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(duì)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(qǐng)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(qǐng)求,,若有則接收該請(qǐng)求,將其放到接收隊(duì)列中:從接收隊(duì)列中接受一個(gè)請(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(duì)不能滿足需要,。再比如HTTP協(xié)議,通??蛻魴C(jī)瀏覽器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小請(qǐng)求(一條HTTP請(qǐng)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,。
4 結(jié)束語
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,。