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(gè)源代碼公開的免費(fèi)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(gè)源代碼公開的免費(fèi)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(shí)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(tái)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(shí)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(yùn)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(bào)Socket(SOCK_DGRAM)數(shù)據(jù)通過相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無序的，并且不保證可靠，無差錯(cuò)，它定義一種面向無連接的服務(wù)，使用數(shù)據(jù)報(bào)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(gè)Socket都用一個(gè)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(gè)類似于文件打開的函數(shù)，該函數(shù)返回一個(gè)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(shí)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(duì)列中：從接收隊(duì)列中接受一個(gè)請求；并向客戶端發(fā)送確認(rèn)連接信息。
客戶端建立一個(gè)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(yùn)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(yùn)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(cuò)誤則會(huì)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(tái)計(jì)算機(jī)的終端先運(yùn)行服務(wù)器程序(．／serv)，再在客戶端的計(jì)算機(jī)終端上運(yùn)行客戶端程序(．／clt 192．：168．2．1l 1)就會(huì)看到結(jié)果(Hello，Wang Lei!You are connected!)；運(yùn)行結(jié)果如圖4和圖5所示。如果未運(yùn)行服務(wù)器程序而先運(yùn)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(yùn)行過程僅實(shí)現(xiàn)了一個(gè)客戶端接人，在實(shí)際情況中，人們往往遇到多個(gè)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(shí)監(jiān)聽多個(gè)套接字，實(shí)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?yàn)樗欢ù笥跇?biāo)準(zhǔn)輸入的文件描述符“0”。當(dāng)函數(shù)select()返回時(shí)，readfds的值修改為反映選擇的哪個(gè)文件描述符可讀。重新編譯和運(yùn)行客戶端的程序后，服務(wù)器端允許多個(gè)客戶端接入，服務(wù)器端運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。
3．2 最小化報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)
通過TCP socket進(jìn)行通信時(shí)，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(gè)因素(如最大報(bào)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(gè)報(bào)文。當(dāng)沒有足夠的數(shù)據(jù)來填充 payload時(shí)(也稱為最大報(bào)文段長度maximum segment size或MSS)，TCP將采用Nagle算法自動(dòng)將一些小緩沖區(qū)連接到一個(gè)報(bào)文段中。這樣可以通過最小化所發(fā)送的報(bào)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(gè)完整的TCP報(bào)文段，因此會(huì)引入一些延時(shí)。Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸很長時(shí)間只發(fā)送一些較小的報(bào)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(gè)shell來進(jìn)行，如果用戶被要求用發(fā)送報(bào)文之前輸入的字符來填充某個(gè)報(bào)文段，該方法絕對不能滿足需要。再比如HTTP協(xié)議，通常客戶機(jī)瀏覽器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小請求(一條HTTP請求消息)，然后Web服務(wù)器就會(huì)返回一個(gè)更大的響應(yīng)(Web頁面)。最小化傳輸延時(shí)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(xiàng)TCP socket禁用Nagle算法。
使用Samba的實(shí)驗(yàn)表明，在服務(wù)器上的Samba驅(qū)動(dòng)器上讀取數(shù)據(jù)時(shí)，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(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃俾?和往返時(shí)間(round-trip time)或RTT(發(fā)送報(bào)文與接收到另一端的響應(yīng)之間的延時(shí))。這兩個(gè)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(jì)算理論上最優(yōu)的TCP Socket緩沖區(qū)大小(其中保存排隊(duì)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(huì)限制性能；緩沖區(qū)太大，則會(huì)浪費(fèi)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(jì)算公式：
BDP=link bandwidth×RTT
若應(yīng)用程序通過一個(gè)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(jì)算方法如下：
throughput=window_size／RTT
110 KB／0．050=2．2 MB／s
使用上面計(jì)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?？梢愿鶕?jù)自己的Socket計(jì)算最優(yōu)的緩沖區(qū)大小。Socket提供幾個(gè)Socket選項(xiàng)，其中兩個(gè)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(xiàng)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(huì)自動(dòng)加倍。通過計(jì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò)編程，通過在服務(wù)器端運(yùn)行預(yù)先編譯的可執(zhí)行文件serv，和在客戶端運(yùn)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(gè)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(shí)際應(yīng)用。利用TCP socket禁用Nagle算法實(shí)現(xiàn)了最小化報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)，提高了Socket的性能。在網(wǎng)絡(luò)帶寬非常珍貴的現(xiàn)實(shí)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(shí)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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