基于Linux的Socket网络编程的性能优化

1 小序
    随着Intenet的日益生长和遍及，网络在嵌入式体系中应用非常遍及，越来越多的嵌入式配置采取Linux操纵体系。Linux是一个源代码公然的免费操纵体系，具有强移植性，以是对基于Linux的Socket网络编程的研究越来越紧张。

    Socket实际是网络传输层提提供用层的编程接口。传输层则在网络层的底子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讯。Socket便是应用层与传输层之间的桥梁。如图2所示。

    利用Socket编程时可以开辟客户机和办事器应用步伐，它们可以在本地网络上举行通讯，也可以通过Internet在环球范畴内举行通讯。编写并运行 Socket的客户端和办事器端步伐，两边通过套接字创建了办事连接恳求，并且通过一些要领进步Socket的性能。

3 Socket编程
3．1 Socket范例
    常见的Socket有3种范例：
    (1)流式Socket(SOCK_STREAM)它提供可靠的通讯流，利用面向连接的TCP协议，从而包管数据传输的精确性温次序性：
    (2)数据报Socket(SOCK_DGRAM)数据通过相互独立的报文举行传输，是无序的，并且不包管可靠，无不对，它定义一种面向无连接的办事，利用数据报协议UDP；
    (3)原始Socket(SOCK_RAM)它容许直接访问底层协议，成果强大但利用较为不便，重要用于一些协议的开辟。本编写的Socket属于流式Socket。

3．2 Socket编程流程
    Socket编程采取客户／办事器模式。因此编程分为办事器端和客户端两部分。
    每一个Socket都用一个半相干形貌(协议，本地地点，本地端口)来表现，Socket也有一个雷同于文件打开的函数，该函数返回一个整型的Socket形貌符，随后创建连接，数据传输等操纵都通过Socket来实现。
    编程流程如下：办事器端起首创建Socket，返回该Socket的形貌符：配置Socket的端口和IP地点；创建监听甬数，检测是否有客户端向办事器发送恳求，如有则吸取该恳求，将其放到吸取行列步队中：从吸取行列步队中担当一个恳求；并向客户端发送确认连接信息。
    客户端创建一个Socket，返回该Socket的形貌符；配置Socket端口和IP地点；向办事器发送连接恳求，并吸取办事器发回的确认连接信息。两边通讯结束后，封闭其Socket。举行Socket编程的根本函数有socket()，bind()，listen()，accept()， connect()，send()，recv()，close()。图3为Socket的编程流程图。

3．3 步伐的编译和运行结果
    (1)在Linux的VI编辑器下编写办事器端步伐serv．c和客户端步伐clt.c。运用交错编译东西arm-linux-gcc,实行编译指令天生可实行文件。
    其指令为：
    #gcc serv．c=0 serv
    #gcc clt．c-0 clt
    编译没有错误则会天生可实行文件serv和clt。
    (2)配置办事器和客户真个IP，包管网络流畅，在serv．c中已将办事器的IP设置为：192．168．2．111。在客户真个“网络设置”中设置IP为：192．168．2．22，可以通过ping下令检测网络是否流畅。
    (3)在一台谋略机的终端先运行办事器步伐(．／serv)，再在客户真个谋略机终端上运行客户端步伐(．／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。要是未运行办事器步伐而先运行客户端步伐将立即提示“Connect：Connection refused”。

4 SOCket的性能优化
4．1 办理多路复用
    上面的运行进程仅实现了一个客户端接人，在实际环境中，人们每每遇到多个客户端连接办事器真个环境。由于connect()，recv()，send() 都是壅闭性函数，若资源没有准备好，则调用该甬数的进程将进入就寝状态，无法处理惩罚I／O多路复用。在办事器真个serv．c中参加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：
  

    该函数监督一系列文件形貌符，分外是readfds、writefds和exceptfds。要是想知道是否能从标准输入和套接字形貌符sockfd读入数据，只要将文件形貌符“0”和“sockfd”参加聚集readfds中。参数numfds应便是最大作件形貌符的值加1，设置该值为sockfd+ 1。由于它肯定大于标准输入的文件形貌符“0”。当函数select()返回时，readfds的值修改为反应选择的哪个文件形貌符可读。重新编译和运行客户真个步伐后，办事器端允很多个客户端接入，办事器端运行结果如图6所示。

