设备发现协议

　　网络环境下设备发现是一种比较常见的应用，比如查找打印机与WiFi。那么我们应该如何通过编程实现对网络中的特定设备进行查找呢？

　　常用的方式有：IP广播与多播，以及基于这两种方式所实现的第三方协议，较著名的有Onvif协议。

1局域网广播

1.1 定义

　　广播是一种一对所有的通信模式。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。

　　广播不用进行网络路径选择，不能穿越路由器。这是为了防止广播数据影响大面积的主机，引起广播灾难。

1.2 优缺点

1.2.1 优点

• 网络设备简单，维护简单，布网成本低廉。
• 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

1.2.2 缺点

• 无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
• 网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供 500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。
• 不能在广域网上传播，这是为了防止广播风暴。

1.3 广播地址

　　每一个网段都有一个广播地址，其格式为 xxx.xxx.xxx.255 的形式。计算方式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　网络地址 = IP地址 & 子网掩码

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　广播地址 = 网络地址 | （~子网掩码）

　　代码：

/*
 * 通过ip地址与子网掩码计算广播地址
 * 算法流程：1. ip地址与子网掩码获得网络地址；
 *         2. 网络地址主机位全置1后得到广播地址
 * @param[out] bc_addr 广播地址
 * @param[in] ip 主机IPv4地址
 * @param[in] mask 子网掩码
 * @param[in] len IPv4地址长度（16）
 * @return 返回广播地址
 */
char* cal_bc_addr(char* bc_addr, const char* ip, const char* mask)
{
    uint8_t bc[4] = {0};
    int ret = 0;

    printf("ip: %s
", ip);
    printf("mask: %s
", mask);

    ip[3] = '';
    ip[7] = '';
    ip[11] = '';

    mask[3] = '';
    mask[7] = '';
    mask[11] = '';

    bc[0] = (uint8_t)(atoi(ip) & atoi(mask)) | ~(uint8_t)atoi(mask);
    bc[1] = (uint8_t)(atoi(ip + 4) & atoi(mask + 4)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 4);
    bc[2] = (uint8_t)(atoi(ip + 8) & atoi(mask + 8)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 8);
    bc[3] = (uint8_t)(atoi(ip + 12) & atoi(mask + 12)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 12);

    ret = sprintf(bc_addr, "%d.%d.%d.%d", bc[0], bc[1], bc[2], bc[3]);

    bc_addr[ret] = '';
    return bc_addr;
}

/**
 * 通过socket获取广播地址（仅限Linux）
 * @param[out] bc_addr 广播地址
 * @param[in] ifname 网口，如："eth0"
 * @return 返回广播地址
 */
char* get_bc_addr(char* bc_addr, const char* ifname)
{
　　int sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
　　if(sock < 0){
  　　perror("sock init error");
  　　goto on_return;
　　}
　　struct ifreq ifr;
　　strncpy(ifr.ifr_name, ifname, strlen(ifname));
　　if(ioctl(sock, SIOCGIFBRDADDR, &ifr) == -1){ // 获取广播地址
    　　perror("ioctl error");
    　　goto on_return;
　　}
　　memcpy(&bc_addr, (char *)&ifr->ifr_broadaddr, sizeof(struct sockaddr_in));
on_return:
　　if(sock > 0) close(sock);
　　return bc_addr;
}

