最近在用python写socket程序,主要是实现在socket基础上实现一些应用层的协议,python中socket标准库函数与C语言中非常相近,很多概念都可以参考《UNIX网络编程》这本经典书籍,这几天遇到的TCP发送缓冲区的问题一直没搞明白,正好从网上转一篇博文,再结合unp学到不少东西。
(一)基础知识
- IPv4 数据报最大大小是65535(16位),包括IPv4头部。
- IPv6 数据报最大大小是65575,包括40个字节的IPv4头部
- MTU,这是由硬件规定的,如以太网的MTU是1500字节,IPv4要求最小MTU是68字节,IPv6要求最小MTU是576字节
- path MTU: 指两台主机间的路径上最小MTU
- 分片(fragmentation):指ip数据报大小超过相应链路的MTU,IPv4和IPv6都将对ip数据进行分片,到达目的主机后进行重组。
- IPv4头部的DF位用于设置分片还是不分片
- MSS:最大分节大小,向对方TCP通告被通告方在每个分节中能发送的最大TCP数据量。MSS的目的是告诉对方其重组缓冲区大小的实际值,从而避免分片。
(二)TCP与UDP的输出
每个TCP套接口有一个发送缓冲区,可以用SO_SNDBUF套接口选项来改变这一缓冲区的大小。当应用进程调用write往套接口写数据时,内核从应用进程缓冲区中拷贝所有数据到套接口的发送缓冲区,如果套接口发送缓冲区容不下应用程序的所有数据,或者是应用进程的缓冲区大于套接口的发送缓冲区,或者是套接口的发送缓冲区中有别的数据,应用进程将被挂起。内核将不从write返回。直到应用进程缓冲区中的所有数据都拷贝到套接口发送缓冲区。所以,从写一个TCP套接口的write调用成功返回仅仅表示我们可以重新使用应用进程缓冲区,它并不是告诉我们对方收到数据。TCP发给对方的数据,对方在收到数据时必须给矛确认,只有在收到对方的确认时,本方TCP才会把TCP发送缓冲区中的数据删除。
UDP因为是不可靠连接,不必保存应用进程的数据拷贝,应用进程中的数据在沿协议栈向下传递时,以某种形式拷贝到内核缓冲区,当数据链路层把数据传出后就把内核缓冲区中数据拷贝删除。因此它不需要一个发送缓冲区。写UDP套接口的write返回表示应用程序的数据或数据分片已经进入链路层的输出队列,如果输出队列没有足够的空间存放数据,将返回错误ENOBUFS.
(三)tcp socket的发送与接收缓冲区
应用程序可通过调用send(write, sendmsg等)利用tcp socket向网络发送应用数据,而tcp/ip协议栈再通过网络设备接口把已经组织成struct sk_buff的应用数据(tcp数据报)真正发送到网络上,由于应用程序调用send的速度跟网络介质发送数据的速度存在差异,所以,一部分应用数据被组织成tcp数据报之后,会缓存在tcp socket的发送缓存队列中,等待网络空闲时再发送出去。同时,tcp协议要求对端在收到tcp数据报后,要对其序号进行ACK,只有当收到一个tcp 数据报的ACK之后,才可以把这个tcp数据报(以一个struct sk_buff的形式存在)从socket的发送缓冲队列中清除。
tcp socket的发送缓冲区实际上是一个结构体struct sk_buff的队列,我们可以把它称为发送缓冲队列,由结构体struct sock的成员sk_write_queue表示。sk_write_queue是一个结构体struct sk_buff_head类型,这是一个struct sk_buff的双向链表,其定义如下:
struct sk_buff_head {
struct sk_buff *next; //后指针
struct sk_buff *prev; //前指针
__u32 qlen; //队列长度(即含有几个struct sk_buff)
spinlock_t lock; //链表锁
};
(1)
内核代码中,先在这个队列中创建足够存放数据的struct sk_buff,然后向队列存入应用数据。
结构体struct sock的成员sk_wmem_queued表示发送缓冲队列中已分配的字节数,一般来说,分配一个struct sk_buff是用于存放一个tcp数据报,其分配字节数应该是MSS+协议首部长度。在我的实验环境中,MSS值是1448,协议首部取最大长度 MAX_TCP_HEADER,在我的实验环境中为224。经数据对齐处理后,最后struct sk_buff的truesize为1956。也就是队列中每分配一个struct sk_buff,成员sk_wmem_queue的值就增加1956。
struct sock的成员sk_forward_alloc是表示预分配长度。当我们第一次要为发送缓冲队列分配一个struct sk_buff时,我们并不是直接分配需要的内存大小,而是会以内存页为单位进行的预分配。
tcp协议分配struct sk_buff的函数是sk_stream_alloc_pskb。它首先根据传入的参数指定的大小在内存中分配一个struct sk_buff,如果成功,sk_forward_alloc取该大小值,并向上取整到页(4096字节)的整数倍。并累加到struct sock的成员sk_prot,也即表示tcp协议的结构体mytcp_prot的成员memory_allocated中,该成员是一个指针,指向变量 tcp_memory_allocated,它表示的是当前整个TCP协议当前为缓冲区所分配的内存(包括读缓冲队列)
当把这个新分配成功的struct sk_buff放入到缓冲队列sk_write_queue后,从sk_forward_alloc中减去该sk_buff的truesize值。第二次分配struct sk_buff时,只要再从sk_forward_alloc中减去新的sk_buff的truesize即可,如果sk_forward_alloc已经小于当前的truesize,则将其再加上一个页的整数倍值,并累加入tcp_memory_allocated。
也就是说,通过sk_forward_alloc使全局变量tcp_memory_allocated保存当前tcp协议总的缓冲区分配内存的大小,并且该大小是页边界对齐的。
(2)
前面讲到struct sock的成员sk_forward_alloc表示预分配内存大小,用于向全局变量mytcp_memory_allocated累加当前已分配的整个TCP协议的缓冲区大小。之所以要累加这个值,是为了对tcp协议总的可用缓冲区大小作限制。表示TCP协议的结构体mytcp_prot还有几个成员与缓冲区相关。
