TCP/IP网络编程之多播与广播

2022-10-03 16:53:01

多播

多播方式的数据传输是基于UDP完成的，因此，与UDP服务端/客户端的实现非常接近。区别在于，UDP数据传输以单一目标进行，而多播数据同时传递到加入（注册）特定组的大量主机。换言之，采用多播方式时，可以同时向多个主机传递数据

多播的数据传输方式及流量方面的优点：

多播服务端针对特定多播组，只发送一次数据
即使只发送一次数据，但该组内的所有客户端都会接收数据
多播组数可在IP地址范围内任意增加
加入特定组即可接收发往该多播组的数据

多播组是D类IP（224.0.0.0~239.255.255.255），“加入多播组”可以理解为通过程序完成如：“在D类IP地址中中，我希望接收发往目标239.234.218.234的多播数据”。多播是基于UDP完成的，也就是说，多播数据包的格式与UDP数据包相同。只是与一般的UDP数据包不同，向网络传递一个多播数据包时，路由器将复制该数据包并传递到多个主机。像这种，多播需要借助路由器完成。如图1-1所示

图1-1 多播路由

图1-1表示传输至AAA组的多播数据包借助路由器传递到加入AAA组的所有主机的过程，可能有人认为这种方式不利于网络流量，但像这样向大量客户端发送数据时，也会对服务端和网络流量产生负面影响，所以可以借助多播技术解决该问题。只看图1-1，各位会认为不利于网络流量，因为路由器频繁复制同一数据包。但请从另一方面考虑，这样做至少不会向同一区域发送多个相同数据包。

若通过TCP或UDP向1000个主机发送文件，则共需要传递1000次。即便将10台主机合为一个网络，使99%的传输路径相同的情况下也是如此。但此时若使用多播方式传输文件，则只需发送一次，这时由1000台主机构成的网络中的路由器负责复制文件并传递到主机。就因为这种特性，多播主要用于“多媒体数据的实时传输”

另外，虽然理论上可以完成多播通信，但不少路由器并不支持多播，或即便支持也因网络拥堵问题故意阻断多播。因此，为了在不支持多播的路由器完成多播通信，也会使用隧道技术（非多播程序员需考虑的问题）。我们只讨论支持多播服务的环境下的编程方法

路由（Routing）和TTL（Time to Live，生存时间），以及加入组的方法

接下来讨论多播相关编程，为了传递多播数据包，必须设置TTL，TTL是Time to Live的简写，是决定“数据包传递距离”的主要因素。TTL用整数表示，并且每经过一个路由器就减1。当TTL变为0时，该数据包无法再被传递，只能销毁。因此，TTL的值设置过大将影响网络流量。当然，设置过小也会无法传递到目标主机

图1-2 TTL和多播路由

接下来给出TTL设置方法，程序中TTL设置是通过套接字可选项（TCP/IP网络编程之套接字的多种可选项）完成的。与设置TTL相关的协议层为IPPROTO_TCP ，选项名为IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把TTL设置为64 ：

int send_sock;

int time_live=64;

……

send_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (void*) &time_live, sizeof(time_live));

……

另外，加入多播组也通过设置套接字选项完成，加入多播组相关的协议层为IPPROTO_IP，选项名为IP_ADD_MEMBERSHIP。可通过如下代码加入多播组：

int recv_sock;

struct ip_mreq join_adr;

……

recv_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

……

join_adr.imr_multiaddr.s_addr="多播组地址信息";

join_adr.imr_interface.s_addr="加入多播组的主机地址信息";

setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (void*) &join_adr, sizeof(join_adr));

……

上述代码只给出了与setsockopt函数相关的部分，详细内容会在后面给出。此处之讲解ip_mreq结构体，该结构体定义如下：

struct ip_mreq

{

	struct in_addr imr_multiaddr; //多播组的IP地址

	struct in_addr imr_interface; //加入的客服端主机IP地址

}

之前我们介绍过in_addr结构体，因此这里只介绍ip_mreq的结构体成员。第一个成员imr_multiaddr中写入加入的组IP地址，第二个成员imr_interface是加入该组的套接字所属主机的IP地址，也可用INADDR_ANY

