基于 UDP 的 组播、广播详解

news/2024/9/11 23:50:27

背景

有些时候我们在网络通信中也需要用到 组播(多播)、广播。现在我们来介绍如何实现。

建议：在此之前，关闭防火墙。

ubuntu： service ufw stop
windows： 控制面板关闭

有关知识

基本概念

  1. 单播：两个主机间单对单的通信
  2. 广播：一个主机对整个局域网上所有主机上的数据通信（网络地址全1）

单播和广播是两个极端，要么对一个主机进行通信，要么对整个局域网的主机进行通信

  1. 组播：实际情况下，经常需要对一组特定的主机进行通信，而不是所有局域网上的主机

  • IP组播（也称多址广播或多播），是一种允许一台或多台主机发送数据包到多台主机的TCP/IP网路技术。

  • 多播是 IPv6 数据包的 3 种基本目的地址类型之一，多播是一点对多点的通信,　IPv6 没有采用 IPv4 中的组播术语，而是将广播看成是多播的一个特殊例子。

多播组只能用UDP 或者原始套接字实现，不能用TCP。

广播地址

在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID 为全1 的IP 地址为广播地址，广播的分组传送给host ID段所涉及的所有计算机。

传输层只有UDP可以广播 。

组播地址

IP 组播通信必须依赖于 IP 多播地址，在 IPv4 中它是一个 D 类 IP 地址，范围从 224.0.0.0 到 239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址3类：

  • 局部链接多播地址范围在 224.0.0.0~224.0.0.255，这是为路由协议和其它用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包；

  • 预留多播地址为 224.0.1.0~238.255.255.255，可用于全球范围（如Internet）或网络协议；

  • 管理权限多播地址为 239.0.0.0~239.255.255.255，可供组织内部使用，类似于私有 IP 地址，不能用于 Internet，可限制多播范围。

组播地址与MAC地址的映射

使用同一个 IP 多播地址接收多播数据包的所有主机构成了一个主机组，也称为多播组。一个多播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开多播组，多播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也可以属于几个多播组。

这个我们可以这样理解，多播地址就类似于 QQ 群号，多播组相当于 QQ 群，一个个的主机就相当于群里面的成员。

设备驱动程序就必须接收所有多播数据帧，然后对它们进行过滤，这个过滤过程是网络驱动或IP层自动完成。（设备驱动程序会对多播数据进行过滤，将其发到相应的位置）

组播应用

  1. 单点对多点应用

点对多点应用是指一个发送者，多个接收者的应用形式，这是最常见的多播应用形式。典型的应用包括：媒体广播、媒体推送、信息缓存、事件通知和状态监视等。

  1. 多点对单点应用

多点对点应用是指多个发送者，一个接收者的应用形式。通常是双向请求响应应用，任何一端（多点或点）都有可能发起请求。典型应用包括：资源查找、数据收集、网络竞拍、信息询问等。

  1. 多点对多点应用

多点对多点应用是指多个发送者和多个接收者的应用形式。通常，每个接收者可以接收多个发送者发送的数据，同时，每个发送者可以把数据发送给多个接收者。典型应用包括：多点会议、资源同步、并行处理、协同处理、远程学习、讨论组、分布式交互模拟（DIS）、多人游戏等。

组播编程

多播程序框架主要包含套接字初始化、设置多播超时时间、加入多播组、发送数据、接收数据以及从多播组中离开几个方面。其步骤如下：

1）建立一个socket。

2）然后设置接收方多播的参数，例如超时时间TTL、本地回环许可LOOP等。

3）设置接收方加入多播组。

4）发送和接收数据。

5）从多播组离开。

我们需要用到 setsocket 函数 ，使用这些参数：

c

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);struct ip_mreq          
{ struct in_addr imn_multiaddr; // 多播组 IP，类似于 群号struct in_addr imr_interface; // 将要添加到多播组的 IP，类似于 成员号};struct in_addr
{in_addr_t s_addr;
}// 当imr_interface 为 INADDR_ANY 时，选择的是默认组播接口。

level ：

  • IPPROTO_IP

optname：

  • IP_MULTICAST_LOOP 支持多播数据回送
  • IP_ADD_MEMBERSHIP 加入多播组
  • IP_DROP_MEMBERSHIP 离开多播组

默认情况下，当本机发送组播数据到某个网络接口时，在IP层，数据会回送到本地的回环接口，选项IP_MULTICAST_LOOP用于控制数据是否回送到本地的回环接口。

