Linux网络编程-UDP接收数据丢包解决方案

绝地灬酷狼 2022-05-28 23:56 1249阅读 0赞

# 序言 #

项目涉及基于UDP的socket通信，该部分的基本情况如下：

*  发端程序：主函数开启4个发包线程，每个线程发送一定量的数据，通过限制发包速率限制发包流量。
 *  收端程序：主函数对应开启4个收包线程，每个线程收取对应端口的数据，收到数据包即时封装处理。

**其他说明：**

*  本地收发。如果不限制发包速率将会非常快
 *  基于UDP。使用recvfrom()函数收包
 *  recvfrom()接收后立即将包加入队列并封装处理，即一次处理单个包
 *  发包流量最大160Mbps = 20MBps
 *  多种流量：160Mbps，80Mbps，40Mbps等进行测试

**测试方式：**

*  发送一定时间的数据。
    
     *  如设置发送1s，发送数据量160Mbits，即160Mbps流量
 *  收到数据包后进行包计数。
    
     *  统计收包率/丢包率
 *  记录收端处理数据耗时，对比发端耗时。
    
     *  即测试收端处理速度，不过应该注意此处的耗时只是处理所收到数据包的耗时，并不一定是所有数据量的耗时，如果存在丢包的话。
 *  **但是现在测试出现的问题如下：**
 *  收包率低/丢包率高。
    
     *  丢包率最高时可达67%  
        
        
         *  速率逐渐降低，收包率有上升趋势
         *  到一定速率，速率继续降低，收包数也不继续上升
 *  最大容量下耗时超过了发包耗时
    
     *  耗时最大可达发送时间的2倍以上  
        
        
         *  速率逐渐降低，耗时有减小趋势
         *  到一定速率，速率继续降低，由于只能处理一定收包数，耗时基本稳定

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# 一、问题分析 #

*  **收包率低/丢包率高的原因分析**
    
     *  **（1） 缓存太小，不能及时接收数据。**
        
         *  连续多个UDP包超过了UDP接收缓冲区大小
         *  如：**UDP包过大**
         *  如：**UDP发包速率过快**，突发大数据流量超过了缓冲区上限
     *  **（2）recvfrom()接收到数据之后处理速度太慢**
     *  如果数据接收和处理/渲染是连续进行的，那么可能由于数据处理过慢，两次recvfrom调用的时间间隔里发过来的包丢失。

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# 二、问题验证和解决措施 #

*  **（1） 缓存太小不能及时接收数据**
 *  **\[1\] 分析：**
 *  UDP无需真正的发送缓冲区：
    
     *  UDP是不可靠连接，不必保存应用进程的数据拷贝，因此**无需真正的发送缓冲区**（TCP需要）。应用进程的数据在沿协议栈往下传递，以某种形式拷贝到内核缓冲区，然而数据链路层在送出数据之后将丢弃该拷贝。
 *  UDP是没有流量控制的：
    
     *  **较快的发送端可以很容易淹没较慢的接收端**，导致接收端的UDP丢弃数据报。
     *  UDP套接字的缓冲区是以一个个报文为单位进行排队的，**调用一次recvfrom表示提取一个报文**，和TCP基于字节流的方式是不同的
 *  因此，如果socket接收缓存设置过小，就会因为UDP包过大或者发包速率过快而丢包

**\[2\] 解决方法：重新设置UDP接收缓冲区大小**

*  UDP接收缓冲区**默认值**：cat /proc/sys/net/core/rmem\_default
    
     *  本系统：212992 = 208K
 *  UDP接收缓冲区**最大值**：cat /proc/sys/net/core/rmem\_max，UDP最大可设置值的一半
    
     *  本系统：212992 = 208K，即最大值425984 = 416K
 *  UDP接收缓冲区**最小值**：sysctl -a | grep rmem
    
     *  本系统：net.ipv4.udp\_rmem\_min = 4096 = 2K，由内核的宏决定
 *  UDP发送缓冲区**默认值**：cat /proc/sys/net/core/wmem\_default
    
     *  本系统：212992 = 208K
 *  UDP发送缓冲区**最大值**：cat /proc/sys/net/core/wmem\_max
    
     *  本系统：212992 = 208K，即最大值425984 = 416K
 *  UDP发送缓冲区**最小值**：sysctl -a | grep wmem
    
     *  本系统：net.ipv4.udp\_wmem\_min = 4096 = 2K，由内核的宏决定

**\[3\] 解决步骤：**

*  调整UDP缓冲区大小：使用函数**setsockopt()函数**修改接收缓冲区大小
    
     *  缓冲区改大可以处理**突发的大流量数据**，不至于数据（视音频等）变化、流量突然增大的时候缓冲区溢出
 *  或
 *  重新设置系统缓冲区最大值，再调整UDP缓冲区大小：
    
