加速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的 4 種方法
M. Tim Jones ，資深軟件工程師，Emulex
2006 年 2 月 13 日
使用 Sockets
API，我們可以開發(fā)客戶機和服務(wù)器應(yīng)用程序，它們可以在本地網(wǎng)絡(luò)上進行通信，也可以通過 Internet 在全球范圍內(nèi)進行通信。與其他 API
一樣，您可以通過一些方法使用 Sockets API，從而提高 Socket 的性能，或者限制 Socket 的性能。本文探索了 4 種使用
Sockets API 來榨取應(yīng)用程序的最大性能并對 GNU/Linux® 環(huán)境進行優(yōu)化從而達到最好結(jié)果的方法。
在開發(fā) socket 應(yīng)用程序時，首要任務(wù)通常是確保可靠性并滿足一些特定的需求。利用本文中給出的 4
個提示，您就可以從頭開始為實現(xiàn)最佳性能來設(shè)計并開發(fā) socket 程序。本文內(nèi)容包括對于 Sockets API 的使用、兩個可以提高性能的
socket 選項以及 GNU/Linux 優(yōu)化。
為了能夠開發(fā)性能卓越的應(yīng)用程序，請遵循以下技巧：
- 最小化報文傳輸?shù)难訒r。
- 最小化系統(tǒng)調(diào)用的負載。
- 為 Bandwidth Delay Product 調(diào)節(jié) TCP 窗口。
- 動態(tài)優(yōu)化 GNU/Linux TCP/IP 棧。
技巧 1. 最小化報文傳輸?shù)难訒r在通過 TCP socket 進行通信時，數(shù)據(jù)都拆分成了數(shù)據(jù)塊，這樣它們就可以封裝到給定連接的 TCP
payload（指 TCP 數(shù)據(jù)包中的有效負荷）中了。TCP payload
的大小取決于幾個因素（例如最大報文長度和路徑），但是這些因素在連接發(fā)起時都是已知的。為了達到最好的性能，我們的目標(biāo)是使用盡可能多的可用數(shù)據(jù)來填充
每個報文。當(dāng)沒有足夠的數(shù)據(jù)來填充 payload 時（也稱為
最大報文段長度（maximum segment size） 或 MSS），TCP 就會采用 Nagle 算法自動將一些小的緩沖區(qū)連接到一個報文段中。這樣可以通過最小化所發(fā)送的報文的數(shù)量來提高應(yīng)用程序的效率，并減輕整體的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。
盡管 John Nagle
的算法可以通過將這些數(shù)據(jù)連接成更大的報文來最小化所發(fā)送的報文的數(shù)量，但是有時您可能希望只發(fā)送一些較小的報文。一個簡單的例子是 telnet
程序，它讓用戶可以與遠程系統(tǒng)進行交互，這通常都是通過一個 shell
來進行的。如果用戶被要求用發(fā)送報文之前輸入的字符來填充某個報文段，那么這種方法就絕對不能滿足我們的需要。
另外一個例子是 HTTP 協(xié)議。通常，客戶機瀏覽器會產(chǎn)生一個小請求（一條 HTTP 請求消息），然后 Web 服務(wù)器就會返回一個更大的響應(yīng)（Web 頁面）。
解決方案您應(yīng)該考慮的第一件事情是 Nagle 算法滿足一種需求。由于這種算法對數(shù)據(jù)進行合并，試圖構(gòu)成一個完整的 TCP 報文段，因此它會引入一些延時。但是這種算法可以最小化在線路上發(fā)送的報文的數(shù)量，因此可以最小化網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。
但是在需要最小化傳輸延時的情況中，Sockets API 可以提供一種解決方案。要禁用 Nagle 算法，您可以設(shè)置 TCP_NODELAY socket 選項，如清單 1 所示。
清單 1. 為 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 的實驗表明，在從 Microsoft® Windows® 服務(wù)器上的 Samba 驅(qū)動器上讀取數(shù)據(jù)時，禁用 Nagle 算法幾乎可以加倍提高讀性能。
技巧 2. 最小化系統(tǒng)調(diào)用的負載任何時候通過一個 socket 來讀寫數(shù)據(jù)時，您都是在使用一個
