提高 Linux 上 socket 性能

加速网络应用程序的 4 种方法

级别: 中级

M. Tim Jones , 资深软件工程师, Emulex

2006 年 2 月 13 日

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。

                    
                      

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。

                    
                      

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。

巨帧（jumbo frame） 我们还可以考虑将包的大小从 1,500 字节修改为 9,000 字节（称为巨帧）。在本地网络中可以通过设置最大传输单元（Maximum Transmit Unit，MTU）来设置巨帧，这可以极大地提高性能。

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）。

                    
                      

[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。

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参考资料

• 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文 。
  
  
• 两部分的系列文章 “ Linux Socket 编程 ”（developerWorks，2003 年 10 月和 2004 年 1 月）可以帮助您编写 socket 应用程序。
  
  
• 请参阅 Pittsburgh Supercomputing Center 有关 TCP 友好的拥塞控制算法 的其他文章。
  
  
• 增大 MTU 可以极大地影响性能。请参阅更多有关 巨帧 及其优点的内容。
  
  
• 请参阅 ICSI Center for Internet Research 有关 选择性应答 的文章。
  
  
• 查看 TCP Westwood 主页 ，了解更多有关 TCP Westwood 算法的详细内容。
  
  
• 研究 North Carolina State University 的 Binary Increase Congestion TCP 。
  
  
• 请阅读本文作者编写的书 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective （Charles River Media，2003 年 9 月），其中介绍了使用 6 种不同的语言来编写 socket 程序的技术。
  
  
• 在 developerWorks Linux 专区 中可以找到为 Linux 开发人员准备的更多资源。
  
  
• 跟踪 developerWorks 技术事件和 Webcasts 的最新进展。

• 您可以将 netlog 库 链接到一个应用程序，以便为性能分析提供方便。
  
  
• Ethereal 是一个图形化的网络协议分析器，其中包括了用于协议分析的插件架构。
  
  
• 请阅读 National Laboratory for Applied Network Research 上更多有关 Iperf 工具 的内容。
  
  
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关于作者

		Tim Jones 是一名嵌入式软件工程师，他是 GNU/Linux Application Programming 、 AI Application Programming 以及 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等书的作者。他的工程背景非常广泛，从同步宇宙飞船的内核开发到嵌入式架构设计，再到网络协议的开发。Tim 是 Emulex Corp. 的一名资深软件工程师。