Linux虚拟网络技术 - 本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 《Linux》

一、使用方法
二、连接过程
三、发送过程
四、性能对比
五、总结

Linux
在本机网络 IO 中，基于普通 socket 的本机网络通信过程中，其实在内核工作流上并没有节约太多的开销。该走的系统调用、协议栈、邻居系统、设备驱动（虽然说对于本机网络 loopback 设备来说只是一个软件虚拟的东东）全都走了一遍。其工作过程如下图
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图1
那么来看另外一种本机网络 IO 通信方式 — Unix Domain Socket。看看这种方式在性能开销上和基于 127.0.0.1 的本机网络 IO 有没有啥差异呢。
分析 Unix Domain Socket 的内部工作原理。理解为什么这种方式的性能比 127.0.0.1 要好很多。最后还给出了实际的性能测试对比数据。

一、使用方法

Unix Domain Socket（后面统一简称 UDS）使用起来和传统的 socket 非常的相似。区别点主要有两个地方需要关注。
第一，在创建 socket 的时候，普通的 socket 第一个参数 family 为 AF_INET，而 UDS 指定为 AF_UNIX 即可。
第二，Server 的标识不再是 ip 和端口，而是一个路径，例如 /dev/shm/fpm-cgi.sock。
其实在平时使用 UDS 并不一定需要去写一段代码，很多应用程序都支持在本机网络 IO 的时候配置。例如在 Nginx 中，如果要访问的本机 fastcgi 服务是以 UDS 方式提供服务的话，只需要在配置文件中配置这么一行就搞定了。

fastcgi_pass unix:/dev/shm/fpm-cgi.sock;

如果对于一个 UDS 的 server 来说，它的代码示例大概结构如下，大家简单了解一下。只是个示例不一定可运行。

int main()
{
    // 创建 unix domain socket
    int fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    // 绑定监听
    char *socket_path = "./server.sock";
    strcpy(serun.sun_path, socket_path); 
    bind(fd, serun, ...);
    listen(fd, 128);
    while(1){
        //接收新连接
        conn = accept(fd, ...);
        //收发数据
        read(conn, ...);
        write(conn, ...);
    }
}

基于 UDS 的 client 也是和普通 socket 使用方式差不太多，创建一个 socket，然后 connect 即可。

int main(){
    sock = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    connect(sockfd, ...)
}

二、连接过程

总的来说，基于 UDS 的连接过程比 inet 的 socket 连接过程要简单多了。客户端先创建一个自己用的 socket，然后调用 connect 来和服务器建立连接。
在 connect 的时候，会申请一个新 socket 给 server 端将来使用，和自己的 socket 建立好连接关系以后，就放到服务器正在监听的 socket 的接收队列中。这个时候，服务器端通过 accept 就能获取到和客户端配好对的新 socket 了。
总的 UDS 的连接建立流程如下图。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图2
内核源码中最重要的逻辑在 connect 函数中，来简单展开看一下。unix 协议族中定义了这类 socket 的所有方法，它位于 net/unix/af_unix.c 中。

//file: net/unix/af_unix.c
static const struct proto_ops unix_stream_ops = {
    .family = PF_UNIX,
    .owner = THIS_MODULE,
    .bind =  unix_bind,
    .connect = unix_stream_connect,
    .socketpair = unix_socketpair,
    .listen = unix_listen,
    ...
    };

找到 connect 函数的具体实现，unix_stream_connect。

//file: net/unix/af_unix.c
static int unix_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
                               int addr_len, int flags)
{
    struct sockaddr_un *sunaddr = (struct sockaddr_un *)uaddr;
    ...
    // 1. 为服务器侧申请一个新的 socket 对象
    newsk = unix_create1(sock_net(sk), NULL);
    // 2. 申请一个 skb，并关联上 newsk
    skb = sock_wmalloc(newsk, 1, 0, GFP_KERNEL);
    ...
    // 3. 建立两个 sock 对象之间的连接
    unix_peer(newsk) = sk;
    newsk->sk_state  = TCP_ESTABLISHED;
    newsk->sk_type  = sk->sk_type;
    ...
    sk->sk_state = TCP_ESTABLISHED;
    unix_peer(sk) = newsk;
    // 4. 把连接中的一头（新 socket）放到服务器接收队列中
    __skb_queue_tail(&other->sk_receive_queue, skb);
}

主要的连接操作都是在这个函数中完成的。和平常所见的 TCP 连接建立过程，这个连接过程简直是太简单了。没有三次握手，也没有全连接队列、半连接队列，更没有啥超时重传。
直接就是将两个 socket 结构体中的指针互相指向对方就行了。就是 unix_peer(newsk) = sk 和 unix_peer(sk) = newsk 这两句。

