基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò )編程的性能優(yōu)化

　　1 引言

　　隨著(zhù)Intenet的日益發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò )在嵌入式系統中應用非常廣泛，越來(lái)越多的嵌入式設備采用Linux操作系統。Linux是一個(gè)源代碼公開(kāi)的免費操作系統，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(lái)越重要。

　　Socket實(shí)際是網(wǎng)絡(luò )傳輸層供給應用層的編程接口。傳輸層則在網(wǎng)絡(luò )層的基礎上提供進(jìn)程到進(jìn)程問(wèn)的邏輯通道，而應用層的進(jìn)程則利用傳輸層向另一臺主機的某一進(jìn)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(shí)可以開(kāi)發(fā)客戶(hù)機和服務(wù)器應用程序，它們可以在本地網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行通信，也可以通過(guò)Internet在全球范圍內進(jìn)行通信。編寫(xiě)并運行 Socket的客戶(hù)端和服務(wù)器端程序，雙方通過(guò)套接字建立了服務(wù)連接請求，并且通過(guò)一些方法提高Socket的性能。

　　2 Socket編程

　　2．1 Socket類(lèi)型

　　常見(jiàn)的Socket有3種類(lèi)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，從而保證數據傳輸的正確性和順序性：

　　(2)數據報Socket(SOCK_DGRAM)數據通過(guò)相互獨立的報文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證可靠，無(wú)差錯，它定義一種面向無(wú)連接的服務(wù)，使用數據報協(xié)議UDP；

　　(3)原始Socket(SOCK_RAM)它允許直接訪(fǎng)問(wèn)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(kāi)發(fā)。本編寫(xiě)的Socket屬于流式Socket。

　　2．2 Socket編程流程

　　Socket編程采用客戶(hù)／服務(wù)器模式。因此編程分為服務(wù)器端和客戶(hù)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(lái)表示，Socket也有一個(gè)類(lèi)似于文件打開(kāi)的函數，該函數返回一個(gè)整型的Socket描述符，隨后建立連接，數據傳輸等操作都通過(guò)Socket來(lái)實(shí)現。

　　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；建立監聽(tīng)甬數，檢測是否有客戶(hù)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(gè)請求；并向客戶(hù)端發(fā)送確認連接信息。

　　客戶(hù)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)回的確認連接信息。雙方通信結束后，關(guān)閉其Socket。進(jìn)行Socket編程的基本函數有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(xiě)服務(wù)器端程序serv．c和客戶(hù)端程序clt.c。運用交叉編譯工具arm-linux-gcc,執行編譯指令生成可執行文件。

　　其指令為：

　　#gcc serv．c=0 serv

　　#gcc clt．c-0 clt

　　編譯沒(méi)有錯誤則會(huì )生成可執行文件serv和clt。

　　(2)配置服務(wù)器和客戶(hù)端的IP，保證網(wǎng)絡(luò )暢通，在serv．c中已將服務(wù)器的IP設置為：192．168．2．111。在客戶(hù)端的“網(wǎng)絡(luò )設置”中設置IP為：192．168．2．22，可以通過(guò)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(hù)端的計算機終端上運行客戶(hù)端程序(．／clt 192．：168．2．1l 1)就會(huì )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(wù)器程序而先運行客戶(hù)端程序將立即提示“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(guò)程僅實(shí)現了一個(gè)客戶(hù)端接人，在實(shí)際情況中，人們往往遇到多個(gè)客戶(hù)端連接服務(wù)器端的情況。由于connect()，recv()，send() 都是阻塞性函數，若資源沒(méi)有準備好，則調用該甬數的進(jìn)程將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，無(wú)法處理I／O多路復用。在服務(wù)器端的serv．c中加入select

　　其函數原型如下：

　　該函數監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讀入數據，只要將文件描述符“0”和“sockfd”加入集合readfds中。參數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。重新編譯和運行客戶(hù)端的程序后，服務(wù)器端允許多個(gè)客戶(hù)端接入，服務(wù)器端運行結果如圖6所示。

　　3．2 最小化報文傳輸的延時(shí)

