UNIX: разработка сетевых приложений

При установке размера приемного буфера сокета TCP важен порядок вызова функций, поскольку в данном случае учитывается параметр масштабирования окна TCP (см. раздел 2.5). При установлении соединения обе стороны обмениваются сегментами SYN, в которых может содержаться этот параметр. Для клиента это означает, что параметр сокета SO_RCVBUF должен быть установлен перед вызовом функции connect. Для сервера это означает, что данный параметр должен быть установлен для прослушиваемого сокета перед вызовом функции listen. Установка этого параметра для присоединенного сокета никак не повлияет на параметр масштабирования окна, поскольку функция accept не возвращает управление процессу, пока не завершится трехэтапное рукопожатие TCP. Поэтому данный параметр должен быть установлен для прослушиваемого сокета. (Размеры буферов сокета всегда наследуются от прослушиваемого сокета создаваемым присоединенным сокетом [128, с. 462-463]).

Размеры буферов сокета TCP должны быть как минимум вчетверо больше MSS (максимальный размер сегмента) для соединения. Если мы имеем дело с направленной передачей данных, такой как передача файла в одном направлении, то говоря «размеры буферов сокета», мы подразумеваем буфер отправки сокета на отправляющем узле или приемный буфер сокета на принимающем узле. В случае двусторонней передачи данных мы имеем в виду оба размера буферов на обоих узлах. С типичным размером буфера 8192 байт или больше и типичным MSS, равным 512 или 1460 байт, это требование обычно выполняется. Проблемы были замечены в сетях с большими MTU (максимальная единица передачи), которые предоставляют MSS больше обычного (например, в сетях ATM с MTU, равной 9188).

ПРИМЕЧАНИЕ

Значение минимального множителя (4) обусловлено принципом работы алгоритма быстрого восстановления TCP. Отправитель использует три двойных подтверждения, чтобы обнаружить утерянный пакет (RFC 2581 [4]). Получатель отправляет двойное подтверждение для каждого сегмента, принятого после того, который был пропущен. Если размер окна меньше четырех сегментов, трех двойных подтверждений не будет и алгоритм быстрого восстановления не сработает.

Размеры буфера сокета TCP должны быть также четное число раз кратны размеру MSS для соединения. Некоторые реализации выполняют это требование для приложения, округляя размеры в сторону большего размера буфера сокета после установления соединения [128, с. 902]. Это другая причина, по которой следует задавать эти два параметра сокета перед установлением соединения. Например, если использовать размеры, заданные по умолчанию в 4.4BSD (8192 байт), и считать, что используется Ethernet с размером MSS, равным 1460 байт, то при установлении соединения размеры обоих буферов сокета будут округляться до 8760 байт (6x1460). Это требование не жесткое, лишнее место в буфере просто не будет использоваться.

Другое соображение относительно установки размеров буфера сокета связано с производительностью. На рис. 7.6 показано соединение TCP между двумя конечными точками (которое мы называем каналом) с вместимостью, допускающей передачу восьми сегментов.

Рис. 7.6. Соединение TCP (канал), вмещающее восемь сегментов

Мы показываем четыре сегмента данных вверху и четыре сегмента ACK внизу. Даже если в канале только четыре сегмента данных, у клиента должен быть буфер отправки, вмещающий минимум восемь сегментов, потому что TCP клиента должен хранить копию каждого сегмента, пока не получен сегмент ACK от сервера.

ПРИМЕЧАНИЕ

Здесь мы игнорируем некоторые подробности. Прежде всего, алгоритм медленного запуска TCP ограничивает скорость, с которой сегменты начинают отправляться по соединению, которое до этого было неактивным. Далее, TCP часто подтверждает каждый второй сегмент, а не каждый сегмент, как мы это показываем. Все эти подробности описаны в главах 20 и 24 [111].

Нам необходимо понять принцип функционирования двустороннего канала и узнать, что такое его вместимость и как она влияет на размеры буферов сокетов на обоих концах соединения. Вместимость канала характеризуется произведением пропускной способности на задержку(bandwidth-delay product). Мы будем вычислять ее, умножая пропускную способность канала (в битах в секунду) на период обращения (RTT, round-trip time) (в секундах) и преобразуя результат из битов в байты. RTT легко измеряется с помощью утилиты ping. Пропускная способность — это значение, соответствующее наиболее медленной связи между двумя конечными точками; предполагается, что это значение каким-то образом определено. Например, линия T1 (1 536 000 бит/с) с RTT 60 мс дает произведение пропускной способности на задержку, равное 11 520 байт. Если размеры буфера сокета меньше указанного, канал не будет заполнен и производительность окажется ниже предполагаемой. Большие буферы сокетов требуются, когда повышается пропускная способность (например, для линии T3, где она равна 45 Мбит/с) или когда увеличивается RTT (например, спутниковые каналы связи с RTT около 500 мс). Когда произведение пропускной способности на задержку превосходит максимальный нормальный размер окна TCP (65 535 байт), обоим концам соединения требуются также параметры TCP для канала с повышенной пропускной способностью (long fat pipe), о которых мы упоминали в разделе 2.6.

