(转)关于tcp和udp的缓冲区

时间：2024-12-14 14:33:44

（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

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