套接字中缓冲区

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1、MTU（Maximum Transmission Unit）

最大传输单元，在数据链路层中，往往规定了MTU大小，IP层的数据包通过数据链路层如果大于MTU，将被分片，到达接收端IP层后再被重组。以太网的MTU为1500字节。

2、MSS（Maximum Segment Size）

最大报文段，是TCP协议的一个选项。MSS选项用于在TCP建立连接时，收发双方协商一个TCP报文段所能承载的最大数据长度。MSS选项只在初始化连接请求(SYN=1)的报文段中使用。选择合适的MSS很重要。如果MSS小了，网络利用率低。如果MSS大了，由于在网络层需要分片，也会影响网络性能。一般MSS的长度为MTU(1500)-IP首部(20)-TCP首部(20)=1460字节。

3、TCP的缓冲区

如上图所示，每一个TCP套接字都有一个发送缓冲区，可以使用SO_SNDBUF套接字选项来更改缓冲区大小。我们调用send发送数据的时候(默认阻塞模式)，如果缓冲区没满，调用直接返回。但是这仅仅表明数据被复制到缓冲区中，并不表明对端接收到数据。系统内核在IP层发送数据的时候，并不是按照我们调用send接口发送的数据包大小来进行发送，即使我们调用send发送的数据大小小于1460字节(MTU-TCP首部-IP首部)。因为我们调用send接口实际是将数据复制到缓冲区中，而内核基本上是按照最大MSS大小(1460字节)从缓冲区中取数据发送出去，当缓冲区中数据小于MSS，则将剩余数据全部发送出去。TCP的发送缓冲区必须为已发送的数据保留一个副本，直到它被对端确认为止，才能从缓冲区中删掉已确认的数据。

TCP接收缓冲区，可以通过SO_RCVBUF套接字选项来更改。接收缓冲区被TCP用来保存接收到的数据，直到应用程序来读取。对于TCP来说，接收缓冲区中可用空间的大小限定了TCP通告对端的窗口大小。TCP套接字的接收缓冲区不能溢出，所以发送端不能发送超过接收端通知的窗口大小，否则在接收端将丢弃数据包。

4、UDP的缓冲区

UDP也有发送缓冲区大小，也可以通过SO_SNDBUF套接字选项更改它，不过它不同于TCP的发送缓冲区大小，它仅仅是可以写到该套接字的UDP数据报的大小上限。如果一个应用程序写一个大于套接字发送缓冲区大小的数据报，内核将返回一个EMSGSIZE错误。UDP缓冲区中数据被发送完之后，该数据就被删除了。我们调用sendto发送数据的时候，内核在收到用户的数据报，仅仅给数据包加上8字节的首部构成UDP数据报，然后就传给IP层。如果数据报大小小于MTU，则直接发送给对端；如果大于MTU，则会被分片。所以通过UDP协议发送数据报，应该考虑发送的数据包小于MTU-8(UDP首部)-20(IP首部)，这样在通过IP层就不用分片，丢包率将比分片处理的情况小很多。

UDP的接收缓冲区，同样通过SO_RCVBUF套接字选项更改它。当接收到的数据报装不进接收缓冲区，该数据报就被丢弃。

5、TCP缓冲区的调用顺序

当设置TCP套接字缓冲区大小时，函数的调用顺序很重要。因为TCP的窗口规模选项是在建立连接时用SYN分节与对端互换得到的。对于客户端，这意味着缓冲区选项必须在调用connect之前设置。对于服务端，这意味着该选项必须在调用listen之前给监听套接字设置，已连接套接字的缓冲区大小总是从监听套接字继承而来。

6、TCP套接字缓冲区的性能

在设置套接字缓冲区大小时需要考虑性能问题。下图展示了两个端点间容量为8个分节的一个TCP连接（称其为管道）。

我们在顶部给出4个数据分节，在底部给出4个ACK。即使管道中只有4个数据分节，客户端也必须有至少8个分节容量的发送缓冲区，因为客户端TCP必须为每个分节保留一个副本，直到接收到来自服务器的相应ACK。这里涉及管道容量的概念，称为“带宽-延迟积(bandwidth-delay product)”，它通过将带宽(bit/s)和RTT(s)相乘，再将结果由位转换为字节计算得到。其中，RTT可以使用ping程序测得。例如，客户端到服务端带宽为100Mb/s，客户端到服务端RTT为1ms，则带宽-延迟积为100*1/8为12.5KB。当套接字缓冲区大小小于该值，管道将不会处于满状态，性能达不到最高，所以缓冲区一般设置略大于带宽-延迟积。当带宽变大或者RTT变大，套接字缓冲区也需要增长。