18. 使用JPerf工具测试网速¶
18.1. iPerf与JPerf¶
在讲解网络测速之前，我们先来了解一下测速的工具：iPerf是一个跨平台的网络性能测试工具，它支持Win/Linux/Mac/Android/iOS等平台，iPerf可以测试TCP和UDP（我们一般不对UDP进行测速）带宽质量，iPerf可以测量最大TCP带宽，可以具有多种参数进行测试，同时iPerf还可以报告带宽，延迟抖动和数据包丢失的情况，我们可以利用iPerf的这些特性来测试一些网络设备如路由器，防火墙，交换机等的性能。
虽然iPerf很好用，但是它却是命令行格式的软件，对使用测试的人员并不友好，使用者需要记下他繁琐的命令，不过它还有一个图形界面程序叫做JPerf，使用JPerf程序能简化了复杂命令行参数的构造，而且 它还保存测试结果，并且将测试结果实时图形化出来，更加一目了然，当然，JPerf也肯定拥有iPerf的所有功能。
18.2. 测试网络速度¶
18.2.1. 获取JPerf网络测速工具¶
在测速之前，我们需要得到网络测速工具，在我们的论坛上有这个工具，然后，我们直接下载即可：http://www.firebbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=26274&fromuid=37393。
下载后解压，双击jperf.bat运行，稍等一会就出现JPerf的界面，具体见 图18_1。
图 18‑1JPerf界面
我们来讲解一下这个界面的一些内容：
图 18‑1(1)：客户端设置，电脑作为客户端，连接到服务器中（即我们的开发板作为服务器）， 服务器地址需要填写正确，端口号默认是5001，并发流默认是1个。
图 18‑1(2)：服务器设置，电脑作为服务器，我们的开发板作为客户端，client limit选项表示仅允许指定客户端连接，Num Connections指定最大允许连接的数量，为0不限制。
图 18‑1(3)：开始和停止JPerf的运行。
图 18‑1(4)：兼容旧版本（当server端和client端版本不一样时使用），默认不勾选，Transmit设置测试模式， 我们一般指定发送的时间，以秒为单位，当然也可以指定发送的数据大小，以字节为单位。
图 18‑1(5)：如果勾选Dual表示同时进行双向传输测试，如果勾选Trade表示单独进行双向传输测试，默认不勾选。
图 18‑1(6)：指定需要传输的文件以及显示最大TCP报文段。
图 18‑1(7)：传输层设置，我们一般用来测试TCP连接的速度，Buffer Length选项用于设置缓冲区大小，TCP Window Size用于指定TCP窗口大小，Max Segment Size用于设定最大MTU值，TCP No Delay用于设定TCP不延时。
图 18‑1(8)：网速显示窗口，以折线图的形式显示出来。
图 18‑1(9)：网速相关数据输出窗口，以文本的形式。
18.2.2. 测试开发板接收速度（NETCONN API）¶
首先，我们肯定需在开发板上开发程序的，那么我们就单独创建一个iPerf测速线程，在开发板上运行，开发板作为客户端，不断监听客户端（JPerf上位机）的连接。
代码实现部分：我们首先拷贝一个移植好的工程，并且在工程中添加两个文件，分别为ipref.c和ipref.h， 然后在ipref.c文件下添加 代码清单18_1 中的代码，其实这个代码跟TCP服务器实验的代码都是差不多的， 只不过接收到数据不进行处理而已，在ipref.h文件下添加 代码清单18_2 中的代码。
代码清单 18‑1ipref.c文件内容
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <lwip/sockets.h>
#include "iperf.h"
#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/api.h"
#define IPERF_PORT 5001
#define IPERF_BUFSZ (4 * 1024)
void iperf_server(void *thread_param)
{
struct netconn *conn, *newconn;
err_t err;
void* recv_data;
recv_data = (void *)pvPortMalloc(IPERF_BUFSZ);
if (recv_data == NULL) {
printf("No memory\n");
}
conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
netconn_bind(conn, IP_ADDR_ANY, 5001);
LWIP_ERROR("tcpecho: invalid conn", (conn != NULL), return;);
/* Tell connection to go into listening mode. */
netconn_listen(conn);
while (1)
{
/* Grab new connection. */
err = netconn_accept(conn, &newconn);
/*printf("accepted new connection %p\n", newconn);*/
/* Process the new connection. */
if (err == ERR_OK)
{
struct netbuf *buf;
// void *data;
u16_t len;
while ((err = netconn_recv(newconn, &buf)) == ERR_OK)
{
/*printf("Recved\n");*/
do
{
netbuf_data(buf, &recv_data, &len);
// err = netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY);
}
while (netbuf_next(buf) >= 0);
netbuf_delete(buf);
}
/*printf("Got EOF, looping\n");*/
/* Close connection and discard connection identifier. */
netconn_close(newconn);
netconn_delete(newconn);
}
}
}
void
