Socket通信 networkstreamを用いた際に接続クライアントを1個→2個に増やすとサーバー側の受信速度が遅くなる件

Question

環境：ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ.net VB2010

業務用ソフトを開発中ですが表題の問題が発生しているためソケット通信にお詳しい方がいらっしゃいましたら何卒お知恵をお貸し願えませんでしょうか？

ネット上の情報をもとにＴＣＰＬｉｓｔｅｎｅｒクラスを用いた複数クライアントからの同時接続受け入れ可能なサーバーソフトを

開発しております。クライアントから10~60ＭＢ程度の画像データをＢｙｔｅ型に変換して送信する仕様となっております。

その際、接続クライアントが1個の場合はほぼ理論値通りの転送速度(1000Ｍｂｐｓに近いもの)が得られておりますが、

接続クライアントを2個に増やして両クライアントから連続して画像データを送信すると、どちらの画像データの受信速度も

クライアント1個送信時に4ｍｓ程度のものが400ｍｓに増えてしまいます。接続ポートを分ければよいのでは？と思い

クライアントごとに50000、50001　とポートを分けて接続しましたが結果は変わりませんでした。

クライアントが2個以上接続時にもデータの送信速度を落とさないようにするためにはどのような設定をすればよいのでしょうか？

参考までに下記にソース部を記載します。

①クライアント接続を待っている部分

 '/** セカンドスレッドで実行されるサーバーのListen **"

    'サーバーのListen 

    Private Sub ServerListen(aport As Integer)

        'TcpListenerを作成 

        Listener = New TcpListener(IPAddress.Any, Integer.Parse(aport))

        Listener.Start()

        ' クライアントの接続を受けるための永久ループ 

        Try

            Do

                ' Listener.AcceptSocketは同期メソドで接続要求が有るまで 

                '値を返さずここで待機します 

                ' 新しい接続要求ががあると接続を許可して 

                ' 新しいソケットを返します 

                Dim socketForClient As Socket = Listener.AcceptSocket()

                'クライアント毎の接続とフォームのインスタンスを渡す 

                Dim handler As New ClientHandler(socketForClient, Me)

                'ListクラスにClientHandlerのインスタンスを保持します 

                Me.BeginInvoke(New dlgsetList(AddressOf Me.addNewClient), New Object() {handler})

                '読み込みを開始 

                handler.StartRead()

            Loop While True

        End Try

    End Sub

②接続された場合のコンストラクタ部

 　　　　'クラスのコンストラクタ 

        Public Sub New(ByVal socketForClient As Socket, ByVal _FomServer As FormMain)

            '呼び出し側のSocketを保持 

            socket = socketForClient

            '呼び出し側のフォームのインスタンスを保持 

            formMaineServer = _FomServer

            '読み込み用のバッファ 

            buffer = New Byte(1024) {}

            'socketの読み書き用のstreamを作成します 

            networkStream = New NetworkStream(socketForClient)

            '読み込み完了時にCLRから呼ばれるメソド 

            callbackRead = New AsyncCallback(AddressOf Me.OnReadComplete)

            '書き込み完了時にCLRから呼ばれるメソド 

            callbackWrite = New AsyncCallback(AddressOf Me.OnWriteComplete)

      

        End Sub

　　　

③実際のデータ受信部

　　　  Public Sub StartRead()

            networkStream.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, callbackRead, Nothing)

        End Sub

④データ受信

　

  'networkStream.BeginReadの別スレッドから、読み込み完了時 

        '又はクライアント切断時にコールバックされます。 

        Private Sub OnReadComplete(ByVal ar As IAsyncResult)

            Try

                '受信文字をStreamから読み込みます 

                If networkStream Is Nothing Then

                    Exit Sub

                End If

                '受信バイト数が返る 

                Dim bytesRead As Integer = networkStream.EndRead(ar)

                If bytesRead > 0 Then

                    getData(buffer, bytesRead)

                    '次の受信を待つ 

                    networkStream.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, callbackRead, Nothing)

                Else

                    '終了ボタンが押され場合はここに落ちる 

                    'クライアントのList<T>からの削除 

                    formMaineServer.Invoke(New dlgsetList(AddressOf formMaineServer.deleteClient), New Object() {Me})

                    networkStream.Close()

                    socket.Close()

                    networkStream = Nothing

                    Thread.Sleep(20) 'これを入れないとNullReferenceExceptionが起きる

                    socket = Nothing

                End If

         

            Catch ex As Exception

                'エラーログの書き込み 

                formMaineServer.Invoke(New dlgWriteLog(AddressOf formMaineServer.WriteLog), New Object() {"受信エラーが起こりました " & ex.ToString()})

