提高 Linux上socket 性能的技巧 為 Bandwidth Delay Product 調節 TCP 窗口
本文內容包括Linux下對于 Sockets API 的使用、兩個可以提高性能的 socket 選項以及 GNU/Linux 優化。為了能夠開發性能卓越的應用程序，請遵循以下技巧：最小化報文傳輸的延時；最小化系統調用的負載；為 Bandwidth Delay Product 調節 TCP 窗口；動態優化 GNU/Linux TCP/IP 棧。
為 Bandwidth Delay Product 調節 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)(報文在網絡上傳輸的速率)和 往返時間(round-trip time) 或 RTT(發送報文與接收到另一端的響應之間的延時)。這兩個值確定了稱為 Bandwidth Delay Product(BDP)的內容。
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的 TCP socket 緩沖區大小(其中保存了排隊等待傳輸和等待應用程序接收的數據)。如果緩沖區太小，那么 TCP 窗口就不能完全打開，這會對性能造成限制。如果緩沖區太大，那么寶貴的內存資源就會造成浪費。如果您設置的緩沖區大小正好合適，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
如果應用程序是通過一個 100Mbps 的局域網進行通信，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 是將位轉換成通信使用的字節。
因此，我們可以將 TCP 窗口設置為 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。因此現在您就知道如何為您的 socket 計算最優的緩沖區大小了。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 的發送和接收緩沖區的大小。清單 2 展示了如何使用 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF 選項來調整發送和接收緩沖區的大小。
注意：盡管 socket 緩沖區的大小確定了通告 TCP 窗口的大小，但是 TCP 還在通告窗口內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. 手動設置發送和接收 socket 緩沖區大小
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 內核中，發送緩沖區的大小是由調用用戶來定義的，但是接收緩沖區會自動加倍。您可以進行 getsockopt 調用來驗證每個緩沖區的大小。
巨幀(jumbo frame)
我們還可以考慮將包的大小從 1,500 字節修改為 9,000 字節(稱為巨幀)。在本地網絡中可以通過設置最大傳輸單元(Maximum Transmit Unit，MTU)來設置巨幀，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 內核還包括了自動對這些 socket 緩沖區進行優化的能力(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節窗口的大小，那么這種機制也許不能滿足您的需要了。
使用 Sockets API，我們可以開發客戶機和服務器應用程序，它們可以在本地網絡上進行通信，也可以通過 Internet 在全球范圍內進行通信。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。
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