系統(tǒng)調(diào)用（system call）。這個調(diào)用（例如 read 或 write）跨越了用戶空間應(yīng)用程序與內(nèi)核的邊界。另外，在進入內(nèi)核之前，您的調(diào)用會通過 C 庫來進入內(nèi)核中的一個通用函數(shù)（system_call()）。從 system_call() 中，這個調(diào)用會進入文件系統(tǒng)層，內(nèi)核會在這兒確定正在處理的是哪種類型的設(shè)備。最后，調(diào)用會進入 socket 層，數(shù)據(jù)就是在這里進行讀取或進行排隊從而通過 socket 進行傳輸?shù)模ㄟ@涉及數(shù)據(jù)的副本）。
這個過程說明系統(tǒng)調(diào)用不僅僅是在應(yīng)用程序和內(nèi)核中進行操作的，而且還要經(jīng)過應(yīng)用程序和內(nèi)核中的很多層次。這個過程耗費的資源很高，因此調(diào)用次數(shù)越多，通過這個調(diào)用鏈進行的工作所需要的時間就越長，應(yīng)用程序的性能也就越低。
由于我們無法避免這些系統(tǒng)調(diào)用，因此惟一的選擇是最小化使用這些調(diào)用的次數(shù)。幸運的是，我們可以對這個過程進行控制。
解決方案在將數(shù)據(jù)寫入一個 socket
時，盡量一次寫入所有的數(shù)據(jù)，而不是執(zhí)行多次寫數(shù)據(jù)的操作。對于讀操作來說，最好傳入可以支持的最大緩沖區(qū)，因為如果沒有足夠多的數(shù)據(jù)，內(nèi)核也會試圖填充
整個緩沖區(qū)（另外還需要保持 TCP 的通告窗口為打開狀態(tài)）。這樣，您就可以最小化調(diào)用的次數(shù)，并可以實現(xiàn)更好的整體性能。
技巧 3. 為 Bandwidth Delay Product 調(diào)節(jié) TCP 窗口TCP 的性能取決于幾個方面的因素。兩個最重要的因素是
鏈接帶寬（link bandwidth）（報文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃俾剩┖?
往返時間（round-trip time） 或 RTT（發(fā)送報文與接收到另一端的響應(yīng)之間的延時）。這兩個值確定了稱為
Bandwidth Delay Product（BDP）的內(nèi)容。
給定鏈接帶寬和 RTT 之后，您就可以計算出 BDP 的值了，不過這代表什么意義呢？BDP
給出了一種簡單的方法來計算理論上最優(yōu)的 TCP socket
緩沖區(qū)大小（其中保存了排隊等待傳輸和等待應(yīng)用程序接收的數(shù)據(jù)）。如果緩沖區(qū)太小，那么 TCP
窗口就不能完全打開，這會對性能造成限制。如果緩沖區(qū)太大，那么寶貴的內(nèi)存資源就會造成浪費。如果您設(shè)置的緩沖區(qū)大小正好合適，那么就可以完全利用可用的
帶寬。下面我們來看一個例子：
BDP = link_bandwidth * RTT
如果應(yīng)用程序是通過一個 100Mbps 的局域網(wǎng)進行通信，其 RRT 為 50 ms，那么 BDP 就是：
100MBps * 0.050 sec / 8 = 0.625MB = 625KB
注意：此處除以 8 是將位轉(zhuǎn)換成通信使用的字節(jié)。
因此，我們可以將 TCP 窗口設(shè)置為 BDP 或 1.25MB。但是在 Linux 2.6 上默認的 TCP 窗口大小是 110KB，這會將連接的帶寬限制為 2.2MBps，計算方法如下：
throughput = window_size / RTT
110KB / 0.050 = 2.2MBps
如果使用上面計算的窗口大小，我們得到的帶寬就是 12.5MBps，計算方法如下：
625KB / 0.050 = 12.5MBps
差別的確很大，并且可以為 socket 提供更大的吞吐量。因此現(xiàn)在您就知道如何為您的 socket 計算最優(yōu)的緩沖區(qū)大小了。但是又該如何來改變呢？
解決方案Sockets API 提供了幾個 socket 選項，其中兩個可以用于修改 socket 的發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小。清單 2 展示了如何使用 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF 選項來調(diào)整發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小。