            End Try

        End Sub

ちなみに本サーバーアプリを2個起動させて2個クライアントソフトをそれぞれのサーバーアプリに接続すると

データ送信時間は遅くならないことも確認されておりますが、ソフトの使用上、どうしてもサーバーアプリを1個に

まとめる必要がございます。

専門家、有識者の方々のお知恵を拝借したく、どうぞよろしくお願いいたします。

Answer 1

1Gbpsのイーサネットで効率100%であったとしても

　1[Gbps] = 1000[Mbps] = 125[MByte/sec]　
　10MBを転送するのに必要な時間 10[MByte] / 125[MByte/sec] = 0.08[sec]
　60MBを転送するのに必要な時間 60[MByte] / 125[MByte/sec] = 0.48[sec]

となります。実効速度は100%にならないので、もっと時間がかかるはずです。
さらに、２クライアントが同時接続すれば１クライアントが占有できるのは半分になるので時間は倍になりますし、もっと増えればもっと時間がかかります。
つまり、4ミリ秒で転送ができているのがあり得ないです。

時間の計測をどのように行っているか示されていないですが、そのあたりのやり方を見直してみては？

以下、提示されていない部分を推測して書きなおしてみる

Imports System.Net
Imports System.Net.Sockets

Public Class FormMain
    Private Listener As TcpListener
    Private address As TextBox
    Private lsb As ListBox
    Private log As TextBox
    Private clientCount As Integer
    Private totalStart As DateTime

    Sub New()
        InitializeComponent()

        Dim tip As New ToolTip

        address = New TextBox() With {.Left = 10, .Top = 10, .Width = 100, .Text = "127.0.0.1"}
        tip.SetToolTip(address, "サーバーアドレス")
        Me.Controls.Add(address)

        Dim port As New NumericUpDown() With {.Minimum = 1, .Maximum = 65535, .Value = 10000, .Left = 10, .Top = Me.address.Bottom + 5, .Width = 100}
        tip.SetToolTip(port, "サーバーポート")
        Me.Controls.Add(port)

        Dim btnStartServer As New Button With {.Text = "Server", .Left = 10, .Top = port.Bottom + 5}
        AddHandler btnStartServer.Click, _
            Sub(s, e)
                ServerListen(CInt(port.Value))
                CType(s, Button).Enabled = False
            End Sub

        Me.Controls.Add(btnStartServer)

        Dim count As New NumericUpDown() With {.Minimum = 1, .Maximum = 5, .Value = 2, .Left = 150, .Top = port.Top, .Width = 50}
        tip.SetToolTip(count, "同時接続数")
        Me.Controls.Add(count)

        Dim size As New NumericUpDown() With {.Minimum = 1, .Maximum = 100, .Value = 60, .Left = count.Right + 5, .Top = count.Top, .Width = 50}
        tip.SetToolTip(size, "転送サイズ(MB)")
        Me.Controls.Add(size)

        Dim btnClient As New Button() With {.Text = "Client", .Left = 150, .Top = btnStartServer.Top}
        AddHandler btnClient.Click, _
            Sub(s, e)
                Dim serverAddress As IPAddress = Nothing
                Try
                    serverAddress = IPAddress.Parse(address.Text)
                Catch ex As Exception
                    MessageBox.Show(ex.Message, "", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error)
                    Exit Sub
                End Try
                StartClient(serverAddress, CInt(port.Value), CInt(count.Value), CByte(size.Value))
            End Sub
        Me.Controls.Add(btnClient)

        lsb = New ListBox() With {.Left = 0, .Top = btnStartServer.Bottom + 5, .Height = 50, .Width = Me.ClientSize.Width, .Anchor = CType(&HD, AnchorStyles), .IntegralHeight = False}
        Me.Controls.Add(lsb)

        log = New TextBox() With {.Left = 0, .Top = lsb.Bottom + 5, .Width = Me.ClientSize.Width, .Height = Me.ClientSize.Height - .Top, .Anchor = CType(&HF, AnchorStyles), .Multiline = True, .ScrollBars = ScrollBars.Both}
        Me.Controls.Add(log)
    End Sub
    Friend Sub addNewClient(ByVal ch As ClientHandler)
        lsb.Items.Add(ch)
    End Sub
    Friend Sub deleteClient(ByVal ch As ClientHandler)
        lsb.Items.Remove(ch)
    End Sub
    Friend Sub WriteLog(ByVal msg As String)

        If (Me.InvokeRequired) Then
            Me.BeginInvoke(Sub() WriteLog(msg))
        Else
            System.Diagnostics.Debug.WriteLine(msg)
            log.AppendText(msg + vbCrLf)
        End If
    End Sub

