接画图：
在这里插入图片描述

最下面灰线是 f1(x) - f2(x)，可清晰看出 x = 0.5 的分水岭，当 x < 0.5，f1(x) 属小流带宽演进，f2(x) 属大流带宽演进，小流挤压大流带宽，反之亦然。

这也不难直观理解，以 AIMD 为例，当 x，y 分别为两流不同的初始 cwnd 时，设 x < y，那么 $\dfrac{x+L}{y+L}$ 当 L 越大，值越趋向 1 收敛到公平，即只要 additive increase 一直持续，总会收敛，BBR 同样，每次 Probe 都会堆一小丢丢 queue，大流堆的少，小流堆得更多些， $\dfrac{x+L_{bigger}}{y+L_{smaller}}$ 看起来要比 AIMD 更快趋向 1，但 L 都超级小(如图所示，我还特意缩放了坐标比例)，总体上还是 AIMD 应有的收敛速度。

f1(x)，f2(x) 显然关于 x = 0.5 对称，它们之做差结果显示了 “损有余而补不足” 的过程，该过程强度逐渐收缓(如图绿蓝线之间的间隙)，直至两者再无差异，它们与 x = 0.5 相交的此点即稳定点，它是不动点。

依照上述 5 月 2 日的 ProbeRTT 方法，释放自己堆积的 queue，在上图的意义就是分别求绿线 x 到 0.5 以及蓝线 0.5 到 1 - x 的积分，肉眼观测，面积是相等的，大差不差一个相位。

现在演示一下实际上是不是这样：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import random

x0 = 0.2  
y0 = 0.8 
g = 1.25  
bx, by = 0, 0
R = 2
C = 1

num_steps = 500
t = np.arange(num_steps)  

# 带宽
x = np.zeros(num_steps)
y = np.zeros(num_steps)
# BDP
Bx = np.zeros(num_steps)
By = np.zeros(num_steps)
# RTwait
r = np.zeros(num_steps)
# 自己堆占的 queue
Ax = np.zeros(num_steps)
Ay = np.zeros(num_steps)
# 自己堆栈 queue 的平均
sAx = np.zeros(num_steps)
sAy = np.zeros(num_steps)


x[0] = x0
y[0] = y0
r[0] = 0

Bx[0], By[0] = x0, y0
Ax[0], Ay[0], sAx[0], sAy[0] = 0, 0, 0, 0
nx, ny = random.randint(5, 15), random.randint(5, 15)

for i in range(1, num_steps):
    if i > 150:
        C = 5
    if i > 350:
        C = 0.2
    dec = 0
    x[i] = C * (g * x[i-1]) / (g * x[i-1] + y[i-1]) 
    tx = C * x[i-1] / (x[i-1] + y[i-1])
    bx += R * (x[i] - tx)
    if i % nx == 0: # x 随意 ProbeRTT，不再依赖同步
        dec += bx
        bx = 0      # 退掉自己 Probe 造成的 queue，堆多少退多少
        nx = random.randint(5, 15)
    Ax[i] = bx
    sAx[i] = 0.9 * sAx[i-1] + 0.1 * bx
    #y[i-1] = C - x[i]   # 忘记 max-filter bw
    y[i] = C * (g * y[i-1]) / (g * y[i-1] + x[i])  
    ty = C * y[i-1]/(y[i-1] + x[i])
    by += R * (y[i] - ty)
    if i % ny == 0: # y 随意 ProbeRTT，不再依赖同步
        dec += by
        by = 0      # 退掉自己 Probe 造成的 queue，堆多少退多少
        ny = random.randint(5, 15)
    Ay[i] = by
    sAy[i] = 0.9 * sAy[i-1] + 0.1 * by
    #x[i] = C - y[i]  # 忘记 max-filter bw

    r[i] = (((x[i] + y[i]) * R) + bx + by- dec) / C - R
    if r[i] < 0:
        r[i] = 0
    Bx[i] = r[i] * x[i]
    By[i] = r[i] * y[i]

