盈信基金:Linux下Socket网络编程

什么是Socket
Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。
Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的 Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返 回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据 报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。
Socket建立
为了建立Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。socket函数原型为：
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；protocol通常赋值"0"。 Socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。
Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。Socket数据结构中包含这五种信息。
Socket配置
通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过 调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。
Bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。Bind函数原型为：
int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。
struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的：
struct sockaddr {
unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */
};
sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。
另外还有一种结构类型：
struct sockaddr_in {
short int sin_family; /* 地址族 */
unsigned short int sin_port; /* 端口号 */
struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */
};
这个结构更方便使用。sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或者相反。
使用bind函数时，可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：
my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */
通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。
注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不需要转换。
计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。
下面是几个字节顺序转换函数：
·htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序
·htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序
·ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序
·ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序
Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。
连接建立
面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。 Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器 的IP地址，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到 打断口。
Connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。
Listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。
int listen(int sockfd， int backlog);
Sockfd 是Socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。Backlog对队列中等待 服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。
当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。
accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某 台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。
首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的 初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。
数据传输
Send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。
Send()函数原型为：
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；Len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
recv()函数原型为：
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
Sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。Flags也被置为0。Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。
Sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。
sendto()函数原型为：
int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。
Recvfrom()函数原型为：
int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或 当出现错误时返回-1，并置相应的errno。
如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。
结束传输
当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：
close(sockfd);
你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。
int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：
·0-------不允许继续接收数据
·1-------不允许继续发送数据
·2-------不允许继续发送和接收数据，
·均为允许则调用close ()
shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。
Socket编程实例
代码实例中的服务器通过socket连接向客户端发送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服务器上运行该服务器软件，在客户端运行客户软件，客户端就会收到该字符串。
该服务器软件代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 3333 /*服务器监听端口号 */
#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */
main()
{
int sockfd,client_fd; /*sock_fd：监听socket；client_fd：数据传输socket */
struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */
