第十八节 使用JPerf 工具测试网速
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。
测试网络速度
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。
图JPerf 界面
我们来讲解一下这个界面的一些内容：
- 图(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(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(3)：开始和停止JPerf 的运行。
- 图(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(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(6)：指定需要传输的文件以及显示最大TCP 报文段。
- 图(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(8)：网速显示窗口，以折线图的形式显示出来。
- 图(9)：网速相关数据输出窗口，以文本的形式。
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 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 中的代码。
代码清单 ipref.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 ipref.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 4void 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。
图 NETCONN API 接收速度
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。
代码清单 ipref.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。
图 Socket API 接收速度
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 iperf_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 iperf_client.h 文件内容
#ifndef IPERF_CLIENT_H
#define IPERF_CLIENT_Hvoid 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，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 NETCONN API 发送速度
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 所示的代码即可。
代码清单 iperf_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，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 Socket API 发送速度
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。
代码清单stm32f4xx_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，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 lwipopts.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。
参考资料:LwIP 应用开发实战指南—基于野火STM32
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