1.4 socket编程

1.4.1 IP选项

　　广播是基于UDP的，使用时需要设置其IP选项进行设置，详见下表：

socket编程广播选项设置

setsockopt()选项	含义
SO_BROADCAST	广播

1.4.2 socket多播程序设计流程

• 创建UDP套接字;
• 获取广播地址，设置其端口号；
• 设置IP选项：SO_BROADCAST；
• 接收/发送广播消息。

1.4.3 代码

服务端：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<netdb.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
using namespace std;
int main()
{
    setvbuf(stdout,NULL,_IONBF,0);
    fflush(stdout);
    int sock=-1;
    if((sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1)
    {
        cout<<"sock error"<<endl;
        return -1;
    }
    const int opt=-1;
    int nb=0;
    nb=setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(char*)&opt,sizeof(opt));//设置套接字类型
    if(nb==-1)
    {
        cout<<"set socket error...
"<<endl;
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in addrto;
    bzero(&addrto,sizeof(struct sockaddr_in));
    addrto.sin_family=AF_INET;
    addrto.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_BROADCAST);//套接字地址为广播地址
    addrto.sin_port=htons(6000);//套接字广播端口号为6000
    int nlen=sizeof(addrto);
    while(1)
    {
        sleep(1);
        char msg[]={"the message broadcast"};
        int ret=sendto(sock,msg,strlen(msg),0,(sockaddr*)&addrto,nlen);//向广播地址发布消息
        if(ret<0)
        {
            cout<<"send error...
"<<endl;
            return -1;
        }
        else 
        {
            printf("ok
");
        }
    }
    return 0;
}

客户端：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<netdb.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>


using namespace std;
int main()
{
　　setvbuf(stdout,NULL,_IONBF,0);
　　fflush(stdout);
　　struct sockaddr_in addrto;
　　bzero(&addrto,sizeof(struct sockaddr_in));
　　addrto.sin_family=AF_INET;
　　addrto.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
　　addrto.sin_port=htons(6000);
　　socklen_t len=sizeof(addrto);
　　int sock=-1;
　　if((sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1){
　　　　cout<<"socket error..."<<endl;
　　　　return -1;
　　}
　　const int opt=-1;
　　int nb=0;
　　nb=setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(char*)&opt,sizeof(opt));
　　if(nb==-1){
　　　　cout<<"set socket errror..."<<endl;
　　　　return -1;
　　}
　　if(bind(sock,(struct sockaddr*)&(addrto),len)==-1){
　　　　cout<<"bind error..."<<endl;
　　　　return -1;
　　}
　　char msg[100]={0};
　　while(1)
　　{
　　　　int ret=recvfrom(sock,msg,100,0,(struct sockaddr*)&addrto,&len);
　　　　if(ret<=0){
　　　　　　cout<<"read error..."<<endl;
　　　　}else{
　　　　　　printf("%s	",msg);
　　　　}
　　　　sleep(1);
　　}
　　return 0;
}

2 多播

2.1 定义

　　多播又称为组播，是一种一对多的通信方式。多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。它是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频/视频广播的应用中，当需要将一个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方式，都会严重浪费网络带宽，只有多播才是最好的选择。

　　多播可在广域网传播。由于多播是以组的形式参与的，因此不必担心未加入多播组的主机接收到消息，这一特性使它允许在广域网上传播。

2.2 多播地址

　　在IPv4中，多播地址是一个D类IP地址，其范围从224.0.0.0~239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限（受限）多播地址三类：

　　局部多播（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（224.0.1.0~238.255.255.255）：可用于全球范围（如Internet）或网络协议。

　　受限多播（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。

2.3 socket编程 

2.3.1 IP选项设置

　　多播的程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现，组播的选项是IP层的，其选项值和含义见下表：

socket编程多播IP选项设置

setsockopt()/getsockopt()选项	含义
IP_MULTICAST_TTL	设置多播组跨网段数
IP_ADD_MEMBERSHIP	加入多播组
IP_DROP_MEMBERSHIP	离开多播组
IP_MULTICAST_IF	获取默认或设置接口
IP_MULTICAST_LOOP	设置数据回传

2.3.2 socket多播程序设计流程

• 创建UPD套接字；
• 设置IP选项：TTL、MEMBERSHIP、IF、LOOP；
• 加入多播组；
• 发送/接收数据；
• 离开多播组。

2.3.3 代码

服务端：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netdb.h>
#include<sys/types.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#define MCAST_PORT 8888
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"  // 多播地址
#define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA"  // 多播内容
#define MCAST_INTERVAL 5  //多播时间间隔
using namespace std;

int main()
{
　　int sock;
　　struct sockaddr_in mcast_addr;
　　sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
　　if(sock==-1){
　　　　cout<<"socket error"<<endl;
　　　　return -1;
　　}
　　memset(&mcast_addr,0,sizeof(mcast_addr));
　　mcast_addr.sin_family=AF_INET;
　　mcast_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(MCAST_ADDR);
　　mcast_addr.sin_port=htons(MCAST_PORT);
　　while(1)
　　{       //向局部多播地址发送多播内容
　　　　int n=sendto(sock,MCAST_DATA,sizeof(MCAST_DATA),0,(struct sockaddr*)&mcast_addr,sizeof(mcast_addr));
　　　　if(n<0){
　　　　　　cout<<"send error"<<endl;
　　　　　　return -2;
　　　　}else{
　　　　　　cout<<"send message is going ...."<<endl;
　　　　}
　　　　sleep(MCAST_INTERVAL);
　　}
　　return 0;
}

