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 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)聽甬數(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(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(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(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,,通常客戶機瀏覽器會產(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(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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