struct sockaddr_in remote_addr; /* 客户端地址信息 */
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket创建出错！"); exit(1);
}
my_addr.sin_family=AF_INET;
my_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bzero(&(my_addr.sin_zero),8);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
perror("bind出错！");
exit(1);
}
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {
perror("listen出错！");
exit(1);
}
while(1) {
sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1) {
perror("accept出错");
continue;
}
printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
if (!fork()) { /* 子进程代码段 */
if (send(client_fd, "Hello, you are connected!\n", 26, 0) == -1)
perror("send出错！");
close(client_fd);
exit(0);
}
close(client_fd);
}
}
}
服务器的工作流程是这样的：首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，然后调用 listen在相应的socket上监听，当accpet接收到一个连接服务请求时，将生成一个新的socket。服务器显示该客户机的IP地址，并通过 新的socket向客户端发送字符串"Hello，you are connected!"。最后关闭该socket。
代码实例中的fork()函数生成一个子进程来处理数据传输部分，fork()语句对于子进程返回的值为0。所以包含fork函数的if语句是子进程代码部分，它与if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。
客户端程序代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 3333
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */
main(int argc, char *argv[]){
int sockfd, recvbytes;
char buf[MAXDATASIZE];
struct hostent *host;
struct sockaddr_in serv_addr;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {
herror("gethostbyname出错！");
exit(1);
}
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket创建出错！");
exit(1);
}
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \
sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
perror("connect出错！");
exit(1);
}
if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {
perror("recv出错！");
exit(1);
}
buf[recvbytes] = '\0';
printf("Received: %s",buf);
close(sockfd);
}
客户端程序首先通过服务器域名获得服务器的IP地址，然后创建一个socket，调用connect函数与服务器建立连接，连接成功之后接收从服务器发送过来的数据，最后关闭socket。
函数gethostbyname()是完成域名转换的。由于IP地址难以记忆和读写，所以为了方便，人们常常用域名来表示主机，这就需要进行域名和IP地址的转换。函数原型为：
struct hostent *gethostbyname(const char *name);
函数返回为hosten的结构类型，它的定义如下：
struct hostent {
char *h_name; /* 主机的官方域名 */
char **h_aliases; /* 一个以NULL结尾的主机别名数组 */
int h_addrtype; /* 返回的地址类型，在Internet环境下为AF-INET */
int h_length; /* 地址的字节长度 */
char **h_addr_list; /* 一个以0结尾的数组，包含该主机的所有地址*/
};
#define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一个地址*/
当 gethostname()调用成功时，返回指向struct hosten的指针，当调用失败时返回-1。当调用gethostbyname时，你不能使用perror()函数来输出错误信息，而应该使用herror()函数来输出。
无连接的客户/服务器程序的在原理上和连接的客户/服务器是一样的，两者的区别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不需要建立连接，而且在发送接收数据时，需要指定远端机的地址。
阻塞和非阻塞
阻塞函数在完成其指定的任务以前不允许程序调用另一个函数。例如，程序执行一个读数据的函数调用时，在此函数完成读操作以前将不会执行下一程序语句。当 服务器运行到accept语句时，而没有客户连接服务请求到来，服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来。这种情况称为阻塞 （blocking）。而非阻塞操作则可以立即完成。比如，如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接，有就接受连接，否则就继续做其他事情，则 可以通过将Socket设置为非阻塞方式来实现。非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用立即返回。
#include
#include
……
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；
……
通过设置socket为非阻塞方式，可以实现"轮询"若干Socket。当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞Socket读入数据时，函数将立即返 回，返回值为-1，并置errno值为EWOULDBLOCK。但是这种"轮询"会使CPU处于忙等待方式，从而降低性能，浪费系统资源。而调用 select()会有效地解决这个问题，它允许你把进程本身挂起来，而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动，只要确认在任何被监控的文件 描述符上出现活动，select()调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息，从而实现了为进程选出随机的变化，而不必由进程本身对输入进行测试而浪费 CPU开销。Select函数原型为:
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds，
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);
其中readfds、writefds、exceptfds分别是被select()监视的读、写和异常处理的文件描述符集合。如果你希望确定是否可以 从标准输入和某个socket描述符读取数据，你只需要将标准输入的文件描述符0和相应的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值 是需要检查的号码最高的文件描述符加1，这个例子中numfds的值应为sockfd+1；当select返回时，readfds将被修改，指示某个文件 描述符已经准备被读取，你可以通过FD_ISSSET()来测试。为了实现fd_set中对应的文件描述符的设置、复位和测试，它提供了一组宏：
FD_ZERO(fd_set *set)----清除一个文件描述符集；
FD_SET(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符加入文件描述符集中；