客户端：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netdb.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#define MCAST_PORT 8888
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88" /*一个局部连接多播地址，路由器不进行转发*/
#define MCAST_INTERVAL 5  //发送时间间隔
#define BUFF_SIZE 256   //接收缓冲区大小
using namespace std;
int main()
{
　　int sock;
　　struct sockaddr_in local_addr;
　　int err=-1;
　　sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
　　if(sock==-1){
   　　cout<<"sock error"<<endl;
      return -1;
   }
   /*初始化地址*/
   local_addr.sin_family=AF_INET;
   local_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
   local_addr.sin_port=htons(MCAST_PORT);
   /*绑定socket*/
   err=bind(sock,(struct sockaddr*)&local_addr,sizeof(local_addr));
   if(err<0){
   　　cout<<"bind error"<<endl;
  　　 return -2;
   }
   /*设置回环许可*/
   int loop=1;
   err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop));
   if(err<0){
   　　cout<<"set sock error"<<endl;
   　　return -3;
   }
   struct ip_mreq mreq;/*加入广播组*/
   mreq.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr(MCAST_ADDR);//广播地址
   mreq.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //网络接口为默认
   /*将本机加入多播组*/
   err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));
   if(err<0){
   　　cout<<"set sock error"<<endl;
       return -4;
   }
        
　　int times=0;
　　socklen_t addr_len=0;
　　char buff[BUFF_SIZE];
　　int n=0;
　　/*循环接受广播组的消息，5次后退出*/
　　for(times=0;;times++)
　　{
　　　　addr_len=sizeof(local_addr);
　　　　memset(buff,0,BUFF_SIZE);
　　　　n=recvfrom(sock,buff,BUFF_SIZE,0,(struct sockaddr*)&local_addr,&addr_len);
　　　　if(n==-1){
　　　　　　cout<<"recv error"<<endl;
　　　　　　return -5;
　　　　}
　　　　/*打印信息*/
　　　　printf("RECV %dst message from server : %s
",times,buff);
　　　　sleep(MCAST_INTERVAL);
　　}

   /*退出多播组*/
　　err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));
　　close(sock);
　　return 0;
}

 3 Onvif协议

　　Onvif协议是Open Network Video Interface Forum（开放型网络视频接口论坛）的英文缩写。

　　ONVIF标准将为网络视频设备之间的信息交换定义通用协议，包括装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息等。网络视频产品由此所能提供的多种可能性，使终端用户，集成商，顾问和生产厂商能够轻松地从中获益，并获得高性价比、更灵活的解决方案、市场扩张的机会以及更低的风险。

视频设备发现代码示例：

#include "wsdd.h"
#include <stdio.h>

static struct soap* ONVIF_Initsoap(struct SOAP_ENV__Header *header, const char *was_To, const char *was_Action, int timeout)
{
    struct soap *soap = NULL; 
    unsigned char macaddr[6];
    char _HwId[1024];
    unsigned int Flagrand;
    soap = soap_new();
    if(soap == NULL)
    {
        printf("[%d]soap = NULL
", __LINE__);
        return NULL;
    }
    
    soap_set_namespaces( soap, namespaces);

    if (timeout > 0)
    {
        soap->recv_timeout = timeout;
        soap->send_timeout = timeout;
        soap->connect_timeout = timeout;
    }
    else
    {
        //Maximum wait time: 20S 
        soap->recv_timeout    = 20;
        soap->send_timeout    = 20;
        soap->connect_timeout = 20;
    }
    soap_default_SOAP_ENV__Header(soap, header);

