【完结12章】基于c 从0到1手写linux高性能网络编程框架 -欧洲杯足彩官网

【完结12章】基于c 从0到1手写linux高性能网络编程框架
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分享一套课程——基于c 从0到1手写linux高性能网络编程框架，已完结12章，附源码 电子书。大家下载学习。

socket 网络编程框架
socket（套接字）是一个网络编程概念，描述了一个通信端点（endpoint），用于建立网络连接（connection）并传输数据。

linux kernel 提供了一套面向 socket 的网络编程框架，并通过提供一组标准的 system call apis，使得开发者可以在 userspace 中便捷的开发各种 network applications，例如：基于 http 协议的 web 服务器、基于 smtp 协议的邮件服务器、基于 ftp 协议的文件服务器等等。

linux socket 网络编程框架主要由 3 大模块组成：
1、bsd socket apis
2、socket abstraction layer
3、vfs layer

tcp通信的实现过程
tcp通信的实现过程主要包括三个阶段：建立连接、数据传输和连接释放。

建立连接
在tcp通信开始之前，发送方和接收方需要先建立连接，以便在传输数据时能够互相识别。

a. 三次握手
发送方首先向接收方发送一个syn（同步）包，用于请求建立连接。接收方收到syn包后，回复一个ack（确认）包，表示接收到请求。同时，接收方也向发送方发送一个syn-ack包，表示接收方准备好了建立连接。发送方收到syn-ack包后，回复一个ack包，表示连接建立成功。

这个过程被称为“三次握手”，是为了确保双方都能正确地识别对方并建立连接。

b. 建立连接后的数据传输
连接建立后，发送方可以向接收方发送数据，数据会按照tcp协议进行分组、封装、校验和传输。接收方会根据tcp协议对数据进行解封、校验和重组，确保数据的正确性。

time_wait状态存在原因有两点：
其一是可靠的中止tcp连接；
其二是保证让延迟的tcp报文有足够的时间被识别；
客户端在关闭连接阶段需要处理收到重复的结束报文，然后回复最后的ack给服务端，否则客户端在收到服务端的fin就直接回复ack，这样后续服务端重传的fin包都会被回复reset报文，这时服务端认为是错误报文，这就是第一点存在的原因；
那么第二点是为了不让同一个tcp端口被多次打开或者是断开以后马上被一个新的连接接管，这样存在数据安全和处理异常等问题，让tcp最大时间坚持2msl也是为了确保重发和延时的tcp包在这段时间内被丢弃(使用端口复用采用socket选项so_reuseaddr)；

tcp超时重传和拥塞控制
tcp服务必须能够重传超时时间内未收到的tcp报文段。
为此，tcp模块为每一个tcp报文都维护一个重传定时器，linux两个重传相关的内核参数：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1和/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2
前者表示tcp最少执行重传次数，默认为3；
后者表示tcp最多执行重传次数，默认为15；
tcp服务有重传必然就会导致拥塞，那么接下来介绍网络底层如何进行拥塞控制？
拥塞控制包括四个部分：慢启动，拥塞避免，快速重传和快速恢复；
在此之前还需要介绍窗口概念：rnwd(接收窗口，指前面tcp报文中的对端发送的win窗口)，cwnd(拥塞窗口，是系统定义的一个状态变量大小)，swnd(发送窗口，是rnwd和cwnd之间的较小值)；
在tcp模块刚开始发送数据阶段并不知道网络的实际情况，需要试探性地增加cwnd，这一过程称为慢启动，cwnd初始值设置为2-4个mss；然后发送端每次收到接受端的一个确认，就按照公式：

cwnd = min(n, mss)
其中n是此次确认中包含的之前未确认的字节数；
如果随着cwnd不断累加，不加控制会造成网络拥塞，那么需要进行拥塞避免算法，界定慢启动和拥塞避免过程通过慢启动门限(ssthresh)控制，当cwnd超过ssthresh则进入拥塞避免阶段；
拥塞避免阶段控制cwnd是每个rtt时间都计算(如果rtt时间内收到多少确认包)，公式：

cwnd = smss*smss/cwnd
这样就保障了cwnd缓慢增长，直到传输超时或者tcp重传定时器溢出，就需要重新调整ssthresh，再次进入慢启动阶段，那么ssthresh计算公式：

ssthresh = max(flightsize/2, 2mss)
其中flightsize已经发送但是还未收到确认的字节数；
另外一种情况：在接受端接收到重复的确认报文段的时候，tcp模块如何处理？
如果发送端收到3个重复的确认报文，认为拥塞发生，启动快速重传和快速恢复，先计算ssthresh；
然后通过cwnd = ssthresh 3 * smss计算出cwnd，再次每收到1个重复确认时，设置cwnd = smss，最后当收到新数据的确认时，直接设置cwnd = ssthresh，这样快速重传和快速恢复完成，又再次进入拥塞避免阶段。

网络协议栈的集成

网络协议栈是实现网络通信的核心部分，包括ip协议、tcp/udp协议、路由、arp等。为了实现高性能网络应用，可以考虑以下几点：

1）、使用硬件加速技术：一些网络设备支持硬件加速功能，例如卸载协议栈的一部分功能到网络设备中，利用硬件加速处理数据包。

2）、优化协议栈参数：通过调整协议栈的各种参数来优化性能，包括接收和发送缓冲区的大小、超时时间、滑动窗口等。

3）、选择合适的协议栈：根据应用的需求选择合适的协议栈，例如使用高性能的协议栈（如dpdk）。

5、性能调优和测试

在构建网络驱动程序后，需要进行性能调优和测试，以确保驱动程序能够达到预期的性能要求。可以通过以下几点来进行性能调优和测试：

1）、使用性能分析工具：例如perf、ftrace等工具来分析性能瓶颈和优化性能。

2）、进行基准测试：通过搭建测试环境，模拟实际网络负载，并对驱动程序进行基准测试，评估其性能。

3）、进行系统优化：根据测试结果进行系统优化，包括内核参数的调整、硬件资源的优化、中断处理的优化等。

构建linux内核网络驱动程序是实现高性能网络应用的关键步骤。在构建过程中，需要进行硬件设备的初始化和配置、中断处理、网络收发处理、网络协议栈的集成等工作，并进行性能调优和测试，以确保驱动程序能够达到预期的性能要求。通过以上步骤的综合优化，可以构建高性能的linux内核网络驱动程序，提升网络应用的性能和吞吐量。