4．2 最小化报文传输的延时
    通过TCP socket举行通讯时，数据都被拆分成数据块，如许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)，为了到达较好的性能，应利用尽大概多的可用数据来添补每个报文。当没有充足的数据来添补 payload时(也称为最大报文段长度maximum segment size或MSS)，TCP将采取Nagle算法主动将一些小缓冲区连接到一个报文段中。如许可以通过最小化所发送的报文的数量来进步应用步伐的服从，并减轻团体的网络拥塞。
    由于这种算法对数据举行归并，试图构成一个完备的TCP报文段，因此会引入一些延时。Socket网络传输很永劫间只发送一些较小的报文，比如 telnet步伐，它让用户可以与长途体系举行交互，通常通过一个shell来举行，要是用户被请求用发送报文之前输入的字符来添补某个报文段，该要领绝对不克不及餍足必要。再比如HTTP协议，通常客户机欣赏器会孕育产生一个小恳求(一条HTTP恳求消息)，然后Web办事器就会返回一个更大的相应(Web页面)。最小化传输延时是重要的。在这种环境中，Socket可以提供一种办理方案，即禁用Nagle算法，可设置TCP_NODELAY socket选项TCP socket禁用Nagle算法。

  
    利用Samba的实行表明，在办事器上的Samba驱动器上读取数据时，禁用Nagle算法险些可以更加进步读性能。

4．3 为Bandwidth Delay Product调理TCP窗口
    TCP的性能取决于几方面因素，最紧张的是链接带宽(link bandwidth)(报文在网络上传输的速率)和来回时间(round-trip time)或RTT(发送报文与吸取到另一真个相应之间的延时)。这两个值确定称为BDP(Bandwidth Delay Prod-uct)的内容。BDP给出一种大略的要领谋略理论上最优的TCP Socket缓冲区大小(此中生存列队等待传输和等待应用步伐吸取的数据)。缓冲区太小，TCP窗口就不克不及完全打开，这会限定性能；缓冲区太大，则会浪费宝贵的内存资源；设置的缓冲区大小符合，就可完全利用可用带宽。
    BDP谋略公式：
    BDP=link bandwidth×RTT
    若应用步伐通过一个100MB／s的局域网通讯，其RRT为500ms，则BDP为：50MB／sx0．050/ 8625M=625KB。Linux2．6默认的TCP窗口大小是110KB，这将连接的带脱期制为22M/S，谋略要领如下：
    throughput=window_size／RTT
    110 KB／0．050=2．2 MB／s
    利用上面谋略的窗口大小，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。可以根据本身的Socket谋略最优的缓冲区大小。Socket提供几个Socket选项，此中两个可以用于修改Socket的发送和吸取缓冲区的大小。利用SO_SNDBUF和SO_RCVBUF选项来调解发送和吸取缓冲区的大小。

  
    在Linux 2．6内核中．发送缓冲区的大小由调用用户定义，而吸取缓冲区会主动更加。通过谋略公道设置缓冲区的大小，Socket网络传输带宽的资源将得到充分利用，从而进步了传输性能。

5 结束语
    计划和实现一个基于Linux的Socket网络编程，通过在办事器端运行预先编译的可实行文件serv，和在客户端运行预先编译的可实行文件clt，办事器端和客户端创建通讯连接。参加select()函数以后，办事器端可以允很多个客户端接入办事器端，办理了I／O多路复用题目，越发靠近实际应用。利用TCP socket禁用Nagle算法实现了最小化报文传输的延时，进步了Socket的性能。在网络带宽非常宝贵的实际中。提出了为Bandwidth Delay Product调理TCP窗口，修改socket的发送和吸取缓冲区的大小，完全利用可用的带宽。到达较好的网络传输结果。实际网络传输环境巨大多变，怎样到达最抱负的网络传输，还需进一步的阐发和研究。