iperf_server_init(void)
{
sys_thread_new("iperf_server", iperf_server, NULL, 2048, 4);
}
代码清单 18‑2ipref.h文件内容
#ifndef LWIP_IPERF_H
#define LWIP_IPERF_H
#define TCP_SERVER_THREAD_NAME "iperf_server"
#define TCP_SERVER_THREAD_STACKSIZE 1024
#define TCP_SERVER_THREAD_PRIO 4
void iperf_server(void *thread_param);
void iperf_server_init(void);
在main.c文件中将iperf_server_init()调用一下即可。并且配置好开发板的IP地址与端口号，我们打开JPerf测速软件， 配置好要连接的服务器IP地址与端口，测试时间设置得长一点，我们使用10000秒，然后点击开始，就得到我们需要的网速数据， 速度高达94Mbps，即11.5M字节/秒，已经是非常高的速度了，而且通过折线图，我们也能看到这速度是很稳定的，具体见 图18_2。
图 18‑2NETCONN API接收速度
18.2.3. 测试开发板接收速度（Socket API）¶
这个实验我们只需要把上一个实验中的ipref.c文件内容替换掉就行了，具体见 代码清单18_3。
代码清单 18‑3ipref.c文件内容
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
//#include <lwip/time.h>
#include <lwip/sockets.h>
//#include <lwip/select.h>
//#include "netdb.h"
#include "iperf.h"
#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/api.h"
#define IPERF_PORT 5001
#define IPERF_BUFSZ (4 * 1024)
void iperf_server(void *thread_param)
{
uint8_t *recv_data;
socklen_t sin_size;
uint32_t tick1, tick2;
int sock = -1, connected, bytes_received;
uint64_t recvlen;
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
char speed[32] = { 0 };
fd_set readset;
struct timeval timeout;
recv_data = (uint8_t *)pvPortMalloc(IPERF_BUFSZ);
if (recv_data == NULL)
{
printf("No memory\n");
goto __exit;
}
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock < 0)
{
printf("Socket error\n");
goto __exit;
}
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(IPERF_PORT);
memset(&(server_addr.sin_zero), 0x0, sizeof(server_addr.sin_zero));
if (bind(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
printf("Unable to bind\n");
goto __exit;
}
if (listen(sock, 5) == -1)
{
printf("Listen error\n");
goto __exit;
}
timeout.tv_sec = 3;
timeout.tv_usec = 0;
printf("iperf_server\n");
while (1)
{
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(sock, &readset);
if (select(sock + 1, &readset, NULL, NULL, &timeout) == 0)
continue;
printf("iperf_server\n");
sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
connected = accept(sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
printf("new client connected from (%s, %d)\n",
inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
{
int flag = 1;
setsockopt(connected,
IPPROTO_TCP, /* set option at TCP level */
TCP_NODELAY, /* name of option */
(void *) &flag, /* the cast is historical cruft */
sizeof(int)); /* length of option value */
}
recvlen = 0;
tick1 = xTaskGetTickCount();
while (1)
{
bytes_received = recv(connected, recv_data, IPERF_BUFSZ, 0);
if (bytes_received <= 0) break;
recvlen += bytes_received;
tick2 = xTaskGetTickCount();
if (tick2 - tick1 >= configTICK_RATE_HZ * 5)
{
float f;
f=(float)(recvlen * configTICK_RATE_HZ/125/(tick2-tick1));
f /= 1000.0f;