    // Create SessionID randomly
    srand((int)time(0));
    Flagrand = rand()%9000 + 8888; 
    macaddr[0] = 0x1; macaddr[1] = 0x2; macaddr[2] = 0x3; macaddr[3] = 0x4; macaddr[4] = 0x5; macaddr[5] = 0x6;
    sprintf(_HwId,"urn:uuid:%ud68a-1dd2-11b2-a105-%02X%02X%02X%02X%02X%02X", 
            Flagrand, macaddr[0], macaddr[1], macaddr[2], macaddr[3], macaddr[4], macaddr[5]);
    header->wsa__MessageID =(char *)malloc( 100);
    memset(header->wsa__MessageID, 0, 100);
    strncpy(header->wsa__MessageID, _HwId, strlen(_HwId));

    if (was_Action != NULL)
    {
        header->wsa__Action =(char *)malloc(1024);
        memset(header->wsa__Action, '', 1024);
        strncpy(header->wsa__Action, was_Action, 1024);//"http://schemas.xmlsoap.org/ws/2005/04/discovery/Probe";
    }
    if (was_To != NULL)
    {
        header->wsa__To =(char *)malloc(1024);
        memset(header->wsa__To, '', 1024);
        strncpy(header->wsa__To,  was_To, 1024);//"urn:schemas-xmlsoap-org:ws:2005:04:discovery";    
    }
    soap->header = header;
    return soap;
} 

int ONVIF_ClientDiscovery( )
{
    int FoundDevNo = 0;
    int retval = SOAP_OK;
    wsdd__ProbeType req;       
    struct __wsdd__ProbeMatches resp;
    wsdd__ScopesType sScope;
    struct SOAP_ENV__Header header;
    struct soap* soap;
    

    const char *was_To = "urn:schemas-xmlsoap-org:ws:2005:04:discovery";
    const char *was_Action = "http://schemas.xmlsoap.org/ws/2005/04/discovery/Probe";
    //IP Adress and PortNo, broadCast    
    const char *soap_endpoint = "soap.udp://239.255.255.250:3702/";

    //Create new soap object with info
    soap = ONVIF_Initsoap(&header, was_To, was_Action, 10);
    
    soap_default_SOAP_ENV__Header(soap, &header);
    soap->header = &header;

    soap_default_wsdd__ScopesType(soap, &sScope);
    sScope.__item = "";
    soap_default_wsdd__ProbeType(soap, &req);
    req.Scopes = &sScope;
    req.Types = ""; //"dn:NetworkVideoTransmitter";
    
    //sent the message broadcast and wait
    retval = soap_send___wsdd__Probe(soap, soap_endpoint, NULL, &req);            
    while (retval == SOAP_OK)
    {
        retval = soap_recv___wsdd__ProbeMatches(soap, &resp);
        if (retval == SOAP_OK) 
        {
            if (soap->error)
            {
                printf("[%d]: recv soap error :%d, %s, %s
", __LINE__, soap->error, *soap_faultcode(soap), *soap_faultstring(soap)); 
                retval = soap->error;
            }
            else //we find a device
            {
                FoundDevNo ++;
                if (resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch != NULL && resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->XAddrs != NULL)
                {
                    printf("****** No %d Devices Information ******
", FoundDevNo );
                    printf("Device Service Address  : %s
", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->XAddrs);    
                    printf("Device EP Address       : %s
", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->wsa__EndpointReference.Address);  
                    printf("Device Type             : %s
", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->Types);  
                    printf("Device Metadata Version : %d
", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->MetadataVersion);  
                    //sleep(1);
                }
            }
        }
        else if (soap->error)  
        {  
            if (FoundDevNo == 0)
            {
                printf("No Device found!
"); 
                retval = soap->error;  
            }
            else 
            {
                printf("Search end! Find %d Device! 
", FoundDevNo);
                retval = 0;
            }
            break;
        }  
    }

    soap_destroy(soap); 
    soap_end(soap); 
    soap_free(soap);
    
    return retval;
}

int main(void )
{

    if (ONVIF_ClientDiscovery() != 0 )
    {
        printf("discovery failed!
");
        return -1;
    }

    return 0;
}

参考文献：

【1】https://blog.csdn.net/laczf/article/details/47731917

【2】https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%9A%E6%92%AD/6867723?fr=aladdin

【3】https://www.cnblogs.com/jingliming/p/4477264.html#_lab2_1_0

【4】https://blog.csdn.net/saloon_yuan/article/details/27524875