    Private Sub ServerListen(portNumber As Integer)
        Dim thread As System.Threading.Thread
        thread = New System.Threading.Thread _
            (Sub()
                 Me.Listener = New TcpListener(IPAddress.Any, portNumber)
                 Me.Listener.Start()
                 Try
                     Do
                         Dim socketForClient As Socket = Listener.AcceptSocket()
                         Dim handler As New ClientHandler(socketForClient)
                         AddHandler handler.Closed, _
                             Sub(s, e)
                                 Me.BeginInvoke _
                                     (Sub()
                                          Dim ela As TimeSpan = (handler.EndTime - handler.StartTime)
                                          Dim mbps As Double = handler.Length * 8 / ela.TotalSeconds / 1024 / 1024

                                          WriteLog(String.Format("{0,5} > {1:HH:mm:ss.fff} - {2:HH:mm:ss.fff} # {3,5:0}ms # {4,8:f3}Mbps", handler.Port, handler.StartTime, handler.EndTime, ela.TotalMilliseconds, mbps))
                                          deleteClient(handler)

                                          If (System.Threading.Interlocked.Decrement(Me.clientCount) = 0) Then
                                              WriteLog(String.Format("{0:0}ms", (handler.EndTime - Me.totalStart).TotalMilliseconds))
                                          End If
                                      End Sub)
                             End Sub

                         Me.BeginInvoke(Sub()
                                            addNewClient(handler)
                                        End Sub)

                         handler.StartRead()
                     Loop While True
                 Catch ex As Exception
                     Me.BeginInvoke(Sub() MessageBox.Show(ex.Message, "", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Exclamation))
                 End Try
             End Sub)
        thread.IsBackground = True
        thread.Start()

    End Sub

    Private Sub StartClient(ByVal address As IPAddress, ByVal portNumber As Integer, ByVal count As Integer, ByVal megabyte As Byte)
        Me.log.Clear()
        Me.clientCount = 0
        Dim ep As New IPEndPoint(address, portNumber)

        Dim data() As Byte
        data = New Byte(1024 * 1024 * megabyte) {}
        Dim rnd As New Random

        rnd.NextBytes(data)

        For i As Integer = 1 To count
            Dim thread As New System.Threading.Thread _
                (Sub()
                     Dim start As DateTime = DateTime.Now
                     If (System.Threading.Interlocked.Increment(Me.clientCount) = 1) Then
                         Me.totalStart = start
                     End If
                     Dim client As New TcpClient()
                     Try
                         client.Connect(ep)
                     Catch ex As Exception
                         MessageBox.Show(ex.Message)
                         Exit Sub
                     End Try

                     WriteLog(String.Format("{0,5} < {1:HH:mm:ss.fff}", CType(client.Client.LocalEndPoint, IPEndPoint).Port, start))

                     Dim stream = client.GetStream()
                     stream.Write(data, 0, data.Length)
                     stream.Close()
                 End Sub)
            thread.IsBackground = True
            thread.Start()
        Next

    End Sub

End Class

Public Class ExceptionEventArgs
    Inherits EventArgs
    Public Message As String
    Public Exception As Exception
End Class

Friend Class ClientHandler
    Public Socket As Socket
    Private BUffer() As Byte
    Private NetworkStream As NetworkStream
    Private callbackRead As AsyncCallback
    Private callbackWrite As AsyncCallback
    Public Port As Integer

    Public Event ReadError As EventHandler(Of ExceptionEventArgs)
    Public Event Closed As EventHandler(Of EventArgs)

    Public Property StartTime As DateTime
    Public Property EndTime As DateTime


    Public Sub New(ByVal socketForClient As Socket)
        StartTime = DateTime.Now
        EndTime = DateTime.MaxValue

        Socket = socketForClient
        BUffer = New Byte(1024) {}
        NetworkStream = New NetworkStream(socketForClient)
        callbackRead = New AsyncCallback(AddressOf Me.OnReadComplete)
        callbackWrite = New AsyncCallback(AddressOf Me.OnWriteComplete)

        Port = CType(socketForClient.RemoteEndPoint, IPEndPoint).Port
    End Sub

    Public Sub StartRead()
        NetworkStream.BeginRead(BUffer, 0, BUffer.Length, callbackRead, Nothing)
    End Sub

    Private Sub OnReadComplete(ByVal ar As IAsyncResult)
        Try
            If NetworkStream Is Nothing Then
                Exit Sub
            End If