fig, (ax1, ax2, ax3) = plt.subplots(3, 1, figsize=(8, 6))

ax1.plot(t, r, label='rtt(t)', color='green')

ax1.plot(t, x, label='bw_x(t)', linestyle=':', color='blue')
ax1.plot(t, y, label='bw_y(t)', linestyle=':', color='red')
ax2.plot(t, Bx, label='bdp_x(t)', linestyle=':')
ax2.plot(t, By, label='bdp_y(t)', linestyle=':')
ax3.plot(t, Ax, label='buf_x(t)', linestyle=':')
ax3.plot(t, Ay, label='buf_y(t)', linestyle=':')
ax3.plot(t, sAx, label='avg_buf_x(t)', linestyle='-')
ax3.plot(t, sAy, label='avg_buf_y(t)', linestyle='-')
ax1.set_xlabel('t')
ax1.set_ylabel('v')
ax2.set_xlabel('t')
ax2.set_ylabel('BDP')
ax2.set_xlabel('t')
ax2.set_ylabel('total buffer')
ax1.legend()
ax1.grid(True)
ax2.legend()
ax2.grid(True)
ax3.legend()
ax3.grid(True)
plt.show()

给出几个结局：
在这里插入图片描述

观测到的现象是：

total buffer 写错了，应该去掉，因为已经有了图例；
RTT 总体在一个很小范围内波动，视 ProbeRTT 平均期望窗口而定，窗口越大，RTT 振幅越大；
bw，BDP，自己堆积 queue 总体都属于统计公平状态；
BDP 随总带宽 C 而涨跌，但整体非常公平；

这才像个真实的样子，没有任何假设和约束，但却收敛到了公平。

但这里有个 BBR 细节，“为什么要在一个 max-filter bw 窗口内至少进入 Probe phase 一次”，比如 10-round 的 max-filter bw 窗口，要设计 8-round 的 ProbeBW cycle。如果将上述 python 代码的两行 “忘记 max-filter bw” 注释放开，结局如下：
在这里插入图片描述

这个结果写出递推式就能看明白，完全不必分析不动点和相图。

最后，给出完全由 buffer 动力学驱动而不是照着 “算法” 临摹的实际效果。还是先给出仿真代码：

for i in range(1, num_steps):
    if i > 150:
        C = 5
    if i > 350:
        C = 0.2
    dec = 0
    # 根据 buffer 占比求带宽
    x[i] = C * (g * x[i-1] * R) / (g * x[i-1] * R + y[i-1] * (r[i-1] + R)) 
    # 如果不 probe 的带宽
    tx = C * x[i-1] * (r[i-1] + R) / (x[i-1] * (r[i-1] + R) + y[i-1] * (r[i-1] + R))
    bx += R * (x[i] - tx)
    # 随机而生的 ProbeRTT，不依赖同步
    if i % nx == 0:
        dec += bx
        bx = 0
        nx = random.randint(5, 15)
    # 即时 buffer
    Ax[i] = bx
    # 即时 buffer 移动指数平均
    sAx[i] = 0.9 * sAx[i-1] + 0.1 * bx
    
    # 同 x，略
    y[i] = C * (g * y[i-1] * R) / (g * y[i-1] * R + x[i] * (r[i-1] + R))  
    ty = C * y[i-1] * (r[i-1] + R)/(y[i-1] * (r[i-1] + R) + x[i] * (r[i-1] + R))
    by += R * (y[i] - ty)
    if i % ny == 0:
        dec += by
        by = 0
        ny = random.randint(5, 15)
    Ay[i] = by
    sAy[i] = 0.9 * sAy[i-1] + 0.1 * by

    # RTwait = total_bdp / C - RTprop
    r[i] = (((x[i] + y[i]) * R) + bx + by- dec) / C - R
    if r[i] < 0:
        r[i] = 0
    Bx[i] = r[i] * x[i]
    By[i] = r[i] * y[i]