FD_CLR(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符从文件描述符集中清除；
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----试判断是否文件描述符被置位。
Timeout参数是一个指向struct timeval类型的指针，它可以使select()在等待timeout长时间后没有文件描述符准备好即返回。struct timeval数据结构为：
struct timeval {
int tv_sec; /* seconds */
int tv_usec; /* microseconds */
};
POP3客户端实例
下面的代码实例基于POP3的客户协议，与邮件服务器连接并取回指定用户帐号的邮件。与邮件服务器交互的命令存储在字符串数组POPMessage中，程序通过一个do-while循环依次发送这些命令。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define POP3SERVPORT 110
#define MAXDATASIZE 4096
main(int argc, char *argv[]){
int sockfd;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in serv_addr;
char *POPMessage[]={
"USER userid\r\n",
"PASS password\r\n",
"STAT\r\n",
"LIST\r\n",
"RETR 1\r\n",
"DELE 1\r\n",
"QUIT\r\n",
NULL
};
int iLength;
int iMsg=0;
int iEnd=0;
char buf[MAXDATASIZE];
if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) {
perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket error");
exit(1);
}
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT);
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){
perror("connect error");
exit(1);
}
do {
send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0);
printf("have sent: %s",POPMessage[iMsg]);
iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0);
iEnd+=iLength;
buf[iEnd]='\0';
printf("received: %s,%d\n",buf,iMsg);
iMsg++;
} while (POPMessage[iMsg]);
close(sockfd);
}
很好很强大的linux/unix网络文件传输例子：
最近一直在学习unix网络编程，在最开始传输图片的文件老是会出现多出些字节，后面经过测试和参考网上的文章发现是在处理文件的读和写的最后没有处理好出现了这些问题。现在把程序改进了下，测试了可以传输其它类型的文件。下面一步就是编写视频传输的程序。
server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXSIZE 100
int main(int argc,char **argv)
{
int server_sockfd,client_sockfd;
int server_len,client_len;
char ch[MAXSIZE];
struct sockaddr_in server_address;
struct sockaddr_in client_address;
if (argc != 2)
{
printf("server:file name\n");
exit(1);
}
server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(server_sockfd <0)
{
printf("Creating socket error!\n");
exit(1);
}
bzero(&server_address,sizeof(struct sockaddr_in));
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_address.sin_port = htons(5000);
server_len = sizeof(server_address);
int opt = 1;
setsockopt(server_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_address,server_len) < 0)
{
perror("Bind error.");
exit(1);
}
if(listen(server_sockfd,5) == -1)
{
printf("listen error!\n");
exit(1);
}
client_len = sizeof(client_address);
client_sockfd = accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&client_address, &client_len);
if(client_sockfd == -1)
{
printf("accept error!\n");
exit(1);
}
FILE *fd = fopen(argv[1],"rb");
if (fd == NULL)
{
printf("file open error!\n");
exit(2);
}
while(!feof(fd))
{
int len = fread(ch,1,MAXSIZE,fd);
write(client_sockfd,ch,len);
}
close(client_sockfd);
fclose(fd);
return 0;
}
client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXSIZE 100
int main(int argc,char **argv)
{
int sockfd,len;
int result,count;
char recvs[MAXSIZE];
struct sockaddr_in address;
struct hostent *host;
if (argc != 3)
{
printf("client ip filename\n");
exit(1);
}
host = gethostbyname(argv[1]) ;
if(( sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))== -1)
{
printf("socket create error!\n");
exit(1);
}
bzero(&address,sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
address.sin_port = htons(5000);
int opt = 1;
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
len = sizeof(address);
result = connect(sockfd,(struct sockaddr *)&address,len);
if (result == -1)
{
perror("client");
exit(1);
}
FILE *fd = fopen(argv[2],"wb");
if (fd == NULL)
{
printf("create file error!\n");
exit(1);
}
while(1){
count = read(sockfd,recvs,MAXSIZE);
if (count ==0)
break;
fwrite(recvs,1,count,fd);
}
close(sockfd);
fclose(fd);
return 0;
提高 Linux 上 socket 性能
提高 Linux 上 socket 性能
加速网络应用程序的 4 种方法
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。
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。
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。
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。
