编程

Appearance

苏木2026-03-16
2814
12.5m

LV060-多播简介 ​

本文主要是网络编程——广播和多播的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

一、组播编程 ​

1. 组播的概念 ​

我们知道单播方式只能发给一个接收方。广播方式发给所有的主机，而过多的广播会大量占用网络带宽，造成广播风暴，影响正常的通信。而组播(又称为多播)是一种折中的方式，只有加入某个多播组的主机才能收到数据。

组播指的是报文从一个源发出，被转发到一组特定的接收者，相同的报文在每条链路上最多有一份。相较于传统的单播和广播，组播可以有效地节约网络带宽、降低网络负载，所以被广泛应用于IPTV、实时数据传送和多媒体会议等网络业务中。

组播方式既可以发给多个主机，又能避免象广播那样带来过多的负载(每台主机要到传输层才能判断广播包是否要处理)

2. 组播地址 ​

2.1IPv4组播地址 ​

IANA将D类地址空间分配给IPv4组播使用。IPv4地址一共32位，D类地址最高4位为1110，地址范围从224.0.0.0到239.255.255.255，具体分类及含义如下：

224.0.0.0 ~ 224.0.0.255永久组地址。IANA为路由协议预留的IP地址（也称为保留组地址），用于标识一组特定的网络设备，供路由协议、拓扑查找等使用，不用于组播转发。
224.0.1.0 ~ 231.255.255.255
233.0.0.0 ~ 238.255.255.255		ASM组地址，全网范围内有效。
232.0.0.0 ~ 232.255.255.255缺省情况下的的SSM组地址范围，全网范围内有效。
239.0.0.0 ~ 239.255.255.255本地管理组地址，仅在本地管理域内有效。在不同的管理域内重复使用相同的本地管理组地址不会导致冲突。
#### 2.2 `IPv6`组播地址

IPv6地址长度是128位，IPv6组播地址格式如图所示：

image-20220705193345376
  • IPv6组播地址总是以FF开头，高8位取值为1111 1111。
  • flags字段（4位）用来标识组播地址的状态。例如取值为0表示保留组地址，取值为1或2表示ASM范围内的组播地址，取值为3表示SSM范围内的组播地址。
  • scope字段（4位）用来标识组播组的应用范围，指示组播组应用范围是只包含同一本地网络、同一站点、同一机构中的节点，还是包含全球地址空间内的任何节点。
  • Group ID（112位）组播组标识符，用在由scope字段所指定的范围内标识组播组。
FF0x::/32保留组地址。
FF1x::/32(x不能是1或者2)
FF2x::/32(x不能是1或者2)		ASM组地址，全网范围内有效。
FF3x::/32(x不能是1或者2)缺省的SSM组地址范围，全网范围内有效。
## 二、组播编程步骤

1. 组播发送 ​

  • 创建用户数据报套接字，注意soclet()函数第二个参数要写为SOCK_DGRAM。
  • 接收方地址指定为组播地址。
  • 指定端口信息。
  • 发送数据包。

2. 组播接收 ​

  • 创建用户数据报套接字，注意soclet()函数第二个参数要写为SOCK_DGRAM。
  • 加入多播组。
  • 绑定本机IP地址和端口，绑定的端口必须和发送方指定的端口相同。
  • 等待接收数据。

3. 两个socket选项 ​

这里我们需要将接收端加入到多播组中，所以我们可能会用到两个socket的选项，IP_ADD_MEMBERSHIP*和IP_DROP_MEMBERSHIP，这两个都属于IPPROTO_IP层。

  • IP_ADD_MEMBERSHIP表示加入一个多播组；

  • IP_DROP_MEMBERSHIP表示退出一个多播组；

我们可以使用man 7 ip命令查看帮助手册的Socket options部分来查看这两个选项的详细说明。这两个选项对应的数据类型都是struct ip_mreq类型的结构体变量，该结构体原型如下：

c
struct ip_mreq
{
	struct in_addr imn_multiaddr;      /* 加入或者退出的广播组IP地址 */
	struct in_addr imr_interface;      /* 加入或者退出的网络接口IP地址 */
};

使用示例如下：

c
#define MULTICAST_IP "235.10.10.3"
struct ip_mreq mreq;
bzero(&mreq, sizeof(mreq));
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);
mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
setsockopt(socket_fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