实现多播Sender和Receiver

多播中用“发送者”（以下称为Sender）和“接受者”（以下称为Receiver）替代服务端和客户端，顾名思义，此处的Sender是多播数据的发送主体，Receiver是需要多播组加入过程的数据接收主体。下面讨论即将给出的示例，该示例的运行场景如下：

Sender：向AAA组广播文件中保存的新闻信息
Receiver：接收传递到AAA组的新闻信息

接下来只给出Sender代码，Sender比Receiver简单，因为Receiver需要经过加入组的过程，而Sender只需创建UDP套接字，并向多播地址发送数据

news_sender.c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/socket.h>

#define TTL 64

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

{

    int send_sock;

    struct sockaddr_in mul_adr;

    int time_live = TTL;

    FILE *fp;

    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 3) {

        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);

        exit(1);

    }

    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&mul_adr, 0, sizeof(mul_adr));

    mul_adr.sin_family = AF_INET;

    mul_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); // Multicast IP

    mul_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));      // Multicast Port

    setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP,

               IP_MULTICAST_TTL, (void *)&time_live, sizeof(time_live));

    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)

        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp)) /* Broadcasting */

    {

        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);

        sendto(send_sock, buf, strlen(buf),

               0, (struct sockaddr *)&mul_adr, sizeof(mul_adr));

        sleep(2);

    }

    fclose(fp);

    close(send_sock);

    return 0;

}

void error_handling(char *message)

{

    fputs(message, stderr);

    fputc('\n', stderr);

    exit(1);

}

第24行：多播数据通信是通过UDP完成的，因此创建UDP套接字
第26~28行：设置传输数据的目标地址信息，重要的是，必须将IP地址设置为多播地址
第30行：指定套接字TTL信息，这是Sender中的必要过程
第35~41行：实际传输数据的区域，基于UDP套接字传输数据，因此需要利用sendto函数。另外，第40行的sleep函数调用主要是为了给传输数据提供一定的时间间隔而添加的，没有其他特殊意义

从上述代码中可以看到，Sender与普通的UDP套接字程序相比差别不大。但多播Receiver则有些不同，为了接收传向任意多播地址的数据，需要经过加入多播组的过程。除此之外，Receiver同样与UDP套接字程序差不多，接下来给出上述示例结合使用的Receiver程序

news_receiver.c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

{

    int recv_sock;

    int str_len;

    char buf[BUF_SIZE];

    struct sockaddr_in adr;

    struct ip_mreq join_adr;

    if (argc != 3) {

        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);

        exit(1);

    }

    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&adr, 0, sizeof(adr));

    adr.sin_family = AF_INET;

    adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)

        error_handling("bind() error");

    join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

    join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP,

               IP_ADD_MEMBERSHIP, (void *)&join_adr, sizeof(join_adr));

    while (1)

    {

        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);

        if (str_len < 0)

            break;

        buf[str_len] = 0;

        fputs(buf, stdout);

    }

    close(recv_sock);

    return 0;

}

void error_handling(char *message)

{

    fputs(message, stderr);

    fputc('\n', stderr);

    exit(1);

}

第33、34行：初始化结构体ip_mreg变量，第26行初始化多播组地址，第27行初始化待加入组的主机IP地址
第36行：利用套接字选项IP_ADD_MEMBERSHIP加入多播组，至此完成了接收第33行指定的多播组数据的所有准备
第41行：通过调用recvfrom函数接收多播数据，如果不需要知道传输数据的主机地址信息，可以向recvfrom函数的第五个和第六个参数分别传递NULL和0

创建一个news.txt

# cat news.txt

Hello world!

编译news_receiver.c并运行

# gcc news_receiver.c -o news_receiver

# ./news_receiver  224.1.1.2 8500

Hello world!

Hello world!

