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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。
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3个回答
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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。 |
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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*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”。 |
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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*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。 |
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