     *  打开配置文件：sudo vim /etc/sysctl.conf
     *  在文件末尾添加：net.core.rmem\_max = 6291456
        
         *  将接收缓冲最大值设置为12582912 = 12M
     *  执行配置：sysctl -p
     *  重新查看最大值：cat /proc/sys/net/core/rmem\_max
     *  发现系统接收缓冲最大值已改变，此时可以通过setsockopt函数设置更大接收缓存。发送缓冲最大值也可以通过类似方式修改：net.core.wmem\_max = 6291456，sysctl -p

/* setsockopt()函数修改：*/
    
    //函数原型
    int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
    
    sockfd: 标识一个套接字的描述字
    level:　选项定义的层次：支持SOL_SOCKET, IPPROTO_TCP, IPPROTO_IP,和IPPROTO_IPV6
    optname：需设置得选项 SO_RCVBUF(接收缓冲区)，SO_SNDBUF(发送缓冲区)
    optval：指针，指向存放选项待设置的新值的缓冲区
    optlen：optval的大小
    
    
    //示例
    int recv_size = 2 * 1024 * 1024;    //设置为4M
    setsockopt(s,SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (const char *)&recv_size,sizeof(recv_size));

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**（2）recvfrom()接收到数据之后处理速度太慢**

**\[1\] 分析：**

*  UDP无需真正的缓冲区，不必保存应用进程的数据拷贝
    
     *  这就对数据处理的实时性提出了很高要求
 *  recvfrom()接收速率并不是系统受限因素
    
     *  recvfrom()处理速度是由CPU速度决定的（看到过这种说法，待验证），如果线程正常调用，几百Mbps的速度该函数肯定能跟上
 *  **数据处理是速度受限因素之一**
    
     *  程序在recvfrom接收到数据之后还进行了封装处理，即数据接收和数据处理是绑定的，处理速度跟不上接收速度（渲染速度跟不上socket接收速度）
 *  **线程挂起再唤醒耗时受限速度之二**
    
     *  尽管由CPU决定的recvfrom接收速度足够快，但如果接收数据线程从挂起再到唤醒接收数据，这个过程耗时可达**数百毫秒**

**\[2\] 解决方法：**

*  数据处理速度受限：**数据接收和数据处理分离**
    
     *  接收数据单独存储，然后直接返回，保证recvfrom不丢数据或超时
     *  数据处理由其他函数或线程独立完成
 *  线程响应速度受限：**保持线程一直在运行或监听状态**
    
     *  因为数据接收和处理函数都在同一线程，可将数据接收和处理从逻辑上分开
     *  如果不在统一线程，由于数据到了再起线程速度过慢，可考虑使用线程池技术

**\[3\] 解决步骤：**

*  recvfrom和数据处理函数不再顺序执行一次只处理一个包。
 *  逻辑上分离数据接收和处理：
    
     *  recvfrom负责接收数据并存储，设置单独计数1
     *  数据处理函数负责从从存储中拿数据并处理，设置单独计数2
 *  抓包线程一直处于运行状态：while
    
     *  数据处理可以等待唤醒
     *  但数据接收需要一直进行，否则难免丢包

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**补充：TCP缓冲区查看和修改命令**

*  **TCP接收缓冲区大小**
    
     *  TCP接收缓冲区**默认值**：cat /proc/sys/net/ipv4/tcp\_rmem
        
         *  本系统：87380，约85K
     *  TCP接收缓冲区**最大值**：cat /proc/sys/net/core/rmem\_max ，TCP最大可设置值的一半（与UDP同）
        
         *  本系统：212992 = 208K，即最大值425984 = 416K。
         *  已被我修改为：3145728 = 3M，即最大值6291456 = 6M
 *  TCP接收缓冲区**最小值**：sysctl -a | grep rmem
    
     *  本系统：net.ipv4.udp\_rmem\_min = 4096 = 2K
 *  通用命令：cat /proc/sys/net/ipv4/tcp\_rmem
    
     *  4096 87380 6291456，依次为最小值、默认值、最大值

> 注：通过cat /proc/sys/net/ipv4/tcp\_wmem命令和cat /proc/sys/net/core/wmem\_max命令得出的TCP发送缓冲区最大值不一致，我觉得应该以cat /proc/sys/net/ipv4/tcp\_wmem为准，即最大值为4M。