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。

    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。

使用 Sockets API，我们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。与其他 API 一样，您可以通过一些方法使用 Sockets API，从而提高 Socket 的性能，或者限制 Socket 的性能。本文探索了 4 种使用 Sockets API 来获取应用程序的最大性能并对 GNU/Linux? 环境进行优化从而达到最好结果的方法。

在开发 socket 应用程序时，首要任务通常是确保可靠性并满足一些特定的需求。利用本文中给出的 4 个提示，您就可以从头开始为实现最佳性能来设计并开发 socket 程序。本文内容包括对于 Sockets API 的使用、两个可以提高性能的 socket 选项以及 GNU/Linux 优化。

为了能够开发性能卓越的应用程序，请遵循以下技巧：

• 最小化报文传输的延时。
• 最小化系统调用的负载。
• 为 Bandwidth Delay Product 调节 TCP 窗口。
• 动态优化 GNU/Linux TCP/IP 栈。

技巧 1. 最小化报文传输的延时

在通过 TCP socket 进行通信时，数据都拆分成了数据块，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）中了。TCP payload 的大小取决于几个因素（例如最大报文长度和路径），但是这些因素在连接发起时都是已知的。为了达到最好的性能，我们的目标是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 就会采用 Nagle 算法自动将一些小的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问题。

尽管 John Nagle 的算法可以通过将这些数据连接成更大的报文来最小化所发送的报文的数量，但是有时您可能希望只发送一些较小的报文。一个简单的例子是 telnet 程序，它让用户可以与远程系统进行交互，这通常都是通过一个 shell 来进行的。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，那么这种方法就绝对不能满足我们的需要。

另外一个例子是 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）。

解决方案

您应该考虑的第一件事情是 Nagle 算法满足一种需求。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，因此它会引入一些延时。但是这种算法可以最小化在线路上发送的报文的数量，因此可以最小化网络拥塞的问题。

但是在需要最小化传输延时的情况中，Sockets API 可以提供一种解决方案。要禁用 Nagle 算法，您可以设置 TCP_NODELAY socket 选项，如清单 1 所示。

清单 1. 为 TCP socket 禁用 Nagle 算法

int sock, flag, ret;
/* Create new stream socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
/* Disable the Nagle (TCP No Delay) algorithm */
flag = 1;
ret = setsockopt( sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&flag, sizeof(flag) );
if (ret == -1) {
  printf("Couldn‘t setsockopt(TCP_NODELAY)\n");
  exit(-1);
}

提示：使用 Samba 的实验表明，在从 Microsoft? Windows? 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。

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技巧 2. 最小化系统调用的负载

任何时候通过一个 socket 来读写数据时，您都是在使用一个系统调用（system call）。这个调用（例如 read 或 write）跨越了用户空间应用程序与内核的边界。另外，在进入内核之前，您的调用会通过 C 库来进入内核中的一个通用函数（system_call()）。从 system_call() 中，这个调用会进入文件系统层，内核会在这儿确定正在处理的是哪种类型的设备。最后，调用会进入 socket 层，数据就是在这里进行读取或进行排队从而通过 socket 进行传输的（这涉及数据的副本）。

这个过程说明系统调用不仅仅是在应用程序和内核中进行操作的，而且还要经过应用程序和内核中的很多层次。这个过程耗费的资源很高，因此调用次数越多，通过这个调用链进行的工作所需要的时间就越长，应用程序的性能也就越低。

由于我们无法避免这些系统调用，因此惟一的选择是最小化使用这些调用的次数。幸运的是，我们可以对这个过程进行控制。

解决方案

在将数据写入一个 socket 时，尽量一次写入所有的数据，而不是执行多次写数据的操作。对于读操作来说，最好传入可以支持的最大缓冲区，因为如果没有足够多的数据，内核也会试图填充整个缓冲区（另外还需要保持 TCP 的通告窗口为打开状态）。这样，您就可以最小化调用的次数，并可以实现更好的整体性能。

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技巧 3. 为 Bandwidth Delay Product 调节 TCP 窗口

TCP 的性能取决于几个方面的因素。两个最重要的因素是链接带宽（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）。这两个值确定了称为 Bandwidth Delay Product（BDP）的内容。

给定链接带宽和 RTT 之后，您就可以计算出 BDP 的值了，不过这代表什么意义呢？BDP 给出了一种简单的方法来计算理论上最优的 TCP socket 缓冲区大小（其中保存了排队等待传输和等待应用程序接收的数据）。如果缓冲区太小，那么 TCP 窗口就不能完全打开，这会对性能造成限制。如果缓冲区太大，那么宝贵的内存资源就会造成浪费。如果您设置的缓冲区大小正好合适，那么就可以完全利用可用的带宽。下面我们来看一个例子：

BDP = link_bandwidth * RTT

如果应用程序是通过一个 100Mbps 的局域网进行通信，其 RRT 为 50 ms，那么 BDP 就是：

100MBps * 0.050 sec / 8 = 0.625MB = 625KB

注意：此处除以 8 是将位转换成通信使用的字节。

因此，我们可以将 TCP 窗口设置为 BDP 或 1.25MB。但是在 Linux 2.6 上默认的 TCP 窗口大小是 110KB，这会将连接的带宽限制为 2.2MBps，计算方法如下：

throughput = window_size / RTT
110KB / 0.050 = 2.2MBps

如果使用上面计算的窗口大小，我们得到的带宽就是 12.5MBps，计算方法如下：

625KB / 0.050 = 12.5MBps

差别的确很大，并且可以为 socket 提供更大的吞吐量。因此现在您就知道如何为您的 socket 计算最优的缓冲区大小了。但是又该如何来改变呢？

解决方案

Sockets API 提供了几个 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。清单 2 展示了如何使用 SO_SNDBUF 和SO_RCVBUF 选项来调整发送和接收缓冲区的大小。

