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)上提供進程到進程問的邏輯通道，而應(yīng)用層的進程則利用傳輸層向另一臺主機的某一進程通信。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)客戶機和服務(wù)器應(yīng)用程序，它們可以在本地網(wǎng)絡(luò)上進行通信，也可以通過Internet在全球范圍內(nèi)進行通信。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)在一臺計算機的終端先運行服務(wù)器程序(．／serv)，再在客戶端的計算機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)的進程將進入睡眠狀態(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，它讓用戶可以與遠程系統(tǒng)進行交互，通常通過一個shell來進行，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?？梢愿鶕?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，如何達到最理想的網(wǎng)絡(luò)傳輸，還需進一步的分析和研究。
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