基於Linux的Socket網路編程的效能最佳化

隨著Intenet的日益發展和普及，網路在嵌入式系統中應用非常廣泛，越來越多的嵌入式裝置採用Linux作業系統。Linux是一個原始碼公開的免費作業系統，具有強移植性，所以對基於Linux的Socket網路編程的研究越來越重要。
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　Socket實際是網路傳輸層供給應用程式層的編程介面。傳輸層則在網路層的基礎上提供進程到進程問的邏輯通道，而應用程式層的進程則利用傳輸層向另一台主機的某一進程通訊。Socket就是應用程式層與傳輸層之間的橋樑。2所示。
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　使用Socket編程時可以開發客戶機和伺服器應用程式，它們可以在本網上進行通訊，也可以通過Internet在全球範圍內進行通訊。編寫並運行 Socket的用戶端和伺服器端程式，雙方通過通訊端建立了服務串連請求，並且通過一些方法提高Socket的效能。

　　3 Socket編程

　　3．1 Socket類型

　　常見的Socket有3種類型：

　　(1)流式Socket(SOCK_STREAM)它提供可靠的通訊流，使用連線導向的TCP協議，從而保證資料轉送的正確性和順序性：

　　(2)資料報Socket(SOCK_DGRAM)資料通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，並且不保證可靠，無差錯，它定義一種面向不需連線的服務，使用資料報協議UDP；

　　(3)原始Socket(SOCK_RAM)它允許直接存取底層協議，功能強大但使用較為不便，主要用於一些協議的開發。本編寫的Socket屬於流式Socket。

　　3．2 Socket編程流程

　　Socket編程採用客戶／伺服器模式。因此編程分為伺服器端和用戶端兩部分。

　　每一個Socket都用一個半相關描述(協議，本地地址，本地連接埠)來表示，Socket也有一個類似於檔案開啟的函數，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨後建立串連，資料轉送等操作都通過Socket來實現。

　　編程流程如下：伺服器端首先建立Socket，返回該Socket的描述符：配置Socket的連接埠和IP地址；建立*甬數，檢測是否有用戶端向伺服器發送請求，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；並向用戶端發送確認串連資訊。

　　用戶端建立一個Socket，返回該Socket的描述符；配置Socket連接埠和IP地址；向伺服器發送串連請求，並接收伺服器發回的確認串連資訊。雙方通訊結束後，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。
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3．3 程式的編譯和運行結果

　　(1)在Linux的VI編輯器下編寫伺服器端程式serv．c和用戶端程式clt.c。運用交叉編譯工具arm-linux-gcc,執行編譯指令產生可執行檔。

　　其指令為：

　　#gcc serv．c=0 serv

　　#gcc clt．c-0 clt

　　編譯沒有錯誤則會產生可執行檔serv和clt。

　　(2)設定管理員和用戶端的IP，保證網路暢通，在serv．c中已將伺服器的IP設定為：192．168．2．111。在用戶端的“網路設定”中設定IP為：192．168．2．22，可以通過ping命令檢測網路是否暢通。

　　(3)在一台電腦的終端先運行伺服器程式(．／serv)，再在用戶端的電腦終端上運行用戶端程式(．／clt 192．：168．2．1l 1)就會看到結果(Hello，Wang Lei!You are connected!)；運行結果4和圖5所示。如果未運行伺服器程式而先運行用戶端程式將立即提示“Connect：Connection refused”。

　　4 SOCket的效能最佳化

　　4．1 解決多工

　　上面的運行過程僅實現了一個用戶端接人，在實際情況中，人們往往遇到多個用戶端串連伺服器端的情況。由於 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多工。在伺服器端的serv．c中加入select()函數，它可同時*多個通訊端，實現I／O的多工。