　　通過(guò)TCP socket進(jìn)行通信時(shí)，數據都被拆分成數據塊，這樣它們就可以封裝到給定連接的TCP payload(指TCP數據包中的有效負荷)中。TCP payload的大小取決于幾個(gè)因素(如最大報文長(cháng)度和路徑)，為了達到較好的性能，應使用盡可能多的可用數據來(lái)填充每個(gè)報文。當沒(méi)有足夠的數據來(lái)填充 payload時(shí)(也稱(chēng)為最大報文段長(cháng)度maximum segment size或MSS)，TCP將采用Nagle算法自動(dòng)將一些小緩沖區連接到一個(gè)報文段中。這樣可以通過(guò)最小化所發(fā)送的報文的數量來(lái)提高應用程序的效率，并減輕整體的網(wǎng)絡(luò )擁塞。

　　由于這種算法對數據進(jìn)行合并，試圖構成一個(gè)完整的TCP報文段，因此會(huì )引入一些延時(shí)。Socket網(wǎng)絡(luò )傳輸很長(cháng)時(shí)間只發(fā)送一些較小的報文，比如 telnet程序，它讓用戶(hù)可以與遠程系統進(jìn)行交互，通常通過(guò)一個(gè)shell來(lái)進(jìn)行，如果用戶(hù)被要求用發(fā)送報文之前輸入的字符來(lái)填充某個(gè)報文段，該方法絕對不能滿(mǎn)足需要。再比如HTTP協(xié)議，通?？蛻?hù)機瀏覽器會(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(Web頁(yè)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，可設置TCP_NODELAY socket選項TCP socket禁用Nagle算法。

　　使用Samba的實(shí)驗表明，在服務(wù)器上的Samba驅動(dòng)器上讀取數據時(shí)，禁用Nagle算法幾乎可以加倍提高讀性能。

　　3．3 為Bandwidth Delay Product調節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 )上傳輸的速率)和往返時(shí)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(shí))。這兩個(gè)值確定稱(chēng)為BDP(Bandwidth Delay Prod-uct)的內容。BDP給出一種簡(jiǎn)單的方法計算理論上最優(yōu)的TCP Socket緩沖區大小(其中保存排隊等待傳輸和等待應用程序接收的數據)。緩沖區太小，TCP窗口就不能完全打開(kāi)，這會(huì )限制性能；緩沖區太大，則會(huì )浪費寶貴的內存資源；設置的緩沖區大小合適，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(guò)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约旱腟ocket計算最優(yōu)的緩沖區大小。Socket提供幾個(gè)Socket選項，其中兩個(gè)可以用于修改Socket的發(fā)送和接收緩沖區的大小。使用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF選項來(lái)調整發(fā)送和接收緩沖區的大小。

　　在Linux 2．6內核中．發(fā)送緩沖區的大小由調用用戶(hù)定義，而接收緩沖區會(huì )自動(dòng)加倍。通過(guò)計算合理設置緩沖區的大小，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。

　　4 結束語(yǔ)

　　設計和實(shí)現一個(gè)基于Linux的Socket網(wǎng)絡(luò )編程，通過(guò)在服務(wù)器端運行預先編譯的可執行文件serv，和在客戶(hù)端運行預先編譯的可執行文件clt，服務(wù)器端和客戶(hù)端建立通信連接。加入select()函數以后，服務(wù)器端可以允許多個(gè)客戶(hù)端接入服務(wù)器端，解決了I／O多路復用問(wèn)題，更加接近實(shí)際應用。利用TCP socket禁用Nagle算法實(shí)現了最小化報文傳輸的延時(shí)，提高了Socket的性能。在網(wǎng)絡(luò )帶寬非常珍貴的現實(shí)中。提出了為Bandwidth Delay Product調節TCP窗口，修改socket的發(fā)送和接收緩沖區的大小，完全利用可用的帶寬。達到較好的網(wǎng)絡(luò )傳輸效果。實(shí)際網(wǎng)絡(luò )傳輸環(huán)境復雜多變，如何達到最理想的網(wǎng)絡(luò )傳輸，還需進(jìn)一步的分析和研究。