注意：盡管 socket 緩沖區(qū)的大小確定了通告 TCP 窗口的大小，但是 TCP 還在通告窗口內(nèi)維護了一個擁塞窗口。因此，由于這個擁塞窗口的存在，給定的 socket 可能永遠都不會利用最大的通告窗口。
清單 2. 手動設(shè)置發(fā)送和接收 socket 緩沖區(qū)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 內(nèi)核中，發(fā)送緩沖區(qū)的大小是由調(diào)用用戶來定義的，但是接收緩沖區(qū)會自動加倍。您可以進行 getsockopt 調(diào)用來驗證每個緩沖區(qū)的大小。
巨幀（jumbo frame）我們還可以考慮將包的大小從 1,500 字節(jié)修改為 9,000 字節(jié)（稱為巨幀）。在本地網(wǎng)絡(luò)中可以通過設(shè)置最大傳輸單元（Maximum Transmit Unit，MTU）來設(shè)置巨幀，這可以極大地提高性能。
就 window scaling 來說，TCP 最初可以支持最大為 64KB 的窗口（使用 16
位的值來定義窗口的大小）。采用 window scaling（RFC 1323）擴展之后，您就可以使用 32
位的值來表示窗口的大小了。GNU/Linux 中提供的 TCP/IP 棧可以支持這個選項（以及其他一些選項）。
提示：Linux 內(nèi)核還包括了自動對這些 socket 緩沖區(qū)進行優(yōu)化的能力（請參閱下面
表 1中的 tcp_rmem 和 tcp_wmem），不過這些選項會對整個棧造成影響。如果您只需要為一個連接或一類連接調(diào)節(jié)窗口的大小，那么這種機制也許不能滿足您的需要了。
回頁首技巧 4. 動態(tài)優(yōu)化 GNU/Linux TCP/IP 棧標(biāo)準(zhǔn)的 GNU/Linux 發(fā)行版試圖對各種部署情況都進行優(yōu)化。這意味著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)行版可能并沒有對您的環(huán)境進行特殊的優(yōu)化。
解決方案GNU/Linux 提供了很多可調(diào)節(jié)的內(nèi)核參數(shù)，您可以使用這些參數(shù)為您自己的用途對操作系統(tǒng)進行動態(tài)配置。下面我們來了解一下影響 socket 性能的一些更重要的選項。
在 /proc 虛擬文件系統(tǒng)中存在一些可調(diào)節(jié)的內(nèi)核參數(shù)。這個文件系統(tǒng)中的每個文件都表示一個或多個參數(shù)，它們可以通過 cat 工具進行讀取，或使用 echo 命令進行修改。清單 3 展示了如何查詢或啟用一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)（在這種情況中，可以在 TCP/IP 棧中啟用 IP 轉(zhuǎn)發(fā)）。
清單 3. 調(diào)優(yōu)：在 TCP/IP 棧中啟用 IP 轉(zhuǎn)發(fā)[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 給出了幾個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，它們可以幫助您提高 Linux TCP/IP 棧的性能。
表 1. TCP/IP 棧性能使用的可調(diào)節(jié)內(nèi)核參數(shù)可調(diào)節(jié)的參數(shù)
默認值
選項說明
/proc/sys/net/core/rmem_default
"110592"
定義默認的接收窗口大小；對于更大的 BDP 來說，這個大小也應(yīng)該更大。
/proc/sys/net/core/rmem_max
"110592"
定義接收窗口的最大大小；對于更大的 BDP 來說，這個大小也應(yīng)該更大。
/proc/sys/net/core/wmem_default
"110592"
定義默認的發(fā)送窗口大小；對于更大的 BDP 來說，這個大小也應(yīng)該更大。
/proc/sys/net/core/wmem_max
"110592"
定義發(fā)送窗口的最大大小；對于更大的 BDP 來說，這個大小也應(yīng)該更大。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling
