基于Linux的Socket网络编程的性能优化

基于Linux的Socket网络编程的性能优化

随着Intenet的日益发展和普及，网络在嵌入式系统中应用非常广泛，越来越多的嵌入式设备采用Linux操作系统。Linux是一个源代码公开的免费操作系统，具有强移植性，所以对基于Linux的Socket网络编程的研究越来越重要。

    Socket实际是网络传输层供给应用层的编程接口。传输层则在网络层的基础上提供进程到进程问的逻辑通道，而应用层的进程则利用传输层向另一台主机的某一进程通信。Socket就是应用层与传输层之间的桥梁。如图2所示。

    使用Socket编程时可以开发客户机和服务器应用程序，它们可以在本地网络上进行通信，也可以通过Internet在全球范围内进行通信。编写并运行 Socket的客户端和服务器端程序，双方通过套接字建立了服务连接请求，并且通过一些方法提高Socket的性能。

3 Socket编程
3．1 Socket类型
    常见的Socket有3种类型：
    (1)流式Socket(SOCK_STREAM)它提供可靠的通信流，使用面向连接的TCP协议，从而保证数据传输的正确性和顺序性：
    (2)数据报Socket(SOCK_DGRAM)数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错，它定义一种面向无连接的服务，使用数据报协议UDP；
    (3)原始Socket(SOCK_RAM)它允许直接访问底层协议，功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。本编写的Socket属于流式Socket。

3．2 Socket编程流程
    Socket编程采用客户／服务器模式。因此编程分为服务器端和客户端两部分。
    每一个Socket都用一个半相关描述(协议，本地地址，本地端口)来表示，Socket也有一个类似于文件打开的函数，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后建立连接，数据传输等操作都通过Socket来实现。
    编程流程如下：服务器端首先建立Socket，返回该Socket的描述符：配置Socket的端口和IP地址；建立监听甬数，检测是否有客户端向服务器发送请求，若有则接收该请求，将其放到接收队列中：从接收队列中接受一个请求；并向客户端发送确认连接信息。
    客户端建立一个Socket，返回该Socket的描述符；配置Socket端口和IP地址；向服务器发送连接请求，并接收服务器发回的确认连接信息。双方通信结束后，关闭其Socket。进行Socket编程的基本函数有socket()，bind()，listen()，accept()， connect()，send()，recv()，close()。图3为Socket的编程流程图。

3．3 程序的编译和运行结果
    (1)在Linux的VI编辑器下编写服务器端程序serv．c和客户端程序clt.c。运用交叉编译工具arm-linux-gcc,执行编译指令生成可执行文件。
    其指令为：
    #gcc serv．c=0 serv
    #gcc clt．c-0 clt
    编译没有错误则会生成可执行文件serv和clt。
    (2)配置服务器和客户端的IP，保证网络畅通，在serv．c中已将服务器的IP设置为：192．168．2．111。在客户端的“网络设置”中设置IP为：192．168．2．22，可以通过ping命令检测网络是否畅通。
    (3)在一台计算机的终端先运行服务器程序(．／serv)，再在客户端的计算机终端上运行客户端程序(．／clt 192．：168．2．1l 1)就会看到结果(Hello，Wang Lei!You are connected!)；运行结果如图4和图5所示。如果未运行服务器程序而先运行客户端程序将立即提示“Connect：Connection refused”。

4 SOCket的性能优化
4．1 解决多路复用
    上面的运行过程仅实现了一个客户端接人，在实际情况中，人们往往遇到多个客户端连接服务器端的情况。由于connect()，recv()，send() 都是阻塞性函数，若资源没有准备好，则调用该甬数的进程将进入睡眠状态，无法处理I／O多路复用。在服务器端的serv．c中加入select()函数，它可同时监听多个套接字，实现I／O的多路复用。
    其函数原型如下：
  

    该函数监视一系列文件描述符，特别是readfds、writefds和exceptfds。如果想知道是否能从标准输入和套接字描述符sockfd读入数据，只要将文件描述符“0”和“sockfd”加入集合readfds中。参数numfds应等于最高文件描述符的值加1，设置该值为sockfd+ 1。因为它一定大于标准输入的文件描述符“0”。当函数select()返回时，readfds的值修改为反映选择的哪个文件描述符可读。重新编译和运行客户端的程序后，服务器端允许多个客户端接入，服务器端运行结果如图6所示。