　　其函數原型如下：
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該函數監視一系列檔案描述符，特別是readfds、writefds和exceptfds。如果想知道是否能從標準輸入和通訊端描述符sockfd讀入資料，只要將檔案描述符“0”和“sockfd”加入集合readfds中。參數numfds應等於最高檔案描述符的值加1，設定該值為sockfd+ 1。因為它一定大於標準輸入的檔案描述符“0”。當函數select()返回時，readfds的值修改為反映選擇的哪個檔案描述符可讀。重新編譯和運行用戶端的程式後，伺服器端允許多個用戶端接入，伺服器端運行結果6所示。
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　4．2 最小化報文傳輸的延時

　　通過TCP socket進行通訊時，資料都被拆分成資料區塊，這樣它們就可以封裝到給定串連的TCP payload(指TCP資料包中的有效負荷)中。TCP payload的大小取決於幾個因素(如最大報文長度和路徑)，為了達到較好的效能，應使用儘可能多的可用資料來填充每個報文。當沒有足夠的資料來填充 payload時(也稱為最大報文段長度maximum segment size或MSS)，TCP將採用Nagle演算法自動將一些小緩衝區串連到一個報文段中。這樣可以通過最小化所發送的報文的數量來提高應用程式的效率，並減輕整體的網路擁塞。

　　由於這種演算法對資料進行合并，試圖構成一個完整的TCP報文段，因此會引入一些延時。Socket網路傳輸很長時間只發送一些較小的報文，比如 telnet程式，它讓使用者可以與遠程系統進行互動，通常通過一個shell來進行，如果使用者被要求用發送報文之前輸入的字元來填充某個報文段，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請求訊息)，然後Web伺服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演算法，可設定TCP_NODELAY socket選項TCP socket禁用Nagle演算法。
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使用Samba的實驗表明，在伺服器上的Samba磁碟機上讀取資料時，禁用Nagle演算法幾乎可以加倍提高讀效能。

　　4．3 為Bandwidth Delay Product調節TCP視窗

　　TCP的效能取決於幾方面因素，最重要的是連結頻寬(link bandwidth)(報文在網路上傳輸的速率)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緩衝區大小(其中儲存排隊等待傳輸和等待應用程式接收的資料)。緩衝區太小，TCP視窗就不能完全開啟，這會限制效能；緩衝區太大，則會浪費寶貴的記憶體資源；設定的緩衝區大小合適，就可完全利用可用頻寬。

　　BDP計算公式：

　　BDP=link bandwidth×RTT

　　若應用程式通過一個100MB／s的區域網路通訊，其RRT為500ms，則BDP為：50MB／sx0．050/ 8625M=625KB。Linux2．6預設的TCP視窗大小是110KB，這將串連的頻寬節流設定為22M/S，計算方法如下：

　　throughput=window_size／RTT

　　110 KB／0．050=2．2 MB／s

　　使用上面計算的視窗大小，得到頻寬為12．5 MB／s，即：

　　625 KB／0 050=12．5 MB／s

　　差別很大，並且可以為Socket提供更大的輸送量。可以根據自己的Socket計算最優的緩衝區大小。Socket提供幾個Socket選項，其中兩個可以用於修改Socket的發送和接收緩衝區的大小。使用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF選項來調整發送和接收緩衝區的大小。
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　在Linux 2．6核心中．發送緩衝區的大小由調用使用者定義，而接收緩衝區會自動加倍。通過計算合理設定緩衝區的大小，Socket網路傳輸頻寬的資源將得到充分利用，從而提高了傳輸效能。

　　5 結束語

　　設計和實現一個基於Linux的Socket網路編程，通過在伺服器端運行預先編譯的可執行檔serv，和在用戶端運行預先編譯的可執行檔 clt，伺服器端和用戶端建立通訊串連。加入select()函數以後，伺服器端可以允許多個用戶端接入伺服器端，解決了I／O多工問題，更加接近實際應用。利用TCP socket禁用Nagle演算法實現了最小化報文傳輸的延時，提高了Socket的效能。在網路頻寬非常珍貴的現實中。提出了為Bandwidth Delay Product調節TCP視窗，修改socket的發送和接收緩衝區的大小，完全利用可用的頻寬。達到較好的網路傳輸效果。實際網路傳輸環境複雜多變，如何達到最理想的網路傳輸，還需進一步的分析和研究。