"1"
啟用 RFC 1323 定義的 window scaling；要支持超過 64KB 的窗口，必須啟用該值。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack
"1"
啟用有選擇的應(yīng)答（Selective Acknowledgment），這可以通過有選擇地應(yīng)答亂序接收到的報文來提高性能（這樣可以讓發(fā)送者只發(fā)送丟失的報文段）；（對于廣域網(wǎng)通信來說）這個選項應(yīng)該啟用，但是這會增加對 CPU 的占用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_fack
"1"
啟用轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答（Forward Acknowledgment），這可以進行有選擇應(yīng)答（SACK）從而減少擁塞情況的發(fā)生；這個選項也應(yīng)該啟用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps
"1"
以一種比重發(fā)超時更精確的方法（請參閱 RFC 1323）來啟用對 RTT 的計算；為了實現(xiàn)更好的性能應(yīng)該啟用這個選項。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem
"24576 32768 49152"
確定 TCP 棧應(yīng)該如何反映內(nèi)存使用；每個值的單位都是內(nèi)存頁（通常是
4KB）。第一個值是內(nèi)存使用的下限。第二個值是內(nèi)存壓力模式開始對緩沖區(qū)使用應(yīng)用壓力的上限。第三個值是內(nèi)存上限。在這個層次上可以將報文丟棄，從而減
少對內(nèi)存的使用。對于較大的 BDP 可以增大這些值（但是要記住，其單位是內(nèi)存頁，而不是字節(jié)）。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem
"4096 16384 131072"
為自動調(diào)優(yōu)定義每個 socket 使用的內(nèi)存。第一個值是為 socket 的發(fā)送緩沖區(qū)分配的最少字節(jié)數(shù)。第二個值是默認值（該值會被 wmem_default 覆蓋），緩沖區(qū)在系統(tǒng)負載不重的情況下可以增長到這個值。第三個值是發(fā)送緩沖區(qū)空間的最大字節(jié)數(shù)（該值會被 wmem_max 覆蓋）。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem
"4096 87380 174760"
與 tcp_wmem 類似，不過它表示的是為自動調(diào)優(yōu)所使用的接收緩沖區(qū)的值。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_low_latency
"0"
允許 TCP/IP 棧適應(yīng)在高吞吐量情況下低延時的情況；這個選項應(yīng)該禁用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_westwood
"0"
啟用發(fā)送者端的擁塞控制算法，它可以維護對吞吐量的評估，并試圖對帶寬的整體利用情況進行優(yōu)化；對于 WAN 通信來說應(yīng)該啟用這個選項。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_bic
"1"
為快速長距離網(wǎng)絡(luò)啟用 Binary Increase Congestion；這樣可以更好地利用以 GB 速度進行操作的鏈接；對于 WAN 通信應(yīng)該啟用這個選項。
與任何調(diào)優(yōu)努力一樣，最好的方法實際上就是不斷進行實驗。您的應(yīng)用程序的行為、處理器的速度以及可
用內(nèi)存的多少都會影響到這些參數(shù)影響性能的方式。在某些情況中，您認為有益的操作可能恰恰是有害的（反之亦然）。因此，我們需要逐一試驗各個選項，然后檢
查每個選項的結(jié)果。換而言之，我們需要相信自己的經(jīng)驗，但是對每次修改都要進行驗證。
