UDP多播

1 、多播的概念

多播,也被称为组播,是一种网络通信模式,其中数据的传输和接收仅在同一组内进行。多播具有以下特点:

  1. 多播地址标识一组接口:多播使用特定的多播地址,该地址标识一组接收数据的接口。发送到多播地址的数据包将被传递给属于该组的所有接口。

  2. 适用于广域网使用:与广播通信通常局限于局域网内不同,多播可以用于广域网环境。这使得多播成为一种在大型网络中分发数据的高效方式,因为它只将数据发送给需要的接收者。

  3. 在IPv4中是可选的:在IPv4网络中,多播支持是可选的,这意味着并非所有网络都支持多播。然而,在IPv6中,多播是强制要求的,所有IPv6网络都必须支持多播。

多播地址

IPv4的D类地址是多播地址

十进制:224.0.0.1~239.255.255.254

十六进制:E0.00.00.01~EF.FF.FF.FE

多播地址向以太网MAC地址的映射

 

2 、多播工作过程 

比起广播,多播具有可控性,只有加入多播组的接收者才可以接收数据,否则接收不到

 3 、多播流程

发送者

  1. 创建套接字:使用socket()函数创建一个数据报套接字(SOCK_DGRAM),以支持UDP通信。
  2. 发送数据:使用sendto()函数向多播地址发送数据。多播地址是一个特殊的IP地址,用于表示一组接收者。

接收者

  1. 创建套接字:与发送者一样,使用socket()函数创建一个数据报套接字(SOCK_DGRAM)。
  2. 加入多播组:使用setsockopt()函数将套接字设置为加入多播组。这通常需要设置IP_ADD_MEMBERSHIP选项,并提供要加入的多播组的地址和接口。
  3. 绑定套接字:使用bind()函数将套接字与一个本地地址和端口号绑定。这将使套接字能够接收发送到该地址和端口的数据。
  4. 接收数据:使用recvfrom()函数接收发送到绑定地址和端口的数据。该函数将返回发送者的信息,包括其IP地址和端口号。

4 、多播地址结构体

在IPv4因特网域(AF_INET)中,多播地址结构体用如下结构体ip_mreq表示

5 、多播套接口选项 

#include <sys/socket.h>int setsockopt(int socket, int level, int option_name,const void *option_value, socklen_t option_len);

功能:设置一个套接字的选项(属性)。

参数:

  • socket:文件描述符,表示要设置选项的套接字。
  • level:协议层次,指定要设置选项的协议层次。对于多播组的操作,使用IPPROTO_IP表示IP层次。
  • option_name:选项的名称。对于加入多播组,使用IP_ADD_MEMBERSHIP选项。
  • option_value设置的选项的值。对于IP_ADD_MEMBERSHIP选项,需要提供一个指向struct ip_mreq结构的指针。该结构包含以下两个字段:
    • imr_multiaddr:表示要加入的多播组的IP地址。
    • imr_interface:表示要接收多播数据的主机接口地址。通常使用INADDR_ANY表示任意主机地址,系统会自动选择合适的接口。
  • option_len:表示option_value的长度,即struct ip_mreq结构的大小。

返回值:

  • 成功:返回0。
  • 失败:返回-1,并设置errno以指示错误原因。

通过调用setsockopt()函数并将option_name设置为IP_ADD_MEMBERSHIP,接收者可以加入指定的多播组,并接收发送到该多播组的数据。

6、 加入多播组示例 

发送者: 

#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{if(argc < 3){fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);exit(1);}int sockfd; //文件描述符struct sockaddr_in groupcastaddr; //服务器网络信息结构体socklen_t addrlen = sizeof(groupcastaddr);//第一步:创建套接字if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0){perror("fail to socket");exit(1);}//第二步:填充组播信息结构体groupcastaddr.sin_family = AF_INET;groupcastaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //224.x.x.x - 239.x.x.xgroupcastaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));//第三步:进行通信char buf[128] = "";while(1){fgets(buf, sizeof(buf), stdin);buf[strlen(buf) - 1] = '\0';   //"hello\n"-->"hello\0"if(sendto(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&groupcastaddr, addrlen) < 0){perror("fail to sendto");exit(1);}}return 0;
}

它实现了一个多播发送者,可以向特定的多播IP地址和端口发送数据。在运行该程序时,需要提供两个命令行参数:要发送数据的多播IP地址和端口号。程序会创建一个UDP套接字,并填充一个包含目标多播地址和端口的结构体。然后,程序会进入一个无限循环,从标准输入读取数据,并将数据通过sendto函数发送到指定的多播地址和端口。需要注意的是,多播地址的范围是224.x.x.x到239.x.x.x。 

接收者:

1 #include <stdio.h> //printf2 #include <stdlib.h> //exit3 #include <sys/types.h>4 #include <sys/socket.h> //socket5 #include <netinet/in.h> //sockaddr_in6 #include <arpa/inet.h> //htons inet_addr7 #include <unistd.h> //close8 #include <string.h>910 int main(int argc, char const *argv[])11 {12    if(argc < 3)13    {14        fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);15        exit(1);16    }1718    int sockfd; //文件描述符
19    struct sockaddr_in groupcastaddr; 
20    socklen_t addrlen = sizeof(groupcastaddr);2122    //第一步:创建套接字
23    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)24    {25        perror("fail to socket");26        exit(1);27    }2829    //第二步:设置为加入多播组
30    struct ip_mreq mreq;31    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);32    mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;33    if(setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0)34    {35        perror("fail to setsockopt");36        exit(1);37    }3839    //第三步:填充组播信息结构体
40    groupcastaddr.sin_family = AF_INET;41    groupcastaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //224.x.x.x ‐ 239.x.x.x42    groupcastaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));4344    //第四步:将套接字与广播信息结构体绑定
45    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&groupcastaddr, addrlen) < 0)46    {47        perror("fail to bind");48        exit(1);49    }5051    //第五步:进行通信
52    char text[32] = "";53    struct sockaddr_in sendaddr;5455    while(1)56    {57        if(recvfrom(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&sendaddr, &addrlen) < 0)
58        {59            perror("fail to recvfrom");60            exit(1);61        }62        
63        printf("[%s ‐ %d]: %s\n", inet_ntoa(sendaddr.sin_addr), ntohs(sendaddr.sin_port), text);64    }6566    return 0;67 }

它实现了一个多播接收者,可以接收来自特定多播IP地址和端口的数据。在运行该程序时,需要提供两个命令行参数:要接收数据的多播IP地址和端口号。程序会创建一个UDP套接字,并使用setsockopt函数将套接字设置为加入指定的多播组。然后,程序会填充一个包含目标多播地址和端口的结构体,并将套接字绑定到该结构体上。接下来,程序会进入一个无限循环,使用recvfrom函数接收数据,并将数据的来源IP地址、端口号和内容打印出来。需要注意的是,多播地址的范围是224.x.x.x到239.x.x.x。

 执行结果

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