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      Road to Coding

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套接字选项

14 Mar 2019

使用套接字进行网络编程, 不能忽略的就是:套接字选项的设置. 设置合适的套接字选项, 可以使我们的程序有合理的行为以及性能上的提升

套接字选项API

首先介绍,进行套接字处理的API, 只有setter与getter

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,
               void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
               const void *optval, socklen_t optlen);

解释一下其中的参数:

  • sockfd: 进行设置的sockfd
  • level: 协议界别的设置, 如SOL_SOCKET, IPPROTO_TCP等
  • optname: 选项名, 如SO_REUSEADDR, SO_RCVTIMEO等
  • optval: 选项值, 有的是T/F, 有的需要赋值, 所以是void *类型, 且为值-结果参数(对get)
  • optlen: 选项大小, 对应于optval, 因为void *无法获取类型长度

这两个API分别用于套接字选项的设置和获取, 接下来介绍常用的套接字选项

通用套接字选项

这一部分是通用的套接字选项, 所有套接字都适用.

但是我们要先清楚, 从accept(2)中获取到的connfd是会继承套接字状态的. 这些套接字选项是会被继承的: SO_DEBUG, SO_DONTROUTE, SO_KEEPALIVE, SO_LINGER, SO_OOBINLINE, SO_RCVBUF, SO_RCVLOWAT, SO_SNDBUF, SO_SNDLOWAT, TCP_MAXSEG, TCP_NODELAY;

连接套接字会继承监听套接字的上述选项.

SO_ERROR

使用此选项, 表示获取套接字上的错误, 如果有错误发生, 套接字变为可读可写, 如果有信号驱动, 会触发SIGIO, 我们最常见的用法在于, 非阻塞connect(2)中检测状态 此套接字选项, 是可以获取, 但是不能设置的

SO_KEEPALIVE

使用此选项, 启用TCP的保活机制, 两小时内, 如果没有数据交换, 设置此选项端会自动发送一个保活探测分节, 我们进行服务端开发时, 一般给监听套接字, 都设置此选项.

int val = 1;
int ret = ::setsockopt(sockfd_, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &val, sizeof(int));

可能会收到三种响应:

  1. 期望的ACK
  2. 对端崩溃或关闭, 所引发的[RST]
  3. 无任何响应, 则过一段时间重发, 直至关闭套接字

*注意区分: *: ECONNREFUSED, ETIMEOUT, EHOSTUNREACH/ENETUNREACH 保活选项: 主要是用来处理, 占用资源的半开连接, 处理对端崩溃的情况

下面分析一下TCP状态的检测方法:

  • 正在发送数据时
    • 对端进程崩溃: 发送[FIN, ACK], 会使得本端套接字可读, 触发EPOLLRDHUP, 或者read = 0, 如果继续写, 第一次会触发,[RST], 下一次,内核会发送SIGPIPE
    • 对端主机崩溃: 本端将会超时, 最后ETIMEOUT
    • 对端主机不可达: 超时, 最后EHOSTUNREACH
  • 正接收数据时:
    • 对端进程崩溃: 收到[FIN, ACK], 作为EOF读入处理
    • 对端主机崩溃: 停止接收
    • 对端主机不可达: 停止接收
  • 空闲连接, 有SO_KEEPALIVE
    • 对端进程崩溃: [FIN, ACK]正常结束
    • 对端主机崩溃: 毫无动静2小小时, 保活机制启动, 最后ETIMEOUT
    • 对端主机不可达: 同上,,,最后EHOSTREACH
  • 空闲连接, 无SO_KEEPALIVE
    • 对端进程崩溃: 收到[FIN, ACK]正常结束
    • 对端主机崩溃: (无)
    • 对端主机不可达: (无)

最后的两个(无)就是我们面临的,半连接僵死的情况, 一般不完全依靠底层, 就可以实现用户层面的心跳协议即可. 不过没有保活机制, 基本上是死绝了

SO_LINGER

本选项制定了close(2)对于面向连接的协议如何处理(TCP或SCTP, 无UDP)

struct linger {
  int l_onoff;
  int l_linger;
};

对于这个结构体有这样的配置:

  1. l_onoff == 0, 表示关闭SO_LINGER, close(2)为默认行为
  2. l_onoff != 0 && l_linger == 0, 表示close(2)的时候, 直接关闭连接并且丢弃数据. 并且发送一个RST给对端, 会取消TIME_WAIT状态, 可能会有化身的问题出现
  3. l_onoff != 0 && l_linger != 0, 表示close(2)的时候, 将会等待一段时间, 发送完数据/延滞时间到, 之后丢弃所有数据, 此时检测close(2)返回值很重要, 若为EWOULDBLOCK表示:是延滞时间到, 数据被丢弃

虽然SO_LINGER选项看着很美好, 但是不尽如人意, 你无法保证是否对面确认数据 l_linger时间太短没用, 太长了降低效率.

所以, 建议使用shutdown(2)

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);

其中how有三种行为: SHUT_RD, SHUT_WR, SHUT_RDWR

  • SHUT_RD: 表示读端关闭, 不能再从连接上读取数据, 可以继续发送, 但所有读到的数据丢弃
  • SHUT_WR: 表示写端关系, 不能往连接上写数据, 可以继续读取
  • SHUT_RDWR: 同默认的close(2)行为

SO_RCVBUF / SO_SNDBUF

众所周知, TCP底层为收发各自维护了一个缓冲区. 而且, TCP的接收缓冲区永远不可能溢出, 因为滑动窗口机制, 如果对端无视滑动窗口, 数据会在本端被丢弃, 此即为TCP流量控制. 同时UDP是没有流量控制的, 很容易导致数据被淹没丢弃

那么, 这两个套接字选项就是用来设置, 底层缓冲区大小的

有两点十分重要的内容:

  1. SO_RCVBUF和SO_SNDBUF的设置, 客户端要在connect(2)之前, 服务端要在listen(2) 这是因为: 滑动窗口的确认是在[SYN, ACK] -> [SYN] -> [ACK]的三路握手过程中完成的 所以, 设置选项一定在三路握手前, 不然是无效的, 连接套接字可以继承监听套接字的设置

  2. 缓冲区大小一般是MSS的四倍, 为了激活TCP快速恢复算法, 因为连续三个重复确认, 判断分节丢失

SO_RCVLOWAT / SO_SNDLOWAT

此两个套接字选项是设置低水位标志使用的.

低水位标志的意义在于: 最少字节触发量, 如X字节触发写事件, Y字节触发读事件

SO_RCVTIMEO / SO_SNDTIMEO

此两个套接字是用来设置IO的超时时间, 精度与select(2)的TIMEOUT一致, 基本达到微妙定时

使用struct timespce设置

SO_REUSEADDR / SO_REUSEPORT

总结一下: 可以完全使用REUSEPORT取代REUSEADDR

允许进行重复捆绑, 甚至支持完全重复的捆绑, 五元组完全相同

这两个套接字有什么用处呢?

  1. 调试方便, 可以直接关闭服务器重新启动, 无需顾虑EADDRINUSE
  2. REUSEPORT的负载均衡模式

REUSEPORT中支持热备份模式(之前), 负载均衡模式(现) 热备份模式: 是防止意外崩溃, 在同一端口绑定不同的实例 负载均衡模式: 内核层面进行负载均衡, 减轻负担

TCP套接字选项

其中最核心的就是TCP_NODELAY选项了

开启此选项将禁用TCP的Negle算法, 默认开启. 此算法目的在于减少局域网上的分组数量.它会尽量发送最大大小的分组,避免同一时刻有多个待确认分组

Nagle算法一般和ACK延滞算法合用, ACK延滞算法是延迟ACK的发送, 尽量希望其被分组捎带 就可以减少一个网络中的交换分组.

那么, 我们一般开发的网络编程, 对于此选项都是开启的, 需要禁止Negle算法 因为我们的需求是高并发, 快速响应.

一般使用writev或者手动输入到同一块buffer中, 然后write, 最不建议禁用Nagle算法. 因为, 大量小分组有损于网络

因为SCTP编程接触较少. 同时IP套接字选项中也没有特别优先级高的

所以, 我们就暂且介绍上面这些重要, 且常见的套接字选项.


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