基于Linux2.6的Socket網(wǎng)絡編程的性能優(yōu)化
國外電子元器件 太原理工大學 王雷 王子淘
摘要： 隨著Intenet的日益發(fā)展和普及,，網(wǎng)絡在嵌入式系統(tǒng)中應用非常廣泛，越來越多的嵌入式設備采用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)絡在嵌入式系統(tǒng)中應用非常廣泛,，越來越多的嵌入式設備采用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)絡編程的研究越來越重要。
Socket實際是網(wǎng)絡傳輸層供給應用層的編程接口,。傳輸層則在網(wǎng)絡層的基礎上提供進程到進程問的邏輯通道,，而應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)客戶機和服務器應用程序,，它們可以在本地網(wǎng)絡上進行通信，也可以通過Internet在全球范圍內(nèi)進行通信,。編寫并運行 Socket的客戶端和服務器端程序，雙方通過套接字建立了服務連接請求,，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，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／服務器模式。因此編程分為服務器端和客戶端兩部分,。
每一個Socket都用一個半相關描述(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)聽甬數(shù),，檢測是否有客戶端向服務器發(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；向服務器發(fā)送連接請求,，并接收服務器發(fā)回的確認連接信息,。雙方通信結束后,，關閉其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果
(1)在Linux的VI編輯器下編寫服務器端程序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)配置服務器和客戶端的IP,，保證網(wǎng)絡暢通,，在serv．c中已將服務器的IP設置為：192．168．2．111。在客戶端的“網(wǎng)絡設置”中設置IP為：192．168．2．22,，可以通過ping命令檢測網(wǎng)絡是否暢通,。
(3)在一臺計算機的終端先運行服務器程序(．／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)就會看到結果(Hello,，Wang Lei!You are connected!),；運行結果如圖4和圖5所示。如果未運行服務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器端的情況,。由于connect(),，recv()，send() 都是阻塞性函數(shù),，若資源沒有準備好,，則調(diào)用該甬數(shù)的進程將進入睡眠狀態(tài)，無法處理I／O多路復用,。在服務器端的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準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應等于最高文件描述符的值加1，設置該值為sockfd+ 1,。因為它一定大于標準輸入的文件描述符“0”,。當函數(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,，服務器端允許多個客戶端接入，服務器端運行結果如圖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,，應使用盡可能多的可用數(shù)據(jù)來填充每個報文,。當沒有足夠的數(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)量來提高應用程序的效率,，并減輕整體的網(wǎng)絡擁塞。
由于這種算法對數(shù)據(jù)進行合并,，試圖構成一個完整的TCP報文段,，因此會引入一些延時。Socket網(wǎng)絡傳輸很長時間只發(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服務器就會返回一個更大的響應(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,，可設置TCP_NODELAY socket選項TCP socket禁用Nagle算法。
使用Samba的實驗表明,，在服務器上的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,。通過計算合理設置緩沖區(qū)的大小，Socket網(wǎng)絡傳輸帶寬的資源將得到充分利用,，從而提高了傳輸性能,。
設計和實現(xiàn)一個基于Linux的Socket網(wǎng)絡編程，通過在服務器端運行預先編譯的可執(zhí)行文件serv,，和在客戶端運行預先編譯的可執(zhí)行文件clt,，服務器端和客戶端建立通信連接。加入select()函數(shù)以后,，服務器端可以允許多個客戶端接入服務器端,，解決了I／O多路復用問題，更加接近實際應用,。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)絡傳輸效果,。實際網(wǎng)絡傳輸環(huán)境復雜多變,，如何達到最理想的網(wǎng)絡傳輸，還需進一步的分析和研究,。
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