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基于 UDP 的组播、广播详解

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

单播：两个主机间单对单的通信
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

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

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。

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。

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：

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

/*
#    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 
", (char *)inet_ntoa(recvaddr.sin_addr));
                printf(" recv server port : %d 
", ntohs(recvaddr.sin_port) );
                printf(" recv server msg :%s 
", recv_buf);

        }

        close(sock_fd);

        return 0;
}

group_server.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IP
        mreq.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//本机的默认接口IP,本机的随机IP
        if(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 
", (char *)inet_ntoa(recvaddr.sin_addr));
                printf(" recv client port : %d 
",ntohs(recvaddr.sin_port));
                printf(" recv msg :%s 
", 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 !
");
                }
        }

        // 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

/*
#    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
",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;
}

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 第八章——Linux设备模型（1）
第四章——IOCTL（1）
第三章（扩展）——虚拟串口设备
 第三章——字符驱动设备

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基于 UDP 的 组播、广播详解

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