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。
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。
表 1. TCP/IP 栈性能使用的可调节内核参数  可调节的参数 默认值 选项说明
/proc/sys/net/core/rmem_default "110592" 定义默认的接收窗口大小；对于更大的 BDP 来说，这个大小也应该更大。
/proc/sys/net/core/rmem_max "110592" 定义接收窗口的最大大小；对于更大的 BDP 来说，这个大小也应该更大。
/proc/sys/net/core/wmem_default "110592" 定义默认的发送窗口大小；对于更大的 BDP 来说，这个大小也应该更大。
/proc/sys/net/core/wmem_max "110592" 定义发送窗口的最大大小；对于更大的 BDP 来说，这个大小也应该更大。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling "1" 启用 RFC 1323 定义的 window scaling；要支持超过 64KB 的窗口，必须启用该值。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack "1" 启用有选择的应答（Selective Acknowledgment），这可以通过有选择地应答乱序接收到的报文来提高性能（这样可以让发送者只发送丢失的报文段）；（对于广域网通信来说）这个选项应该启用，但是这会增加对 CPU 的占用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_fack "1" 启用转发应答（Forward Acknowledgment），这可以进行有选择应答（SACK）从而减少拥塞情况的发生；这个选项也应该启用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps "1" 以一种比重发超时更精确的方法（请参阅 RFC 1323）来启用对 RTT 的计算；为了实现更好的性能应该启用这个选项。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem "24576 32768 49152" 确定 TCP 栈应该如何反映内存使用；每个值的单位都是内存页（通常是 4KB）。第一个值是内存使用的下限。第二个值是内存压力模式开始对缓冲区使用应用压力的上限。第三个值是内存上限。在这个层次上可以将报文丢弃，从而减少对内存的使用。对于较大的 BDP 可以增大这些值（但是要记住，其单位是内存页，而不是字节）。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem "4096 16384 131072" 为自动调优定义每个 socket 使用的内存。第一个值是为 socket 的发送缓冲区分配的最少字节数。第二个值是默认值（该值会被 wmem_default 覆盖），缓冲区在系统负载不重的情况下可以增长到这个值。第三个值是发送缓冲区空间的最大字节数（该值会被 wmem_max 覆盖）。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem "4096 87380 174760" 与 tcp_wmem 类似，不过它表示的是为自动调优所使用的接收缓冲区的值。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_low_latency "0" 允许 TCP/IP 栈适应在高吞吐量情况下低延时的情况；这个选项应该禁用。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_westwood "0" 启用发送者端的拥塞控制算法，它可以维护对吞吐量的评估，并试图对带宽的整体利用情况进行优化；对于 WAN 通信来说应该启用这个选项。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_bic "1" 为快速长距离网络启用 Binary Increase Congestion；这样可以更好地利用以 GB 速度进行操作的链接；对于 WAN 通信应该启用这个选项。
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。
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。
表 2. 任何 GNU/Linux 发行版中都可以找到的工具  GNU/Linux 工具 用途
ping 这是用于检查主机的可用性的最常用的工具，但是也可以用于识别带宽延时产品计算的 RTT。
traceroute 打印某个连接到网络主机所经过的包括一系列路由器和网关的路径（路由），从而确定每个 hop 之间的延时。
netstat 确定有关网络子系统、协议和连接的各种统计信息。
tcpdump 显示一个或多个连接的协议级的报文跟踪信息；其中还包括时间信息，您可以使用这些信息来研究不同协议服务的报文时间。
表 3. GNU/Linux 发行版中没有提供的有用性能工具  GNU/Linux 工具 用途
netlog 为应用程序提供一些有关网络性能方面的信息。
nettimer 为瓶颈链接带宽生成一个度量标准；可以用于协议的自动优化。
Ethereal 以一个易于使用的图形化界面提供了 tcpump（报文跟踪）的特性。
iperf 测量 TCP 和 UDP 的网络性能；测量最大带宽，并汇报延时和数据报的丢失情况。
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。
Linux下Socket连接超时的一种实现方法
目前各平台通用的设置套接字（Socket）连接超时的办法是：
创建套接字，将其设置成非阻塞状态。
调用connect连接对端主机，如果失败，判断当时的errno是否为EINPROGRESS，也就是说是不是连接正在进行中，如果 是，转到步骤3，如果不是，返回错误。
用select在指定的超时时间内监听套接字的写就绪事件，如果select有监听到，证明连接成功，否则连接失败。
以下是Linux环境下的示例代码:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retval;
struct sockaddr_in addr;
struct timeval timeo = {3, 0};
socklen_t len = sizeof(timeo);
fd_set set;
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (argc == 4)
timeo.tv_sec = atoi(argv[3]);
fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | O_NONBLOCK);
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
printf("%d\n", time(NULL));
if (connect(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == 0) {
printf("connected\n");
return 0;
}
if (errno != EINPROGRESS) {
perror("connect");
return -1;
}
FD_ZERO(&set);
FD_SET(fd, &set);
retval = select(fd + 1, NULL, &set, NULL, &timeo);
if (retval == -1) {
perror("select");
return -1;
} else if(retval == 0) {
fprintf(stderr, "timeout\n");
printf("%d\n", time(NULL));
return 0;
}
printf("connected\n");
return 0;
}
实际运行结果如下:
xiaosuo@gentux perl $ ./a.out 10.16.101.1 90
1180289276
timeout
1180289279
xiaosuo@gentux perl $ ./a.out 10.16.101.1 90 1
1180289281
timeout
1180289282
可以看到，以上代码工作的很好，并且如果你想知道连接发生错误时的确切信息的话，你可以用getsocketopt获得:
int error;
socklen_t errorlen = sizeof(error);
getsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &errorlen);
