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.x
    groupcastaddr.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> //printf
 2 #include <stdlib.h> //exit
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/socket.h> //socket
 5 #include <netinet/in.h> //sockaddr_in
 6 #include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
 7 #include <unistd.h> //close
 8 #include <string.h>
 9
 10 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    }
 17
 18    int sockfd; //文件描述符
19    struct sockaddr_in groupcastaddr; 
20    socklen_t addrlen = sizeof(groupcastaddr);
 21
 22    //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    }
 28
 29    //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(m
 req)) < 0)
 34    {
 35        perror("fail to setsockopt");
 36        exit(1);
 37    }
 38
 39    //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 ‐ 2
 39.x.x.x
 42    groupcastaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
 43
 44    //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    }
 50
 51    //第五步：进行通信
52    char text[32] = "";
 53    struct sockaddr_in sendaddr;
 54
 55    while(1)
 56    {
 57        if(recvfrom(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&s
 endaddr, &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(se
 ndaddr.sin_port), text);
 64    }
 65
 66    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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