// snprintf(speed, sizeof(speed), "%.4f Mbps!\n", f);
// printf("%s", speed);
tick1 = tick2;
recvlen = 0;
}
}
if (connected >= 0) closesocket(connected);
connected = -1;
}
__exit:
if (sock >= 0) closesocket(sock);
if (recv_data) free(recv_data);
}
void
iperf_server_init(void)
{
sys_thread_new("iperf_server", iperf_server, NULL, 2048, 4);
}
然后得到数据，对比数据，我们发现，NETCONN API的效率是比Socket API的效率更高，这是因为Socket API需要对数据进行拷贝，才能传递到上层应用中，不过71Mbps（8.7M字节/秒）的速度已经是算很高了，具体见 图18_3。
图 18‑3Socket API接收速度
18.2.4. 测试开发板发送速度（NETCONN API）¶
测完两种API的接收速度，那么就来测试一下开发板的发送速度，发送速度其实是更加重要的，比如开发板采集一些图像，想要发送出去，如果发送速度跟不上的话，传输出去的图像就会卡帧，而发送速度足够快，就会很流畅，我们测试发送速度将开发板作为客户端，JPerf软件则作为服务器，我们开发板向服务器发送数据。首先我们也是把移植好的工程拿过来，并且添加两个文件，分别为iperf_client.c和iperf_client.h，然后在对应的文件中添加所示的代码
代码清单 18‑4iperf_client.c文件内容
#include "iperf_client.h"
#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/api.h"
#define IPERF_PORT 5001
#define IPERF_BUFSZ (4 * 1024)
static void iperf_client(void *thread_param)
{
struct netconn *conn;
int i;
int ret;
uint8_t *send_buf;
uint64_t sentlen;
u32_t tick1, tick2;
ip4_addr_t ipaddr;
send_buf = (uint8_t *) pvPortMalloc(IPERF_BUFSZ);
if (!send_buf) return ;
for (i = 0; i < IPERF_BUFSZ; i ++)
send_buf[i] = i & 0xff;
while (1)
{
conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
if (conn == NULL)
{
printf("create conn failed!\n");
vTaskDelay(10);
continue;
}
IP4_ADDR(&ipaddr,192,168,0,181);
ret = netconn_connect(conn,&ipaddr,5001);
if (ret == -1)
{
printf("Connect failed!\n");
netconn_close(conn);
vTaskDelay(10);
continue;
}
printf("Connect to iperf server successful!\n");
tick1 = sys_now();
while (1)
{
tick2 = sys_now();
if (tick2 - tick1 >= configTICK_RATE_HZ * 5)
{
float f;
f = (float)(sentlen*configTICK_RATE_HZ/125/(tick2 - tick1));
f /= 1000.0f;
printf("send speed = %.4f Mbps!\n", f);
tick1 = tick2;
sentlen = 0;
}
ret = netconn_write(conn,send_buf,IPERF_BUFSZ,0);
if (ret == ERR_OK)
{
sentlen += IPERF_BUFSZ;
}
}
// netconn_close(conn);
// netconn_delete(conn);
}
}
void
iperf_client_init(void)
{
sys_thread_new("iperf_client", iperf_client, NULL, 2048, 4);
}
代码清单 18‑5iperf_client.h文件内容
#ifndef IPERF_CLIENT_H
#define IPERF_CLIENT_H
void iperf_client_init(void);
#endif /* IPERF_CLIENT_H */
在main.c文件中调用iperf_client_init()函数即可，然后配置JPerf软件成为客户端，让开发板进行连接， 开发板连接的客户端IP地址与端口号根据实际情况去配置即可，具体见 图18_4，从实验现象可以看出， 发送的速度还是很快的（94Mbps，即11.5M字节/秒）而且还很稳定。
图 18‑4NETCONN API发送速度
18.2.5. 测试开发板发送速度（Socket API）¶
本实验基于是一个实验，我们将测试开发板发送速度（NETCONN API）的工程拿过来，将iperf_client.c的内容替换代码清单 18‑6所示的代码即可。
代码清单 18‑6iperf_client.c文件内容
#include "iperf_client.h"
#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/api.h"
#include <lwip/sockets.h>
#define PORT 5001
#define IP_ADDR "192.168.0.181"
#define IPERF_BUFSZ (4 * 1024)
static void iperf_client(void *thread_param)
{
int sock = -1,i;
struct sockaddr_in client_addr;
uint8_t* send_buf;