提示：下面介紹一個有關(guān)永久性配置的問題。注意，如果您重新啟動了 GNU/Linux 系統(tǒng)，那么您所需要的任何可調(diào)節(jié)的內(nèi)核參數(shù)都會恢復(fù)成默認值。為了將您所設(shè)置的值作為這些參數(shù)的默認值，可以使用 /etc/sysctl.conf 在系統(tǒng)啟動時將這些參數(shù)配置成您所設(shè)置的值。
GNU/Linux 工具GNU/Linux
對我非常有吸引力，這是因為其中有很多工具可以使用。盡管其中大部分都是命令行工具，但是它們都非常有用，而且非常直觀。GNU/Linux
提供了幾個工具 —— 有些是 GNU/Linux 自己提供的，有些是開放源碼軟件 ——
用于調(diào)試網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，測量帶寬/吞吐量，以及檢查鏈接的使用情況。
表 2 列出最有用的幾個 GNU/Linux 工具，以及它們的用途。表 3 列出了 GNU/Linux 發(fā)行版沒有提供的幾個有用工具。有關(guān)表 3 中工具的更多信息請參閱
參考資料。
表 2. 任何 GNU/Linux 發(fā)行版中都可以找到的工具GNU/Linux 工具
用途
ping
這是用于檢查主機的可用性的最常用的工具，但是也可以用于識別帶寬延時產(chǎn)品計算的 RTT。
traceroute
打印某個連接到網(wǎng)絡(luò)主機所經(jīng)過的包括一系列路由器和網(wǎng)關(guān)的路徑（路由），從而確定每個 hop 之間的延時。
netstat
確定有關(guān)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、協(xié)議和連接的各種統(tǒng)計信息。
tcpdump
顯示一個或多個連接的協(xié)議級的報文跟蹤信息；其中還包括時間信息，您可以使用這些信息來研究不同協(xié)議服務(wù)的報文時間。
表 3. GNU/Linux 發(fā)行版中沒有提供的有用性能工具GNU/Linux 工具
用途
netlog
為應(yīng)用程序提供一些有關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能方面的信息。
nettimer
為瓶頸鏈接帶寬生成一個度量標(biāo)準(zhǔn)；可以用于協(xié)議的自動優(yōu)化。
Ethereal
以一個易于使用的圖形化界面提供了 tcpump（報文跟蹤）的特性。
iperf
測量 TCP 和 UDP 的網(wǎng)絡(luò)性能；測量最大帶寬，并匯報延時和數(shù)據(jù)報的丟失情況。
結(jié)束語嘗試使用本文中介紹的技巧和技術(shù)來提高 socket 應(yīng)用程序的性能，包括通過禁用 Nagle
算法來減少傳輸延時，通過設(shè)置緩沖區(qū)的大小來提高 socket
帶寬的利用，通過最小化系統(tǒng)調(diào)用的個數(shù)來降低系統(tǒng)調(diào)用的負載，以及使用可調(diào)節(jié)的內(nèi)核參數(shù)來優(yōu)化 Linux 的 TCP/IP 棧。
在進行優(yōu)化時還需要考慮應(yīng)用程序的特性。例如，您的應(yīng)用程序是基于 LAN 的還是會通過 Internet
進行通信？如果您的應(yīng)用程序僅僅會在 LAN 內(nèi)部進行操作，那么增大 socket
緩沖區(qū)的大小可能不會帶來太大的改進，不過啟用巨幀卻一定會極大地改進性能！
最后，還要使用 tcpdump 或 Ethereal 來檢查優(yōu)化之后的結(jié)果。在報文級看到的變化可以幫助展示使用這些技術(shù)進行優(yōu)化之后所取得的成功效果。
參考資料 學(xué)習(xí)
獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
關(guān)于作者
Tim Jones 是一名嵌入式軟件工程師，他是
GNU/Linux Application Programming、
AI Application Programming 以及
BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書的作者。他的工程背景非常廣泛，從同步宇宙飛船的內(nèi)核開發(fā)到嵌入式架構(gòu)設(shè)計，再到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)。Tim 是 Emulex Corp. 的一名資深軟件工程師。
本文摘自IBM網(wǎng)站