注意：尽管 socket 缓冲区的大小确定了通告 TCP 窗口的大小，但是 TCP 还在通告窗口内维护了一个拥塞窗口。因此，由于这个拥塞窗口的存在，给定的 socket 可能永远都不会利用最大的通告窗口。

清单 2. 手动设置发送和接收 socket 缓冲区大小

int ret, sock, sock_buf_size;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
sock_buf_size = BDP;
ret = setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF,
                   (char *)&sock_buf_size, sizeof(sock_buf_size) );
ret = setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF,
                   (char *)&sock_buf_size, sizeof(sock_buf_size) );

在 Linux 2.6 内核中，发送缓冲区的大小是由调用用户来定义的，但是接收缓冲区会自动加倍。您可以进行 getsockopt 调用来验证每个缓冲区的大小。

就 window scaling 来说，TCP 最初可以支持最大为 64KB 的窗口（使用 16 位的值来定义窗口的大小）。采用 window scaling（RFC 1323）扩展之后，您就可以使用 32 位的值来表示窗口的大小了。GNU/Linux 中提供的 TCP/IP 栈可以支持这个选项（以及其他一些选项）。

提示：Linux 内核还包括了自动对这些 socket 缓冲区进行优化的能力（请参阅下面 表 1 中的tcp_rmem 和 tcp_wmem），不过这些选项会对整个栈造成影响。如果您只需要为一个连接或一类连接调节窗口的大小，那么这种机制也许不能满足您的需要了。

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技巧 4. 动态优化 GNU/Linux TCP/IP 栈

标准的 GNU/Linux 发行版试图对各种部署情况都进行优化。这意味着标准的发行版可能并没有对您的环境进行特殊的优化。

解决方案

GNU/Linux 提供了很多可调节的内核参数，您可以使用这些参数为您自己的用途对操作系统进行动态配置。下面我们来了解一下影响 socket 性能的一些更重要的选项。

在 /proc 虚拟文件系统中存在一些可调节的内核参数。这个文件系统中的每个文件都表示一个或多个参数，它们可以通过 cat 工具进行读取，或使用 echo 命令进行修改。清单 3 展示了如何查询或启用一个可调节的参数（在这种情况中，可以在 TCP/IP 栈中启用 IP 转发）。

清单 3. 调优：在 TCP/IP 栈中启用 IP 转发

[root@camus]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0
[root@camus]# echo "1" > /poc/sys/net/ipv4/ip_forward
[root@camus]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
1
[root@camus]#

表 1 给出了几个可调节的参数，它们可以帮助您提高 Linux TCP/IP 栈的性能。

与任何调优努力一样，最好的方法实际上就是不断进行实验。您的应用程序的行为、处理器的速度以及可用内存的多少都会影响到这些参数影响性能的方式。在某些情况中，您认为有益的操作可能恰恰是有害的（反之亦然）。因此，我们需要逐一试验各个选项，然后检查每个选项的结果。换而言之，我们需要相信自己的经验，但是对每次修改都要进行验证。

提示：下面介绍一个有关永久性配置的问题。注意，如果您重新启动了 GNU/Linux 系统，那么您所需要的任何可调节的内核参数都会恢复成默认值。为了将您所设置的值作为这些参数的默认值，可以使用 /etc/sysctl.conf 在系统启动时将这些参数配置成您所设置的值。

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GNU/Linux 工具

GNU/Linux 对我非常有吸引力，这是因为其中有很多工具可以使用。尽管其中大部分都是命令行工具，但是它们都非常有用，而且非常直观。GNU/Linux 提供了几个工具 —— 有些是 GNU/Linux 自己提供的，有些是开放源码软件 —— 用于调试网络应用程序，测量带宽/吞吐量，以及检查链接的使用情况。

表 2 列出最有用的几个 GNU/Linux 工具，以及它们的用途。表 3 列出了 GNU/Linux 发行版没有提供的几个有用工具。有关表 3 中工具的更多信息请参阅 参考资料。

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结束语

尝试使用本文中介绍的技巧和技术来提高 socket 应用程序的性能，包括通过禁用 Nagle 算法来减少传输延时，通过设置缓冲区的大小来提高 socket 带宽的利用，通过最小化系统调用的个数来降低系统调用的负载，以及使用可调节的内核参数来优化 Linux 的 TCP/IP 栈。

在进行优化时还需要考虑应用程序的特性。例如，您的应用程序是基于 LAN 的还是会通过 Internet 进行通信？如果您的应用程序仅仅会在 LAN 内部进行操作，那么增大 socket 缓冲区的大小可能不会带来太大的改进，不过启用巨帧却一定会极大地改进性能！

最后，还要使用 tcpdump 或 Ethereal 来检查优化之后的结果。在报文级看到的变化可以帮助展示使用这些技术进行优化之后所取得的成功效果。