u32_t tick1, tick2;
uint64_t sentlen;
send_buf = (uint8_t *) pvPortMalloc(IPERF_BUFSZ);
if (!send_buf)
return ;
for (i = 0; i < IPERF_BUFSZ; i ++)
send_buf[i] = i & 0xff;
while (1)
{
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock < 0)
{
printf("Socket error\n");
vTaskDelay(10);
continue;
}
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(PORT);
client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP_ADDR);
memset(&(client_addr.sin_zero), 0, sizeof(client_addr.sin_zero));
if (connect(sock,
(struct sockaddr *)&client_addr,
sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
printf("Connect failed!\n");
closesocket(sock);
vTaskDelay(10);
continue;
}
printf("Connect to iperf server successful!\n");
tick1 = sys_now();
while (1)
{
tick2 = sys_now();
if (tick2 - tick1 >= configTICK_RATE_HZ * 5)
{
float f;
f = (float)(sentlen*configTICK_RATE_HZ/125/(tick2 - tick1));
f /= 1000.0f;
printf("send speed = %.4f Mbps!\n", f);
tick1 = tick2;
sentlen = 0;
}
if (write(sock,send_buf,IPERF_BUFSZ) < 0)
break;
else
{
sentlen += IPERF_BUFSZ;
}
}
closesocket(sock);
}
}
void
iperf_client_init(void)
{
sys_thread_new("iperf_client", iperf_client, NULL, 2048, 8);
}
测试结果具体见 图18_5，从两个实验的对比可以看出，基于Socket API的发送速度基本相差无几。
图 18‑5 Socket API发送速度
18.3. 提高LwIP网络传输的速度¶
如果按照LwIP默认的配置，是远不可能达到我们实验所显示的速度的，因为还没优化，那肯定也是不稳定的，下面我们来看看优化的参数， 首先，网速必然受限于硬件，只有硬件是很好的，那么软件才能优化的更好，网卡肯定要选择好一点的网卡， 然后在工程中的stm32f4xx_hal_config.h文件中配置以太网发送和接收的缓冲区大小，默认是4，我们可以稍微改大一点， 具体见 代码清单18_7。
代码清单 18‑7stm32f4xx_hal_config.h文件配置参数
#define ETH_RXBUFNB ((uint32_t)8U) /* 接收缓冲区 */
#define ETH_TXBUFNB ((uint32_t)8U) /* 发送缓冲区 */
此外，还需在lwipopts.h文件中配置LwIP的参数，具体见 代码清单18_8，首先，我们对LwIP管理的内存肯定要分配的大一些， 而对于发送数据是存储在ROM或者静态存储区的时候，还要将MEMP_NUM_PBUF宏定义改的大一点， 当然发送缓冲区大小和发送缓冲区队列长度决定了发送速度的大小，根据不同需求进行配置，并且需要不断调试， 而对于接收数据的配置，应该配置TCP缓冲队列中的报文段数量与TCP接收窗口大小，特别是接收窗口的大小， 这直接可以影响数据的接收速度。
代码清单 18‑8lwipopts.h文件配置参数
//内存堆heap大小
#define MEM_SIZE (25*1024)
/* memp结构的pbuf数量,如果应用从ROM或者静态存储区发送大量数据时
这个值应该设置大一点 */
#define MEMP_NUM_PBUF 25
/* 最多同时在TCP缓冲队列中的报文段数量 */
#define MEMP_NUM_TCP_SEG 150
/* 内存池大小 */
#define PBUF_POOL_SIZE 65
/* 每个pbuf内存池大小 */
#define PBUF_POOL_BUFSIZE \
LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(TCP_MSS+40+PBUF_LINK_ENCAPSULATION_HLEN+PBUF_LINK_HLEN)
/* 最大TCP报文段，TCP_MSS = (MTU - IP报头大小 - TCP报头大小 */
#define TCP_MSS (1500 - 40)
/* TCP发送缓冲区大小（字节） */
#define TCP_SND_BUF (11*TCP_MSS)
/* TCP发送缓冲区队列的最大长度 */
#define TCP_SND_QUEUELEN (8* TCP_SND_BUF/TCP_MSS)
/* TCP接收窗口大小 */
#define TCP_WND (11*TCP_MSS)
当然，除此之外，想要整个LwIP能高速平稳运行，只配置这些是不够的，比如我们应该使用中断的方式接收数据，这就省去了CPU查询数据，而且，我们应该将内核邮箱的容量增大，这样子在接收到数据之后，投递给内核就不会因为无法投递而阻塞，同时内核线程的优先级应该设置得更高一点，这样子就能及时去处理这些数据，当然，我们也可以独立使用一个新的发送线程，这样子内核就无需调用底层网卡函数，它可以专心处理数据，发送数据的事情就交由发送线程去处理，同时，在处理数据的时候，不使用串口打印信息，因为串口是一个很慢的外设，当然啦，关于提高LwIP网络传输的速度，还有很多东西要优化的，这也跟使用环境有关系，不能一概而论，只是给出一些方向，具体怎么实现，还需要大家亲身实践去调试。