三、使用实例 ​

1. server服务器端 ​

c
/** =====================================================
 * Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
 * File name: server.c
 * Author   : fanhua
 * Description: server服务器端——组播(UDP)
 * ======================================================
 */
/* 头文件 */
#include <stdio.h>      /* perror */
#include <stdlib.h>     /* exit atoi */
#include <errno.h>      /* errno号 */
#include <sys/types.h>  /* socket           bind listen recvfrom sendto */
#include <sys/socket.h> /* socket inet_addr bind listen recvfrom sendto */
#include <strings.h>    /* bzero */
#include <arpa/inet.h>  /* htons  inet_addr inet_pton */
#include <netinet/in.h> /* ntohs  inet_addr inet_ntop*/
#include <unistd.h>     /* close */
#include <string.h>     /* strlen strcat*/

void usage(char *str); /* 提示信息打印函数 */

int main(int argc, char *argv[])
{
	/* 1.参数判断及端口号处理 */
	int port = -1;
	if (argc != 4)/* 参数数量不对时打印提示信息 */
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	port = atoi(argv[2]);/* 字符串转数字 */
	if (port < 5000)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	/* 2.创建套接字，得到socket描述符 */
	int socket_fd = -1; /* 接收服务器端socket描述符 */
	if((socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)/* SOCK_STREAM,使用TCP协议 */
	{
		perror ("socket");
		exit(-1);
	}
	/* 3.网络属性设置 */
	/* 3.1允许绑定地址快速重用 */
	int b_reuse = 1;
	setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int));
	/* 3.2加入多播组 */
	struct ip_mreq mreq;
	bzero(&mreq, sizeof(mreq));
	mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[3]);
	mreq.imr_interface.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	setsockopt(socket_fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof(mreq));

	/* 4.将套接字与指定端口号和IP进行绑定 */
	/* 4.1填充struct sockaddr_in结构体变量 */
	struct sockaddr_in sin;
	bzero (&sin, sizeof (sin));  /* 将内存块（字符串）的前n个字节清零 */
	sin.sin_family = AF_INET;    /* 协议族, IPv4 */
	sin.sin_port = htons(port);  /* 网络字节序的端口号 */
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], (void *)&sin.sin_addr) != 1)/* 填充IP地址,INADDR_ANY表示允许监听任意IP,但是它其实是(in_addr_t) 0x00000000 */
	{
		perror ("inet_pton");
		exit(-1);
	}
	/* 4.2绑定 */
	if(bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0)
	{
		perror("bind");
		exit(-1);
	}
	printf ("Multicast server starting....OK(UDP)!\n");
	/* 5.数据读写相关变量定义 */
	/* 5.2客户端IP地址及端口号获取的相关变量 */
	struct sockaddr_in cin;          /* 用于存储成功连接的客户端的IP信息 */
	socklen_t addrlen = sizeof(cin);
	char ipv4_addr[16];
	/* 5.2数据读写相关变量 */
	char buf[BUFSIZ]; /* BUFSIZ是在stdio.h中定义的一个宏，值为8192 */
	/* 6.数据读写 */
	while(1)
	{
		/* 6.1接收来自客户端的数据 */
		bzero(buf, BUFSIZ);
		if(recvfrom(socket_fd, buf, BUFSIZ-1, 0,(struct sockaddr *)&cin, &addrlen ) < 0)
		{
			perror("recvfrom");
			continue;
		}
		/* 6.2打印客户端的IP信息 */
		if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin)))
		{
			perror ("inet_ntop");
			exit(-1);
		}
		printf("Recived from(%s:%d), data:%s", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port), buf);
		/* 6.3判断是否需要退出 */
		if(!strncasecmp(buf, "quit", strlen("quit")))  	//用户输入了quit字符
		{
			printf ("Client(%s:%d) is exiting!\n", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port));
			// break;
		}
	}
	/* 7.关闭文件描述符 */
	close(socket_fd);

	return 0;
}

/**
 * @Function: usage
 * @Description: 用户提示信息打印函数
 * @param str : 当前应用程序命令字符串，一般是./app
 * @return  : none
 */
void usage(char *str)
{
	printf("\n%s serv_ip serv_port Multicast_ip", str);
	printf("\n\t serv_ip: server ip address");
	printf("\n\t serv_port: server port(>5000)");
	printf("\n\t Multicast_ip: Multicast ip address(between 224~239 segment. eg. 235.10.10.3)\n");
	printf("\n\t Attention: The serv_ip address must be the IP address of the local nic or 0.0.0.0 \n\n");
}

2. client客户端 ​

c
/** =====================================================
 * Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
 * File name: cilent.c
 * Author   : fanhua
 * Description: client客户端程序——组播(UDP)
 * ======================================================
 */
/* 头文件 */
#include <stdio.h>     /* perror fgets */
#include <stdlib.h>    /* exit atoi*/
#include <errno.h>     /* errno号 */
#include <unistd.h>    /* write close */