//file: net/unix/af_unix.c
#define unix_peer(sk) (unix_sk(sk)->peer)

当关联关系建立好之后，通过 __skb_queue_tail 将 skb 放到服务器的接收队列中。注意这里的 skb 里保存着新 socket 的指针，因为服务进程通过 accept 取出这个 skb 的时候，就能获取到和客户进程中 socket 建立好连接关系的另一个 socket。
怎么样，UDS 的连接建立过程是不是很简单！？

三、发送过程

看完了连接建立过程，再来看看基于 UDS 的数据的收发。这个收发过程一样也是非常的简单。发送方是直接将数据写到接收方的接收队列里的。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图3
从 send 函数来看起。send 系统调用的源码位于文件 net/socket.c 中。在这个系统调用里，内部其实真正使用的是 sendto 系统调用。它只干了两件简单的事情，
第一是在内核中把真正的 socket 找出来，在这个对象里记录着各种协议栈的函数地址。第二是构造一个 struct msghdr 对象，把用户传入的数据，比如 buffer地址、数据长度啥的，统统都装进去. 剩下的事情就交给下一层，协议栈里的函数 inet_sendmsg 了，其中 inet_sendmsg 函数的地址是通过 socket 内核对象里的 ops 成员找到的。大致流程如图。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图4
在进入到协议栈 inet_sendmsg 以后，内核接着会找到 socket 上的具体协议发送函数。对于 Unix Domain Socket 来说，那就是 unix_stream_sendmsg。来看一下这个函数

//file:
static int unix_stream_sendmsg(struct kiocb *kiocb, struct socket *sock,
                               struct msghdr *msg, size_t len)
{
    // 1.申请一块缓存区
    skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, msg->msg_flags&MSG_DONTWAIT,
                              &err);
    // 2.拷贝用户数据到内核缓存区
    err = memcpy_fromiovec(skb_put(skb, size), msg->msg_iov, size);
    // 3. 查找socket peer
    struct sock *other = NULL;
    other = unix_peer(sk);
    // 4.直接把 skb放到对端的接收队列中
    skb_queue_tail(&other->sk_receive_queue, skb);
    // 5.发送完毕回调
    other->sk_data_ready(other, size);
}

和复杂的 TCP 发送接收过程相比，这里的发送逻辑简单简单到令人发指。申请一块内存（skb），把数据拷贝进去。根据 socket 对象找到另一端，直接把 skb 给放到对端的接收队列里了
接收函数主题是 unix_stream_recvmsg，这个函数中只需要访问它自己的接收队列就行了，源码就不展示了。所以在本机网络 IO 场景里，基于 Unix Domain Socket 的服务性能上肯定要好一些的。

四、性能对比

为了验证 Unix Domain Socket 到底比基于 127.0.0.1 的性能好多少，做了一个性能测试。在网络性能对比测试，最重要的两个指标是延迟和吞吐。从 Github 上找了个好用的测试源码：https://github.com/rigtorp/ipc-bench。测试环境是一台 4 核 CPU，8G 内存的 KVM 虚机。
在延迟指标上，对比结果如下图。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图5
可见在小包（100 字节）的情况下，UDS 方法的“网络” IO 平均延迟只有 2707 纳秒，而基于 TCP（访问 127.0.0.1）的方式下延迟高达 5690 纳秒。耗时整整是前者的两倍。
在包体达到 100 KB 以后，UDS 方法延迟 24 微秒左右（1 微秒等于 1000 纳秒），TCP 是 32 微秒，仍然高一截。这里低于 2 倍的关系了，是因为当包足够大的时候，网络协议栈上的开销就显得没那么明显了。
再来看看吞吐效果对比。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图6
在小包的情况下，带宽指标可以达到 854 M，而基于 TCP 的 IO 方式下只有 386 M。数据就解读到这里。

五、总结

本文分析了基于 Unix Domain Socket 的连接创建、以及数据收发过程。其中数据收发的工作过程如下图。
本机网络 IO通信方式 -- Unix Domain Socket - 图7
相对比本机网络 IO 通信过程上，它的工作过程要清爽许多。其中 127.0.0.1 工作过程如下图。

也对比了 UDP 和 TCP 两种方式下的延迟和性能指标。在包体不大于 1KB 的时候，UDS 的性能大约是 TCP 的两倍多。所以，在本机网络 IO 的场景下，如果对性能敏感，建议使用 Unix Domain Socket。