《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Linux2.6的Socket網(wǎng)絡(luò)編程的性能優(yōu)化
國外電子元器件 太原理工大學(xué) 王雷 王子淘
摘要: 隨著Intenet的日益發(fā)展和普及,網(wǎng)絡(luò)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛,越來越多的嵌入式設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng)。Linux是一個源代碼公開的免費操作系統(tǒng),具有強(qiáng)移植性,所以對基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò)編程的研究越來越重要。
Abstract:
Key words :

 

    1 引言
  隨著Intenet的日益發(fā)展和普及,網(wǎng)絡(luò)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛,越來越多的嵌入式設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng)。Linux是一個源代碼公開的免費操作系統(tǒng),具有強(qiáng)移植性,所以對基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò)編程的研究越來越重要。
  Socket實際是網(wǎng)絡(luò)傳輸層供給應(yīng)用層的編程接口。傳輸層則在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上提供進(jìn)程到進(jìn)程問的邏輯通道,而應(yīng)用層的進(jìn)程則利用傳輸層向另一臺主機(jī)的某一進(jìn)程通信。Socket就是應(yīng)用層與傳輸層之間的橋梁。如圖2所示。
  使用Socket編程時可以開發(fā)客戶機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用程序,它們可以在本地網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信,也可以通過Internet在全球范圍內(nèi)進(jìn)行通信。編寫并運行 Socket的客戶端和服務(wù)器端程序,雙方通過套接字建立了服務(wù)連接請求,并且通過一些方法提高Socket的性能。
 
  2 Socket編程
  2.1 Socket類型
  常見的Socket有3種類型:
  (1)流式Socket(SOCK_STREAM)它提供可靠的通信流,使用面向連接的TCP協(xié)議,從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性:
 
  (2)數(shù)據(jù)報Socket(SOCK_DGRAM)數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進(jìn)行傳輸,是無序的,并且不保證可靠,無差錯,它定義一種面向無連接的服務(wù),使用數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP;
 
  (3)原始Socket(SOCK_RAM)它允許直接訪問底層協(xié)議,功能強(qiáng)大但使用較為不便,主要用于一些協(xié)議的開發(fā)。本編寫的Socket屬于流式Socket。
  2.2 Socket編程流程
  Socket編程采用客戶/服務(wù)器模式。因此編程分為服務(wù)器端和客戶端兩部分。
  每一個Socket都用一個半相關(guān)描述(協(xié)議,本地地址,本地端口)來表示,Socket也有一個類似于文件打開的函數(shù),該函數(shù)返回一個整型的Socket描述符,隨后建立連接,數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫纪ㄟ^Socket來實現(xiàn)。
 
  編程流程如下:服務(wù)器端首先建立Socket,返回該Socket的描述符:配置Socket的端口和IP地址;建立監(jiān)聽甬?dāng)?shù),檢測是否有客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求,若有則接收該請求,將其放到接收隊列中:從接收隊列中接受一個請求;并向客戶端發(fā)送確認(rèn)連接信息。
 
  客戶端建立一個Socket,返回該Socket的描述符;配置Socket端口和IP地址;向服務(wù)器發(fā)送連接請求,并接收服務(wù)器發(fā)回的確認(rèn)連接信息。雙方通信結(jié)束后,關(guān)閉其Socket。進(jìn)行Socket編程的基本函數(shù)有socket(),bind(),listen(),accept(), connect(),send(),recv(),close()。圖3為Socket的編程流程圖。
  2.3 程序的編譯和運行結(jié)果
  (1)在Linux的VI編輯器下編寫服務(wù)器端程序serv.c和客戶端程序clt.c。運用交叉編譯工具arm-linux-gcc,執(zhí)行編譯指令生成可執(zhí)行文件。
 
  其指令為:
  #gcc serv.c=0 serv
 
  #gcc clt.c-0 clt
 
  編譯沒有錯誤則會生成可執(zhí)行文件serv和clt。
 
  (2)配置服務(wù)器和客戶端的IP,保證網(wǎng)絡(luò)暢通,在serv.c中已將服務(wù)器的IP設(shè)置為:192.168.2.111。在客戶端的“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”中設(shè)置IP為:192.168.2.22,可以通過ping命令檢測網(wǎng)絡(luò)是否暢通。
 
  (3)在一臺計算機(jī)的終端先運行服務(wù)器程序(./serv),再在客戶端的計算機(jī)終端上運行客戶端程序(./clt 192.:168.2.1l 1)就會看到結(jié)果(Hello,Wang Lei!You are connected!);運行結(jié)果如圖4和圖5所示。如果未運行服務(wù)器程序而先運行客戶端程序?qū)⒘⒓刺崾?ldquo;Connect:Connection refused”。
        3 Socket的性能優(yōu)化
  3.1 解決多路復(fù)用
  上面的運行過程僅實現(xiàn)了一個客戶端接人,在實際情況中,人們往往遇到多個客戶端連接服務(wù)器端的情況。由于connect(),recv(),send() 都是阻塞性函數(shù),若資源沒有準(zhǔn)備好,則調(diào)用該甬?dāng)?shù)的進(jìn)程將進(jìn)入睡眠狀態(tài),無法處理I/O多路復(fù)用。在服務(wù)器端的serv.c中加入select()函數(shù),它可同時監(jiān)聽多個套接字,實現(xiàn)I/O的多路復(fù)用。
  其函數(shù)原型如下:
  該函數(shù)監(jiān)視一系列文件描述符,特別是readfds、writefds和exceptfds。如果想知道是否能從標(biāo)準(zhǔn)輸入和套接字描述符sockfd讀入數(shù)據(jù),只要將文件描述符“0”和“sockfd”加入集合readfds中。參數(shù)numfds應(yīng)等于最高文件描述符的值加1,設(shè)置該值為sockfd+ 1。因為它一定大于標(biāo)準(zhǔn)輸入的文件描述符“0”。當(dāng)函數(shù)select()返回時,readfds的值修改為反映選擇的哪個文件描述符可讀。重新編譯和運行客戶端的程序后,服務(wù)器端允許多個客戶端接入,服務(wù)器端運行結(jié)果如圖6所示。
  3.2 最小化報文傳輸?shù)难訒r