#include <sys/types.h> /* socket           recvfrom sendto */
#include <sys/socket.h>/* socket inet_addr recvfrom sendto */
#include <netinet/in.h>/* inet_addr */
#include <arpa/inet.h> /* inet_addr inet_pton htonl*/

#include <string.h>   /* bzero strncasecmp strlen */

void usage(char *str); /* 提示信息打印函数 */

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	/* 1.参数判断及端口号处理 */
	int port = -1;
	if (argc != 3)/* 参数数量不对时打印提示信息 */
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	port = atoi(argv[2]);/* 字符串转数字 */
	if (port < 5000)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}

	/* 2.打开套接字，得到套接字描述符 */
	int socket_fd = -1; /* 接收服务器端socket描述符 */
	if ((socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
	{
		perror ("socket");
		exit(-1);
	}
	/* 3.网络属性设置 */

	/* 4.连接服务器 */
	/* 4.1填充struct sockaddr_in结构体变量 */
	struct sockaddr_in sin;
	bzero (&sin, sizeof (sin)); /* 将内存块（字符串）的前n个字节清零 */
	sin.sin_family = AF_INET;   /* 协议族 */
	sin.sin_port = htons(port); /* 网络字节序的端口号 */
	/* 客户端的 argv[1] 需要与系统的IP一致 */
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], (void *)&sin.sin_addr) != 1)/* IP地址 */
	{
		perror ("inet_pton");
		exit(-1);
	}
	printf("Multicast client staring...OK(UDP)!\n");
	/* 5.数据读写相关变量定义 */
	char buf[BUFSIZ]; /* BUFSIZ是在stdio.h中定义的一个宏，值为8192 */
	/* 6.数据读写 */
	while (1)
	{
		/* 6.1标准输入获取发送数据 */
		bzero(buf, BUFSIZ);
		printf(">");
		if (fgets(buf, BUFSIZ - 1, stdin) == NULL)
		{
			perror("fgets");
			continue;
		}
		/* 6.2发送数据 */
		if(sendto(socket_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0)
		{
			perror("sendto");
			continue;
		}
		/* 6.3判断是否需要退出 */
		if (!strncasecmp(buf, "quit", strlen ("quit")))  	//用户输入了quit字符
		{
			printf ("Client is exiting!\n");
			break;
		}
	}
	/* 7.关闭文件描述符 */
	close(socket_fd);

	return 0;
}

/**
 * @Function: usage
 * @Description: 用户提示信息打印函数
 * @param str : 当前应用程序命令字符串，一般是./app
 * @return  : none
 */
void usage(char *str)
{
	printf ("\n%s Multicast_ip serv_port", str);
	printf ("\n\t Multicast_ip: boardcast ip address(between 224~239 segment. eg. 235.10.10.3)");
	printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n");
}

3. Makefile ​

由于需要生成两个可执行程序，自己输命令有些繁琐，这里使用make来进行。

makefile
## =====================================================
# Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
# File name: Makefile
# Author   : fanhua
# Description: Makefile文件
## ======================================================
# 
CC = gcc

DEBUG = -g -O2 -Wall
CFLAGS += $(DEBUG)

# 所有.c文件去掉后缀
TARGET_LIST = ${patsubst %.c, %, ${wildcard *.c}} 
all : $(TARGET_LIST)

%.o : %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

.PHONY: all clean clean_o clean_out
clean : clean_o clean_out
	@rm -vf $(TARGET_LIST) 
	
clean_o :
	@rm -vf *.o
	
clean_out :
	@rm -vf *.out

4. 测试结果 ​

我们执行以下命令编译链接程序，生成两个可执行文件：

shell
make

然后会有如下提示，并生成两个可执行文件吗，分别为服务器端程序server和客户端程序client：

shell
gcc -g -O2 -Wall    client.c   -o client
gcc -g -O2 -Wall    server.c   -o server

对于服务器端，我们执行以下命令启动服务器进程：

shell
./server 0.0.0.0 5001 235.10.10.3 # 允许监听所有网卡IP及端口
./server 0.0.0.0 5001 235.10.10.3 # 允许监听所有网卡IP及端口

对于客户端，我们执行以下命令启动客户端进程：

shell
./client 235.10.10.3 5001  # 发送数据到组播IP
./client 235.10.10.3 5001  # 发送数据到组播IP

然后我们就会看到如下现象：

image-20220706055721882

这里我们可以启动两个服务器，看会不会都能收到数据，服务器启动时，命令重要加入组播地址，用于让服务器加入多播组，客户端直接想组播地址发送数据即可。