但是多少有些复杂，如果有象SO_SNDTIMO/SO_RCVTIMO一样的套接字参数可以让超时操作跳过select的话，世界将变得更美好。当然 你还可以选用象
apr
一样提供了简单接口的库，但我这里要提的是另一种方法。
呵呵，引子似乎太长了点儿。读Linux内核源码的时候偶然发现其connect的超时参数竟然和用SO_SNDTIMO操作的参数一致:
File: net/ipv4/af_inet.c
559      timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
560
561      if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
562          /* Error code is set above */
563          if (!timeo || !inet_wait_for_connect(sk, timeo))
564              goto out;
565
566          err = sock_intr_errno(timeo);
567          if (signal_pending(current))
568              goto out;
569      }
这意味着：
在Linux平台下，可以通过在connect之前设置SO_SNDTIMO来达到控制连接超时 的目的
。简单的写了份测试代码:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
struct sockaddr_in addr;
struct timeval timeo = {3, 0};
socklen_t len = sizeof(timeo);
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (argc == 4)
timeo.tv_sec = atoi(argv[3]);
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeo, len);
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
if (connect(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
if (errno == EINPROGRESS) {
fprintf(stderr, "timeout\n");
return -1;
}
perror("connect");
return 0;
}
printf("connected\n");
return 0;
}
执行结果:
xiaosuo@gentux perl $ ./a.out 10.16.101.1 90
1180290583
timeout
1180290586
xiaosuo@gentux perl $ ./a.out 10.16.101.1 90 2
1180290590
timeout
1180290592
Linux，socket，非阻塞，fcntl
标签：socket非阻塞 Linux
用以下方法将socket设置为非阻塞方式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
用以下方法将socket设置为非阻塞方式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
将非阻塞的设置回阻塞可以用
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性。
用法：
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
参数：
fd：文件描述词。
cmd：操作命令。
arg：供命令使用的参数。
lock：同上。
有以下操作命令可供使用
一. F_DUPFD ：复制文件描述词 。
二. FD_CLOEXEC ：设置close-on-exec标志。如果FD_CLOEXEC位是0，执行execve的过程中，文件保持打开。反之则关闭。
三. F_GETFD ：读取文件描述词标志。
四. F_SETFD ：设置文件描述词标志。
五. F_GETFL ：读取文件状态标志。
六. F_SETFL ：设置文件状态标志。
其中O_RDONLY， O_WRONLY， O_RDWR， O_CREAT， O_EXCL， O_NOCTTY 和 O_TRUNC不受影响，
可以更改的标志有 O_APPEND，O_ASYNC， O_DIRECT， O_NOATIME 和 O_NONBLOCK。
七. F_GETLK, F_SETLK 和 F_SETLKW ：获取，释放或测试记录锁，使用到的参数是以下结构体指针：
F_SETLK：在指定的字节范围获取锁（F_RDLCK, F_WRLCK）或者释放锁（F_UNLCK）。如果与另一个进程的锁操作发生冲突，返回 -1并将errno设置为EACCES或EAGAIN。
F_SETLKW：行为如同F_SETLK，除了不能获取锁时会睡眠等待外。如果在等待的过程中接收到信号，会立即返回并将errno置为EINTR。
F_GETLK：获取文件锁信息。
F_UNLCK：释放文件锁。
为了设置读锁，文件必须以读的方式打开。为了设置写锁，文件必须以写的方式打开。为了设置读写锁，文件必须以读写的方式打开。
八. 信号管理
F_GETOWN, F_SETOWN, F_GETSIG 和 F_SETSIG 被用于IO可获取的信号。
F_GETOWN：获取当前在文件描述词 fd上接收到SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。
F_SETOWN：设置将要在文件描述词fd上接收SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。
F_GETSIG：获取标识输入输出可进行的信号。
F_SETSIG：设置标识输入输出可进行的信号。
使用以上命令，大部分时间程序无须使用select()或poll()即可实现完整的异步I/O。
九. 租约（ Leases）
F_SETLEASE 和 F_GETLEASE 被用于当前进程在文件上的租约。文件租约提供当一个进程试图打开或折断文件内容时，拥有文件租约的进程将会被通告的机制。
F_SETLEASE：根据以下符号值设置或者删除文件租约
1.F_RDLCK设置读租约，当文件由另一个进程以写的方式打开或折断内容时，拥有租约的当前进程会被通告。
2.F_WRLCK设置写租约，当文件由另一个进程以读或以写的方式打开或折断内容时，拥有租约的当前进程会被通告。
3.F_UNLCK删除文件租约。
F_GETLEASE：获取租约类型。
十.文件或目录改变通告
（linux 2.4以上）当fd索引的目录或目录中所包含的某一文件发生变化时，将会向进程发出通告。arg参数指定的通告事件有以下，两个或多个值可以通过或运算组合。
1.DN_ACCESS 文件被访问 (read, pread, readv)
2.DN_MODIFY 文件被修改(write, pwrite,writev, truncate, ftruncate)
3.DN_CREATE 文件被建立(open, creat, mknod, mkdir, link, symlink, rename)
4.DN_DELETE 文件被删除(unlink, rmdir)
5.DN_RENAME 文件被重命名(rename)
6.DN_ATTRIB 文件属性被改变(chown, chmod, utime[s])
返回说明：
成功执行时，对于不同的操作，有不同的返回值
F_DUPFD： 新文件描述词
F_GETFD： 标志值
F_GETFL： 标志值
F_GETOWN： 文件描述词属主
F_GETSIG： 读写变得可行时将要发送的通告信号，或者0对于传统的SIGIO行为
对于其它命令返回0。
失败返回-1，errno被设为以下的某个值
EACCES/EAGAIN: 操作不被允许，尚未可行
EBADF: 文件描述词无效
EDEADLK: 探测到可能会发生死锁
EFAULT: 锁操作发生在可访问的地址空间外
EINTR: 操作被信号中断
EINVAL： 参数无效
EMFILE: 进程已超出文件的最大可使用范围
ENOLCK: 锁已被用尽
EPERM:权能不允许
struct flock {
short l_type; /* 锁类型： F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
short l_whence; /* l_start字段参照点： SEEK_SET(文件头), SEEK_CUR(文件当前位置), SEEK_END(文件尾) */
off_t l_start; /* 相对于l_whence字段的偏移量 */
off_t l_len; /* 需要锁定的长度 */
pid_t l_pid; /* 当前获得文件锁的进程标识（F_GETLK） */
};