  通過TCP socket進(jìn)行通信時,數(shù)據(jù)都被拆分成數(shù)據(jù)塊,這樣它們就可以封裝到給定連接的TCP payload(指TCP數(shù)據(jù)包中的有效負(fù)荷)中。TCP payload的大小取決于幾個因素(如最大報文長度和路徑),為了達(dá)到較好的性能,應(yīng)使用盡可能多的可用數(shù)據(jù)來填充每個報文。當(dāng)沒有足夠的數(shù)據(jù)來填充 payload時(也稱為最大報文段長度maximum segment size或MSS),TCP將采用Nagle算法自動將一些小緩沖區(qū)連接到一個報文段中。這樣可以通過最小化所發(fā)送的報文的數(shù)量來提高應(yīng)用程序的效率,并減輕整體的網(wǎng)絡(luò)擁塞。
  由于這種算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,試圖構(gòu)成一個完整的TCP報文段,因此會引入一些延時。Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸很長時間只發(fā)送一些較小的報文,比如 telnet程序,它讓用戶可以與遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行交互,通常通過一個shell來進(jìn)行,如果用戶被要求用發(fā)送報文之前輸入的字符來填充某個報文段,該方法絕對不能滿足需要。再比如HTTP協(xié)議,通??蛻魴C(jī)瀏覽器會產(chǎn)生一個小請求(一條HTTP請求消息),然后Web服務(wù)器就會返回一個更大的響應(yīng)(Web頁面)。最小化傳輸延時是首要的。在這種情況中,Socket可以提供一種解決方案,即禁用Nagle算法,可設(shè)置TCP_NODELAY socket選項TCP socket禁用Nagle算法。
  使用Samba的實驗表明,在服務(wù)器上的Samba驅(qū)動器上讀取數(shù)據(jù)時,禁用Nagle算法幾乎可以加倍提高讀性能。
 
  3.3 為Bandwidth Delay Product調(diào)節(jié)TCP窗口
 
  TCP的性能取決于幾方面因素,最重要的是鏈接帶寬(link bandwidth)(報文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃俾?和往返時間(round-trip time)或RTT(發(fā)送報文與接收到另一端的響應(yīng)之間的延時)。這兩個值確定稱為BDP(Bandwidth Delay Prod-uct)的內(nèi)容。BDP給出一種簡單的方法計算理論上最優(yōu)的TCP Socket緩沖區(qū)大小(其中保存排隊等待傳輸和等待應(yīng)用程序接收的數(shù)據(jù))。緩沖區(qū)太小,TCP窗口就不能完全打開,這會限制性能;緩沖區(qū)太大,則會浪費寶貴的內(nèi)存資源;設(shè)置的緩沖區(qū)大小合適,就可完全利用可用帶寬。
 
  BDP計算公式:
 
BDP=link bandwidth×RTT
 
  若應(yīng)用程序通過一個100MB/s的局域網(wǎng)通信,其RRT為500ms,則BDP為:50MB/sx0.050/ 8625M=625KB。Linux2.6默認(rèn)的TCP窗口大小是110KB,這將連接的帶寬限制為22M/S,計算方法如下:
 
throughput=window_size/RTT
 
110 KB/0.050=2.2 MB/s
 
  使用上面計算的窗口大小,得到帶寬為12.5 MB/s,即:
 
625 KB/0 050=12.5 MB/s
 
  差別很大,并且可以為Socket提供更大的吞吐量。可以根據(jù)自己的Socket計算最優(yōu)的緩沖區(qū)大小。Socket提供幾個Socket選項,其中兩個可以用于修改Socket的發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小。使用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF選項來調(diào)整發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小。
 
  在Linux 2.6內(nèi)核中.發(fā)送緩沖區(qū)的大小由調(diào)用用戶定義,而接收緩沖區(qū)會自動加倍。通過計算合理設(shè)置緩沖區(qū)的大小,Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的資源將得到充分利用,從而提高了傳輸性能。
 
  設(shè)計和實現(xiàn)一個基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò)編程,通過在服務(wù)器端運行預(yù)先編譯的可執(zhí)行文件serv,和在客戶端運行預(yù)先編譯的可執(zhí)行文件clt,服務(wù)器端和客戶端建立通信連接。加入select()函數(shù)以后,服務(wù)器端可以允許多個客戶端接入服務(wù)器端,解決了I/O多路復(fù)用問題,更加接近實際應(yīng)用。利用TCP socket禁用Nagle算法實現(xiàn)了最小化報文傳輸?shù)难訒r,提高了Socket的性能。在網(wǎng)絡(luò)帶寬非常珍貴的現(xiàn)實中。提出了為Bandwidth Delay Product調(diào)節(jié)TCP窗口,修改socket的發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小,完全利用可用的帶寬。達(dá)到較好的網(wǎng)絡(luò)傳輸效果。實際網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境復(fù)雜多變,如何達(dá)到最理想的網(wǎng)絡(luò)傳輸,還需進(jìn)一步的分析和研究。
 
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