            Dim bytesRead As Integer = NetworkStream.EndRead(ar)
            If bytesRead > 0 Then
                getData(BUffer, bytesRead)
                NetworkStream.BeginRead(BUffer, 0, BUffer.Length, callbackRead, Nothing)
            Else

                NetworkStream.Close()
                Socket.Close()
                Socket.Dispose()
                NetworkStream = Nothing
                'System.Threading.Thread.Sleep(20) 'これを入れないとNullReferenceExceptionが起きる
                Socket = Nothing

                EndTime = DateTime.Now
                RaiseEvent Closed(Me, EventArgs.Empty)
            End If

        Catch ex As Exception
            RaiseEvent ReadError(Me, New ExceptionEventArgs() With {.Exception = ex, .Message = "受信エラーが起こりました"})
        End Try
    End Sub

    Public Property Length As Long

    Private Sub getData(ByRef buffer As Byte(), ByVal count As Integer)
        Length = Length + count
    End Sub
    Private Sub OnWriteComplete(ByVal ar As IAsyncResult)
    End Sub
End Class

#テスト環境では1クライアントだと800Mbps位、２クライアントで900Mbps位

---

個別に明示されていない限りgekkaがフォーラムに投稿したコードにはフォーラム使用条件に基づき「MICROSOFT LIMITED PUBLIC LICENSE」が適用されます。(かなり自由に使ってOK!)

Answer 2

bufferのサイズがちょっと小さいかな、という感じもします(ふつうのEthenerのパケットは1400バイトくらいあるので。1MByteとっても大丈夫ではないでしょうか)。
おおむね、提示されているコードにそれほど問題はないと思います。
ただ、提示されていない、具体的にはgetDataの実装で、たとえばロックを獲得しているとか、メインウインドウへBeginInvokeしているとか、詰まる原因があるのでは、と思います。

Answer 3

Thread.Sleep(20) 'これを入れないとNullReferenceExceptionが起きる

苦労されている形跡が見えます。環境をVisual Studio 2012以降かつ.NET Framework 4.5以降にアップデートされますと、Async および Await を使用した非同期プログラミングを利用できます。AsyncCallbackの苦労が嘘のように解消され、パフォーマンスが向上しますので、こちらを推奨します。
# ちなみに.NET 4.0～4.5.1はサポート終了済みです。

.NET 2.0 SP1にてソケット パフォーマンスの強化が行われていますが、今回の質問ではこちらを使用しなくても十分なパフォーマンスを得られる領域の問題と思われますので、紹介までにとどめます。

Answer 4

gekka様

サンプルソースと丁寧なご返信、誠にありがとうございました。

ご指摘通り、4msはこちらの間違いでした。転送画像が300KB程度の時の話でした。失礼いたしました。

追加で質問させて頂きたいのですが、0ご提供いただいたサンプルソフト実行時に気になった点なのですが、例えばクライアントソフト数1個、データ60MBで転送をすると500Mｂｐｓ程度の速さに対して、ソフト数を２個以上にすると900Mbpsに早くなるのは何故なのでしょうか？

Answer 5

jzkey様
＞getDataの実装で、たとえばロックを獲得しているとか、メインウインドウへBeginInvokeしているとか、詰まる原因があるのでは、と思います。
→ご指摘通り、getDataの中でBeginInvokeを実行していました。その関数が実行されている時間中に他のスレッドからのアクセスを拒否しているためにその分の待ち時間が発生しておりました。ですのでBeginInvokeをやめて通常の関数の形での呼び出しにすればうまくいくのですが、BeginInvoke内のUI要素へのアクセス時にエラーが発生してしまうようになりました。ロックされる時間を最小限にするためにUI要素にアクセスする関数部位(エラーが発生する箇所)だけにSyncLock?処理を入れましたがうまくいかないようで相変わらずエラーが発生しており作業が中断しております。UI要素へアクセスする方法はDLLで提供されている機能のためその使用を避けることはできない状態です。やはりSynclockを理解して使用するしかないのでしょうか？参考までにサンプルソースを添付いたします。

Friend Shared Function AccessData(ByVal a As toto.TT)

        Try

           
            'SyncLock (a)          '→入れてみましたが効果なし

            Dim bbb As toto.Ibbb

            bbb = a.getImage(index)'→ここでエラーが発生
　　　　　　
            'End SyncLock　　　　　'→入れてみましたが効果なし

        Catch ex As Exception
            Console.WriteLine(ex.Message)
            Throw
        End Try
       
end Function

Answer 6

佐祐理様

情報のご提供ありがとうございます。教えて頂いた方法ですが当方には難しいようです。ソケット通信を本方法で書き換えられたサンプル等はどこかにございますでしょうか？