基于Linux2.6的Socket網絡編程的性能優化
國外電子元器件 太原理工大學 王雷 王子淘
摘要： 隨著Intenet的日益發展和普及，網絡在嵌入式系統中應用非常廣泛，越來越多的嵌入式設備采用Linux操作系統。Linux是一個源代碼公開的免費操作系統，具有強移植性，所以對基于Linux的Socket網絡編程的研究越來越重要。
Abstract：
Key words :
1 引言
隨著Intenet的日益發展和普及，網絡在嵌入式系統中應用非常廣泛，越來越多的嵌入式設備采用Linux操作系統。Linux是一個源代碼公開的免費操作系統，具有強移植性，所以對基于Linux的Socket網絡編程的研究越來越重要。
Socket實際是網絡傳輸層供給應用層的編程接口。傳輸層則在網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編程時可以開發客戶機和服務器應用程序，它們可以在本地網絡上進行通信，也可以通過Internet在全球范圍內進行通信。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，使用數據報協議UDP；
(3)原始Socket(SOCK_RAM)它允許直接訪問底層協議，功能強大但使用較為不便，主要用于一些協議的開發。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，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨后建立連接，數據傳輸等操作都通過Socket來實現。
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；建立監聽甬數，檢測是否有客戶端向服務器發送請求，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；向服務器發送連接請求，并接收服務器發回的確認連接信息。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
編譯沒有錯誤則會生成可執行文件serv和clt。
(2)配置服務器和客戶端的IP，保證網絡暢通，在serv．c中已將服務器的IP設置為：192．168．2．111。在客戶端的“網絡設置”中設置IP為：192．168．2．22，可以通過ping命令檢測網絡是否暢通。
(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將立即提示“Connect：Connection refused”。
3 Socket的性能優化
3．1 解決多路復用
上面的運行過程僅實現了一個客戶端接人，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，若資源沒有準備好，則調用該甬數的進程將進入睡眠狀態，無法處理I／O多路復用。在服務器端的serv．c中加入select()函數，它可同時監聽多個套接字，實現I／O的多路復用。
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，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 最小化報文傳輸的延時
通過TCP socket進行通信時，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據來填充每個報文。當沒有足夠的數據來填充 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連接到一個報文段中。這樣可以通過最小化所發送的報文的數量來提高應用程序的效率，并減輕整體的網絡擁塞。
由于這種算法對數據進行合并，試圖構成一個完整的TCP報文段，因此會引入一些延時。Socket網絡傳輸很長時間只發送一些較小的報文，比如 telnet程序，它讓用戶可以與遠程系統進行交互，通常通過一個shell來進行，如果用戶被要求用發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協議，通常客戶機瀏覽器會產生一個小請求(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驅動器上讀取數據時，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)(報文在網絡上傳輸的速率)和往返時間(round-trip time)或RTT(發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)的內容。BDP給出一種簡單的方法計算理論上最優的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，這會限制性能；緩沖區太大，則會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
若應用程序通過一個100MB／s的局域網通信，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。可以根據自己的Socket計算最優的緩沖區大小。Socket提供幾個Socket選項，其中兩個可以用于修改Socket的發送和接收緩沖區的大小。使用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF選項來調整發送和接收緩沖區的大小。
在Linux 2．6內核中．發送緩沖區的大小由調用用戶定義，而接收緩沖區會自動加倍。通過計算合理設置緩沖區的大小，Socket網絡傳輸帶寬的資源將得到充分利用，從而提高了傳輸性能。
設計和實現一個基于Linux的Socket網絡編程，通過在服務器端運行預先編譯的可執行文件serv，和在客戶端運行預先編譯的可執行文件clt，服務器端和客戶端建立通信連接。加入select()函數以后，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算法實現了最小化報文傳輸的延時，提高了Socket的性能。在網絡帶寬非常珍貴的現實中。提出了為Bandwidth Delay Product調節TCP窗口，修改socket的發送和接收緩沖區的大小，完全利用可用的帶寬。達到較好的網絡傳輸效果。實際網絡傳輸環境復雜多變，如何達到最理想的網絡傳輸，還需進一步的分析和研究。
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