基于Linux的Socket网络编程的性能优化
1 引言
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。
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