使用IP_ADD_MEMBERSHIP选项每次只能加入一个网络接口的IP地址到多播组，但并不是一个多播组仅允许一个主机IP地址加入，可以多次调用IP_ADD_MEMBERSHIP选项来实现多个IP地址加入同一个广播组，或者同一个IP地址加入多个广播组。

optval：

  • IP_MULTICAST_LOOP 选项对应传入 unsigned int 来确认是否支持多播数据回送
  • IP_ADD_MEMBERSHIP 传入 ip_mreq
  • IP_DROP_MEMBERSHIP 传入 ip_mreq

组播例程

group_client.c

c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  group_client.c
#    Created  :  Mon 23 Mar 2020 04:00:49 PM CST
*/#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>#define IP_FOUND "IP_FOUND"
#define IP_FOUND_ACK "IP_FOUND_ACK"/*
广播与多播只支持UDP协议，因为TCP协议是端到端，这与广播与多播的理念相冲突
广播是局域网中一个主机对所有主机的数据通信，而多播是一个主机对一组特定的主机进行通信.多播可以是因特网，而广播只能是局域网。多播常用于视频电话，网上会议等。setsockopt设置套接字选项可以设置多播的一些相关信息IP_MULTICAST_TTL //设置多播的跳数值
IP_ADD_MEMBERSHIP //将主机的指定接口加入多播组，以后就从这个指定的接口发送与接收数据
IP_DROP_MEMBERSHIP //主机退出多播组
IP_MULTICAST_IF //获取默认的接口或设置多播接口
IP_MULTICAST_LOOP //设置或禁止多播数据回送，即多播的数据是否回送到本地回环接口例子:
int ttl=255;
setsockopt(socket,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,&ttl,sizeof(ttl));//设置跳数socket           -套接字描述符
PROTO_IP         -选项所在的协议层
IP_MULTICAST_TTL -选项名
&ttl             -设置的内存缓冲区
sizeof(ttl)      -设置的内存缓冲区长度struct in_addr in;setsockopt(socket,IPPROTO_IP,IP_MUTLICAST_IF,&in,sizeof(in));//设置组播接口int yes=1;
setsockopt(socket,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&yes,sizeof(yes));//设置数据回送到本地回环接口struct ip_mreq addreq;
setsockopt(socket,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&req,sizeof(req));//加入组播组struct ip_mreq dropreq;
setsockopt(socket,IPPROTO_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&dropreq,sizeof(dropreq));//离开组播组*/#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"int main(int argc ,char **argv)
{int ret,count;int sock_fd;char send_buf[20];char recv_buf[20];struct sockaddr_in server_addr; //多播地址struct sockaddr_in our_addr;struct sockaddr_in recvaddr;int so_broadcast=1;socklen_t  socklen;sock_fd =  socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(MCAST_ADDR);  //多播地址server_addr.sin_port = htons(6666);//客户端绑定通信端口，否则系统自动分配memset(&our_addr,0,sizeof(our_addr));our_addr.sin_family = AF_INET;our_addr.sin_port = htons(7777);our_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //MCAST_ADDR//自定义地址如果为有效地址//则协议栈将自定义地址与端口信息发送到接收方//否则协议栈将使用默认的回环地址与自动端口//our_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.10");ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&our_addr, sizeof(our_addr) );if(ret == -1){perror("bind !");}socklen = sizeof(struct sockaddr);strncpy(send_buf,IP_FOUND,strlen(IP_FOUND)+1);for(count=0;count<1;count++){ret = sendto(sock_fd, send_buf, strlen(send_buf)+1, 0,(struct sockaddr *)&server_addr, socklen);if(ret != strlen(send_buf)+1){perror(" send to !");}ret = recvfrom(sock_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0,(struct sockaddr *)&recvaddr, &socklen);if(ret < 0 ){perror(" recv! ");}printf(" recv server addr : %s \n", (char *)inet_ntoa(recvaddr.sin_addr));printf(" recv server port : %d \n", ntohs(recvaddr.sin_port) );printf(" recv server msg :%s \n", recv_buf);}close(sock_fd);return 0;
}