4．2 最小化报文传输的延时
    通过TCP socket进行通信时，数据都被拆分成数据块，这样它们就可以封装到给定连接的TCP payload(指TCP数据包中的有效负荷)中。TCP payload的大小取决于几个因素(如最大报文长度和路径)，为了达到较好的性能，应使用尽可能多的可用数据来填充每个报文。当没有足够的数据来填充 payload时(也称为最大报文段长度maximum segment size或MSS)，TCP将采用Nagle算法自动将一些小缓冲区连接到一个报文段中。这样可以通过最小化所发送的报文的数量来提高应用程序的效率，并减轻整体的网络拥塞。
    由于这种算法对数据进行合并，试图构成一个完整的TCP报文段，因此会引入一些延时。Socket网络传输很长时间只发送一些较小的报文，比如 telnet程序，它让用户可以与远程系统进行交互，通常通过一个shell来进行，如果用户被要求用发送报文之前输入的字符来填充某个报文段，该方法绝对不能满足需要。再比如HTTP协议，通常客户机浏览器会产生一个小请求(一条HTTP请求消息)，然后Web服务器就会返回一个更大的响应(Web页面)。最小化传输延时是首要的。在这种情况中，Socket可以提供一种解决方案，即禁用Nagle算法，可设置TCP_NODELAY socket选项TCP socket禁用Nagle算法。

  
    使用Samba的实验表明，在服务器上的Samba驱动器上读取数据时，禁用Nagle算法几乎可以加倍提高读性能。

4．3 为Bandwidth Delay Product调节TCP窗口
    TCP的性能取决于几方面因素，最重要的是链接带宽(link bandwidth)(报文在网络上传输的速率)和往返时间(round-trip time)或RTT(发送报文与接收到另一端的响应之间的延时)。这两个值确定称为BDP(Bandwidth Delay Prod-uct)的内容。BDP给出一种简单的方法计算理论上最优的TCP Socket缓冲区大小(其中保存排队等待传输和等待应用程序接收的数据)。缓冲区太小，TCP窗口就不能完全打开，这会限制性能；缓冲区太大，则会浪费宝贵的内存资源；设置的缓冲区大小合适，就可完全利用可用带宽。
    BDP计算公式：
    BDP=link bandwidth×RTT
    若应用程序通过一个100MB／s的局域网通信，其RRT为500ms，则BDP为：50MB／sx0．050/ 8625M=625KB。Linux2．6默认的TCP窗口大小是110KB，这将连接的带宽限制为22M/S，计算方法如下：
    throughput=window_size／RTT
    110 KB／0．050=2．2 MB／s
    使用上面计算的窗口大小，得到带宽为12．5 MB／s，即：
    625 KB／0 050=12．5 MB／s
    差别很大，并且可以为Socket提供更大的吞吐量。可以根据自己的Socket计算最优的缓冲区大小。Socket提供几个Socket选项，其中两个可以用于修改Socket的发送和接收缓冲区的大小。使用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF选项来调整发送和接收缓冲区的大小。

  
    在Linux 2．6内核中．发送缓冲区的大小由调用用户定义，而接收缓冲区会自动加倍。通过计算合理设置缓冲区的大小，Socket网络传输带宽的资源将得到充分利用，从而提高了传输性能。

5 结束语
    设计和实现一个基于Linux的Socket网络编程，通过在服务器端运行预先编译的可执行文件serv，和在客户端运行预先编译的可执行文件clt，服务器端和客户端建立通信连接。加入select()函数以后，服务器端可以允许多个客户端接入服务器端，解决了I／O多路复用问题，更加接近实际应用。利用TCP socket禁用Nagle算法实现了最小化报文传输的延时，提高了Socket的性能。在网络带宽非常珍贵的现实中。提出了为Bandwidth Delay Product调节TCP窗口，修改socket的发送和接收缓冲区的大小，完全利用可用的带宽。达到较好的网络传输效果。实际网络传输环境复杂多变，如何达到最理想的网络传输，还需进一步的分析和研究。