编译news_sender.c 并运行

# gcc news_sender.c -o news_sender

# ./news_sender 224.1.1.2 8500

Sender和Receiver之间的端口应保持一致，虽然未讲，但理所应当。运行顺序并不重要，因为不像TCP套接字在连接状态下收发数据。只是因为多播属于广告的范畴，如果延迟运行Receiver，则无法接收之前传输的多播数据

广播

本节介绍的广告在“一次性向多个主机发送数据”这一点上与多播类似，但传输数据的范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接收数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法，广播是基于UDP完成的，这一点与多播相同。根据传输数据时使用的IP地址的形式，广播分为以下两种：

直接广播
本地广播

二者在代码实现上的差别主要在IP地址，直接广播的IP地址中除了网络之外，其余主机地址全部设置为1。例如，希望向网络地址192.12.34中的所有主机传输数据时，可以向192.12.34.255传输。换言之，可以采用直接广播的方式向特定区域内所有主机传输数据

反之，本地广播中使用的IP地址限定为255.255.255.255。例如，192.32.24网络中的主机向255.255.255.255传输数据时，数据将传递到192.32.24网络中的所有主机

那么，应当如何实现Sender和Receiver呢？实际上，如果不仔细观察广播示例中通信时使用的IP地址，则很难与UDP示例进行区分。也就是说，数据通信中使用的IP地址是与UDP示例的唯一区别。默认生成的套接字会阻止广播，因此，只需要通过如下代码更改默认设置

int send_sock;

int bcast = 1;

……

send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

……

setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (void*) &bcast, sizeof(bcast));

……

调用setsockopt函数，将SO_BROADCAST选项设置为bcast变量中的值1。这意味着可以进行数据广播，当然，上述套接字选项只需在Sender中更改，Receiver的实现不需要该过程

实现广播数据的Sender和Receiver

下面是基于广播的Sender和Receiver，为了与多播示例进行对比，将之前的news_sender.c和news_receiver.c改为广播的示例

news_sender_brd.c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

{

    int send_sock;

    struct sockaddr_in broad_adr;

    FILE *fp;

    char buf[BUF_SIZE];

    int so_brd = 1;

    if (argc != 3) {

        printf("Usage : %s <Boradcast IP> <PORT>\n", argv[0]);

        exit(1);

    }

    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&broad_adr, 0, sizeof(broad_adr));

    broad_adr.sin_family = AF_INET;

    broad_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

    broad_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET,

               SO_BROADCAST, (void *)&so_brd, sizeof(so_brd));

    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)

        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp))

    {

        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);

        sendto(send_sock, buf, strlen(buf),

               0, (struct sockaddr *)&broad_adr, sizeof(broad_adr));

        sleep(2);

    }

    close(send_sock);

    return 0;

}

void error_handling(char *message)

{

    fputs(message, stderr);

    fputc('\n', stderr);

    exit(1);

}

第29行更改第23行创建的UDP套接字的可选项，使其能够发送广播数据，其余部分与UDP Sender一致，下面给出广播Receiver

news_receiver_brd.c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

{

    int recv_sock;

    struct sockaddr_in adr;

    int str_len;

    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 2) {

        printf("Usage : %s  <PORT>\n", argv[0]);

        exit(1);

    }

    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    memset(&adr, 0, sizeof(adr));

    adr.sin_family = AF_INET;

    adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)

        error_handling("bind() error");

    while (1)

    {

        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);

        if (str_len < 0)

            break;

        buf[str_len] = 0;

        fputs(buf, stdout);

    }

    close(recv_sock);

    return 0;

}

void error_handling(char *message)

{

    fputs(message, stderr);

    fputc('\n', stderr);

    exit(1);

}

编译news_receiver_brd.c并运行

# gcc news_receiver_brd.c -o news_receiver_brd

# ./news_receiver_brd 8500

Hello world!

Hello world!

编译news_sender_brd.c 并运行

# gcc news_sender_brd.c -o news_sender_brd

# ./news_sender_brd 255.255.255.255 8500

码农公寓

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