mysysctl_tcp_mem是一个数组,由mytcp_prot的成员sysctl_mem指向,数组共有三个元素,mysysctl_tcp_mem[0]表示对缓冲区总的可用大小的最低限制,当前总共分配的缓冲区大小低于这个值,则没有问题,分配成功。 mysysctl_tcp_mem[2]表示对缓冲区可用大小的最高硬性限制,一旦总分配的缓冲区大小超出这个值,我们只好把tcp socket 的发送缓冲区的预设大小sk_sndbuf减小为已分配缓冲队列大小的一半,但不能小于SOCK_MIN_SNDBUF(2K),但保证这一次的分配成功。mysysctl_tcp_mem[1]介于前面两个值的中间,这是一个警告值,一旦超出这个值,进入警告状态,这个状态下,根据调用参数来决定此次分配是否成功。
这三个值的大小是根据所在系统的内存大小,在初始化时决定的,在我的实验环境中,内存大小为256M,这三个值分配是:96K,128K,192K。它们可以通过/proc文件系统,在/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem中进行修改。当然,除非特别需要,一般无需改动这些缺省值。
mysysctl_tcp_wmem也是一个同样结构的数组,表示发送缓冲区的大小限制,由mytcp_prot的成员sysctl_wmem指向,其缺省值分别是4K,16K,128K。可以通过/proc文件系统,在/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem中进行修改。struct sock的成员sk_sndbuf的值是真正的发送缓冲队列的预设大小,其初始值取中间一个16K。在tcp数据报的发送过程中,一旦 sk_wmem_queued超过sk_sndbuf的值,则发送停止,等待发送缓冲区可用。因为有可能一批已发送出去的数据还没有收到ACK,同时,缓冲队列中的数据也可全部发出去,已达到清空缓冲队列的目的,所以,只要在网络不是很差的情况下(差到没有办法收到ACK),这个等待在一段时间后会成功的。
全局变量mytcp_memory_pressure是一个标志,在tcp缓冲大小进入警告状态时,它置1,否则置0。
(3)
mytcp_sockets_allocated是到目前为止,整个tcp协议中创建的socket的个数,由mytcp_prot的成员 sockets_allocated指向。可以在/proc/net/sockstat文件中查看,这只是一个供统计查看用的数据,没有任何实际的限制作用。
mytcp_orphan_count表示整个tcp协议中待销毁的socket的个数(已无用的socket),由mytcp_prot的成员orphan_count指向,也可以在/proc/net/sockstat文件中查看。
mysysctl_tcp_rmem是跟mysysctl_tcp_wmem相同结构的数组,表示接收缓冲区的大小限制,由mytcp_prot的成员 sysctl_rmem指向,其缺省值分别是4096bytes,87380bytes,174760bytes。它们可以通过/proc文件系统,在 /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem中进行修改。struct sock的成员sk_rcvbuf表示接收缓冲队列的大小,其初始值取mysysctl_tcp_rmem[1],成员sk_receive_queue 是接收缓冲队列,结构跟sk_write_queue相同。
tcp socket的发送缓冲队列跟接收缓冲队列的大小既可以通过/proc文件系统进行修改,也可以通过TCP选项操作进行修改。套接字级别上的选项 SO_RCVBUF可用于获取和修改接收缓冲队列的大小(即strcut sock->sk_rcvbuf的值),比如下列的代码可用于获取当前系统的接收缓冲队列大小:
int rcvbuf_len;
int len = sizeof(rcvbuf_len);
if( getsockopt( fd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void *)&rcvbuf_len, &len ) < 0 ){
perror("getsockopt: ");
return -1;
}
printf("the recevice buf len: %d\n", rcvbuf_len );
而套接字级别上的选项SO_SNDBUF则用于获取和修改发送缓冲队列的大小(即struct sock->sk_sndbuf的值),代码同上,只需改SO_RCVBUF为SO_SNDBUF即可。
获取发送和接收缓冲区的大小相对简单一些,而设置的操作在内核中动作会稍微复杂一些,另外,在接口上也会有所差异,即由setsockopt传入的表示缓冲区大小的参数是实际大小的1/2,即,如果想要设发送缓冲区的大小为20K,则需要这样调用setsockopt:
int rcvbuf_len = 10 * 1024; //实际缓冲区大小的一半。
int len = sizeof(rcvbuf_len);
if( setsockopt( fd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&rcvbuf_len, len ) < 0 ){
perror("getsockopt: ");
return -1;
}
在内核中,首先内核要判断新设置的值是否超过上限,若超过,则取上限为新值,发送和接收缓冲区大小的上限值分别为sysctl_wmem_max和 sysctl_rmem_max的2倍。这两个全局变量的值是相等的,都为(sizeof(struct sk_buff) + 256) * 256,大概为64K负载数据,由于struct sk_buff的影响,实际发送和接收缓冲区的大小最大都可设到210K左右。它们的下限是2K,即缓冲区大小不能低于2K。
另外,SO_SNDBUF和SO_RCVBUF有一个特殊的版本:SO_SNDBUFFORCE和SO_RCVBUFFORCE,它们不受发送和接收缓冲区大小上限的限制,可设置不小于2K的任意缓冲区大小
转自 http://www.cnblogs.com/li-hao/archive/2011/11/21/2257596.html