ПРИМЕЧАНИЕ

В большинстве реализаций размеры буферов отправки и приема ограничиваются некоторым предельным значением. В более ранних реализациях, происходящих от Беркли, верхний предел был около 52 000 байт, но в новых реализациях предел по умолчанию равен 256 000 байт или больше, и обычно администратор имеет возможность увеличивать его. К сожалению, не существует простого способа, с помощью которого приложение могло бы узнать этот предел. POSIX определяет функцию fpathconf, поддерживаемую большинством реализаций, а в качестве второго аргумента этой функции должна использоваться константа _PC_SOCK_MAXBUF. Приложение может также попытаться установить желаемый размер буфера сокета, а если попытка окажется неудачной, сократить размер вдвое и вызвать функцию снова. Наконец, приложение должно убедиться, что оно не уменьшает размер буфера по умолчанию, задавая свое собственное значение. В первую очередь следует вызвать getsockopt для определения значения, установленного по умолчанию, которое вполне может оказаться достаточным.

Параметры сокета SO_RCVLOWAT и SO_SNDLOWAT

Каждый сокет характеризуется также минимальным количеством данных (low- water mark) для буферов приема и отправки. Эти значения используются функцией select, как мы показали в разделе 6.3. Указанные параметры сокета позволяют нам изменять эти два значения.

Минимальное количество данных — это количество данных, которые должны находиться в приемном буфере сокета, чтобы функция select возвратила ответ «Сокет готов для чтения». По умолчанию это значение равно 1 для сокетов TCP и UDP. Минимальный объем для буфера отправки — это количество свободного пространства, которое должно быть в буфере отправки сокета, чтобы функция select возвратила «Сокет готов для записи». Для сокетов TCP по умолчанию оно обычно равно 2048. С UDP это значение используется так, как мы показали в разделе 6.3, но поскольку число байтов доступного пространства в буфере отправки для сокета UDP никогда не изменяется (поскольку UDP не хранит копии дейтаграмм, отправленных приложением), сокет UDP всегда готов для записи, пока размер буфера отправки сокета UDP больше минимального объема. Вспомните рис. 2.16: UDP не имеет настоящего буфера отправки, у него есть только параметр размера буфера отправки.

Параметры сокета SO_RCVTIMEO и SO_SNDTIMEO

Эти два параметра сокета позволяют нам устанавливать тайм-аут при получении и отправке через сокет. Обратите внимание, что аргумент двух функций sockopt— это указатель на структуру timeval, ту же, которую использует функция select(раздел 6.3). Это позволяет использовать для задания тайм-аута секунды и миллисекунды. Отключение тайм-аута осуществляется установкой его значения в 0 секунд и 0 миллисекунд. Оба тайм-аута по умолчанию отключены.

Тайм-аут приема влияет на пять функций ввода: read, readv, recv, recvfrom и recvmsg. Тайм-аут отправки влияет на пять функций вывода: write, writev, send, sendto и sendmsg. Более подробно о тайм-аутах сокета мы поговорим в разделе 14.2.

ПРИМЕЧАНИЕ

Эти два параметра сокета и концепция тайм-аута сокетов вообще были добавлены в реализации 4.3BSD Reno.

В реализациях, происходящих от Беркли, указанные параметры инициализируют таймер отсутствия активности, а не абсолютный таймер системного вызова чтения или записи. На с. 496 и 516 [128] об этом рассказывается более подробно.

Параметры сокета SO_REUSEADDR и SO_REUSEPORT

Параметр сокета SO_REUSEADDR служит для четырех целей.

1. Параметр SO_REUSEADDR позволяет прослушивающему серверу запуститься и с помощью функции bind связаться со своим заранее известным портом, даже если существуют ранее установленные соединения, использующие этот порт в качестве своего локального порта. Эта ситуация обычно возникает следующим образом:

1) запускается прослушивающий сервер;

2) от клиента приходит запрос на соединение, и для обработки этого клиента генерируется дочерний процесс;

3) прослушивающий сервер завершает работу, но дочерний процесс продолжает обслуживание клиента на существующем соединении;

4) прослушивающий сервер перезапускается.

По умолчанию, когда прослушивающий сервер перезапускается при помощи вызова функций socket, bind и listen, вызов функции bind оказывается неудачным, потому что прослушивающий сервер пытается связаться с портом, который является частью существующего соединения (обрабатываемого ранее созданным дочерним процессом). Но если сервер устанавливает параметр сокета SO_REUSEADDR между вызовами функций socket и bind, последняя выполнится успешно. Все серверы TCP должны задавать этот параметр сокета, чтобы позволить перезапускать сервер в подобной ситуации.