面试题：C语言下TCP和UDP在高并发网络编程场景的性能优化

Question

在高并发的网络编程场景下，使用C语言结合Linux系统，分别阐述TCP和UDP协议在性能优化方面所面临的挑战。针对这些挑战，说明如何通过C语言代码层面以及系统配置层面进行优化，同时要考虑到不同的业务需求对优化策略的影响。

Answer 1

TCP协议性能优化挑战及优化策略

1. 挑战
   • 拥塞控制：高并发场景下，网络拥塞容易导致TCP传输速率降低，因为拥塞控制机制会限制发送窗口大小。
   • 慢启动：连接建立初期，发送窗口增长缓慢，影响数据快速传输。
   • 重传机制：误判丢包或网络延迟等情况可能导致不必要的重传，增加网络负担。
   • ACK确认机制：ACK丢失或延迟可能导致发送方等待，降低传输效率。
2. C语言代码层面优化
   • 调整发送和接收缓冲区大小：

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 设置发送缓冲区大小
int sendbuf = 65536;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, sizeof(sendbuf));
// 设置接收缓冲区大小
int recvbuf = 65536;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof(recvbuf));

- **优化拥塞控制算法**：可以尝试切换到更适合业务场景的拥塞控制算法，例如BBR。

// 启用BBR拥塞控制算法
const char* bbr = "bbr";
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_CONGESTION, bbr, strlen(bbr));

- **减少不必要的系统调用**：将多次小数据发送合并为一次大数据发送，减少`send()`等系统调用次数。

// 合并数据发送
char data[1024 * 10]; // 足够大的缓冲区
// 填充数据
send(sockfd, data, strlen(data), 0);

3. 系统配置层面优化
   • 调整TCP参数：修改/etc/sysctl.conf文件，调整TCP相关参数，如net.ipv4.tcp_window_scaling = 1开启窗口缩放，net.ipv4.tcp_sack = 1开启选择性确认。
   • 优化网络设备队列：通过tc命令优化网络设备队列长度，避免队列溢出。例如tc qdisc change dev eth0 root handle 1:0 htb default 10。
4. 不同业务需求影响
   • 实时性要求高的业务：如视频流，应尽量减少重传，优先考虑低延迟，可适当降低拥塞控制的严格程度，增加发送窗口初始值。
   • 可靠性要求高的业务：如文件传输，应着重保证数据完整性，优化重传机制，合理设置超时时间。

UDP协议性能优化挑战及优化策略

1. 挑战
   • 无连接可靠性：UDP没有内置的可靠性机制，数据包可能丢失、乱序到达。
   • 无拥塞控制：可能导致网络拥塞加剧，影响整体网络性能。
   • 数据报大小限制：UDP数据报大小受底层网络MTU限制，大的数据需手动分包和重组。
2. C语言代码层面优化
   • 实现可靠性机制：在应用层实现类似TCP的确认、重传机制。

// 简单的重传机制示例
int send_udp_with_retry(int sockfd, const char* data, size_t len, struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen, int max_retries) {
    int retries = 0;
    while (retries < max_retries) {
        if (sendto(sockfd, data, len, 0, dest_addr, addrlen) == (ssize_t)len) {
            // 假设收到确认
            return 0;
        }
        retries++;
    }
    return -1;
}

- **优化数据报大小**：根据网络MTU合理设置UDP数据报大小，避免分片。

// 获取网络MTU
struct ifreq ifr;
strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
ioctl(sockfd, SIOCGIFMTU, &ifr);
int mtu = ifr.ifr_mtu;
// 设置合适的数据报大小
char data[mtu - sizeof(struct udphdr) - sizeof(struct iphdr)];

3. 系统配置层面优化
   • 调整UDP缓冲区大小：修改/etc/sysctl.conf文件，如net.core.rmem_max和net.core.wmem_max，增加UDP接收和发送缓冲区大小。
   • 优化网络路由：确保网络路由配置合理，减少数据包转发延迟。
4. 不同业务需求影响
   • 实时性要求极高且允许少量丢包的业务：如实时音频，可简化可靠性机制，重点优化传输速度，不进行过多重传。
   • 对数据完整性要求较高的业务：如DNS查询响应，需加强应用层可靠性机制，保证数据准确到达。