group_server.c

c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  group_server.c
#    Created  :  Mon 23 Mar 2020 04:02:12 PM CST
*/#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//#include <linux/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>#define IP_FOUND  "IP_FOUND"
#define IP_FOUND_ACK  "IP_FOUND_ACK"
#define MCAST "224.0.0.88"//说明:设置主机的TTL值，是否允许本地回环，加入多播组，然后服务器向加入多播组的主机发送数据，主机接收数据，并响应服务器。int main(int argc,char **argv)
{int sock_fd,client_fd;int ret;struct sockaddr_in localaddr;struct sockaddr_in recvaddr;socklen_t  socklen;char recv_buf[20];char send_buf[20];int ttl = 10;//如果转发的次数等于10,则不再转发int loop=0;sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM , 0);if(sock_fd == -1){perror(" socket !");}memset(&localaddr,0,sizeof(localaddr));localaddr.sin_family = AF_INET;localaddr.sin_port = htons(6666);localaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&localaddr,sizeof(localaddr));if(ret == -1){perror("bind !");}socklen = sizeof(struct sockaddr);//设置多播的TTL值if(setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, sizeof(ttl))<0){perror("IP_MULTICAST_TTL");return -1;}//设置数据是否发送到本地回环接口if(setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP, &loop, sizeof(loop))<0){perror("IP_MULTICAST_LOOP");return -1;}//加入多播组struct ip_mreq mreq;mreq.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr(MCAST);//多播组的IPmreq.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//本机的默认接口IP,本机的随机IPif(setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0){perror("IP_ADD_MEMBERSHIP");return -1;}while(1){ret = recvfrom(sock_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0,(struct sockaddr *)&recvaddr, &socklen);if(ret < 0 ){perror(" recv! ");}printf(" recv client addr : %s \n", (char *)inet_ntoa(recvaddr.sin_addr));printf(" recv client port : %d \n",ntohs(recvaddr.sin_port));printf(" recv msg :%s \n", recv_buf);if(strstr(recv_buf,IP_FOUND)){//响应客户端请求strncpy(send_buf, IP_FOUND_ACK, strlen(IP_FOUND_ACK) + 1);ret = sendto(sock_fd, send_buf, strlen(IP_FOUND_ACK) + 1, 0, (struct sockaddr*)&recvaddr, socklen);//将数据发送给客户端if(ret < 0 ){perror(" sendto! ");}printf(" send ack  msg to client !\n");}}// 离开多播组ret = setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));if(ret < 0){perror("IP_DROP_MEMBERSHIP");return -1;}close(sock_fd);return 0;
}

广播编程

广播的实现比较简单，只需要设置socket允许广播(想广播的终端设置即可)，然后在发送数据前指定为广播地址即可。我们直接看例程吧。

boardcast_client.c

c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  boardcast_client.c
#    Created  :  Mon 23 Mar 2020 04:29:48 PM CST
*/#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{char send_buf[100] = "GET Msg";char recv_buf[100];// 1 创建一个套接字，用于网络通信int sk_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sk_fd == -1){perror("socket");return -1;}// 2 绑定服务的IP与端口struct sockaddr_in ser_addr;ser_addr.sin_family  = PF_INET;ser_addr.sin_port  = htons (6666) ;ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.88");int ret =  bind(sk_fd, (struct sockaddr *)&ser_addr,sizeof(ser_addr));if (ret == -1){perror("bind");return -1;}// 3 等待 服务器广播struct sockaddr_in src_addr;socklen_t size = sizeof(ser_addr);ret =  recvfrom(sk_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0,(struct sockaddr *)&src_addr, &size);if (ret == -1){perror("reveform");return -1;}printf("recv :%s\n",recv_buf);// 4 关闭套接字close(sk_fd);return 0;  
}

boardcast_server.c

/*
#    Copyright By Schips, All Rights Reserved
#    https://gitee.com/schips/
#
#    File Name:  boardcast_server.c
#    Created  :  Mon 23 Mar 2020 04:29:48 PM CST
*/// UDP 服务端
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{char send_buf[100] = "hello client  6666";char recv_buf[100];// 1 创建一个套接字，用于网络通信int sk_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sk_fd == -1){perror("socket");return -1;}//设置广播使能int on = 1;setsockopt(sk_fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on));// 2 绑定服务的IP与端口struct sockaddr_in ser_addr;ser_addr.sin_family  = PF_INET;ser_addr.sin_port  = htons (6666) ;ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.88");int ret =  bind(sk_fd, (struct sockaddr *)&ser_addr,sizeof(ser_addr));if (ret == -1){perror("bind");return -1;}// 3 广播数据struct sockaddr_in client_addr;client_addr.sin_family  = PF_INET;client_addr.sin_port  = htons (6666) ;client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.255");socklen_t size = sizeof(struct sockaddr_in);while(1) {ret =  sendto(sk_fd, send_buf, sizeof(send_buf), 0,(struct sockaddr *)&client_addr, size);if (ret == -1){perror("sendto");return -1;}}// 4 关闭套接字close(sk_fd);return 0;
}

如果说我的文章对你有用，只不过是我站在巨人的肩膀上再继续努力罢了。
若在页首无特别声明，本篇文章由 Schips 经过整理后发布。
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基于 UDP 的 组播、广播详解 - 黄树超 - 博客园 (cnblogs.com)


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