Linux网络编程（十二）——多播与广播

还没想好取啥名

于 2025-04-02 10:41:13 发布

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分类专栏： Linux网络编程文章标签：网络 linux

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文章目录

12 多播与广播

12.1 多播

12.1.1 多播的数据传输方式及流量方面的优点

12.1.2 路由（Routing）和 TTL（Time to Live,生存时间）以及加入组的办法

12.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver

12.2 广播

12.2.1 广播的理解及实现方法

12.2.2 实现广播数据的Sender和Receiver

12 多播与广播

12.1 多播

多播（Multicast）方式的数据传输是基于 UDP 完成的。因此，与 UDP 服务器端/客户端的实现方式非常接近。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。

12.1.1 多播的数据传输方式及流量方面的优点

多播的数据传输特点可整理如下：

多播服务器端针对特定多播组，只发送 1 次数据。
即使只发送 1 次数据，但该组内的所有客户端都会接收数据
多播组数可以在 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地址（224.0.0.0~239.255.255.255）。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 1 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。如下图所示，多播需要借助路由器完成。

若通过 TCP 或 UDP 向60个主机发送文件，则共需要传递60次。即便将10台主机合为1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1次。这时由60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”。

12.1.2 路由（Routing）和 TTL（Time to Live,生存时间）以及加入组的办法

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一。TTL 变为 0 时，该数据包就无法再被传递，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，也无法传递到目标。

接下来给出 TTL 设置方法。程序中的 TTL 设置是通过套接字可选项完成的。与设置 TTL 相关的协议层为 IPPROTO_IP，选项名为 IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把TTL设置为64。

int time_tive = 64;
send_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live));

另外，加入多播组也需要通过设置套接字可选项来完成。加入多播组相关协议层为IPPROTO_IP，选项名为 IP_ADD_MEMBERSHIP。因此，可通过如下代码加入多播组

struct ip_mreq join_adr;
recv_sock=socket(AF_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);

//其中，ip_mreq结构体结构如下所示
struct ip_mreq {
    struct in_addr imr_multiaddr; //写入加入组的IP地址
    struct in_addr imr_interface; //加入该组的套接字所属主机的IP地址
};

12.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver

多播中用 “发送者”（ Sender）和 “接收者”（Receiver）替代服务器端和客户端。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。示例的运行场景如下：

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

（1）发送者 news_sender.c

#define TTL 64
#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct sockaddr_in mul_addr;
    int time_live = TTL;
    char* buf = malloc(sizeof(char)*BUF_SIZE);
    if(argc != 3) {
        printf("Usage：%s <GroupIP> <port>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    mul_addr.sin_family = AF_INET;
    mul_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&mul_addr.sin_addr);
    //设置数据包生存时间
    int send_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live));
    int fd = open("news.txt",O_RDONLY);
    if(fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    int str_len;
    //读取news.txt内容到buf缓冲区，再向多播地址发送数据
    while((str_len=read(fd,buf,BUF_SIZE))>0) {
        //因为自己就是组播地址，所以sendto后两个参数填写mul_addr
        sendto(send_sock,buf,str_len,0,(struct sockaddr*)&mul_addr,sizeof(mul_addr));
        sleep(2);
    }
    close(fd);
    close(send_sock);
    return 0;
}

（2）接收者 news_receiver.c

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，需要经过加人多播组的过程。

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct sockaddr_in adr;
    struct ip_mreq join_adr;
    char* buf = malloc(sizeof(char)*BUF_SIZE);
    memset(&adr,0,sizeof(adr));
    if(argc != 3) {
        printf("Usage：%s <GroupIP> <port>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    adr.sin_family = AF_INET;
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&adr.sin_addr);
    int recv_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

    //设置可选项 加入多播组
    join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);         //多播组地址
    join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          //加入多播组的主机地址
    setsockopt(recv_sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&join_adr,sizeof(join_adr));
    int temp = bind(recv_sock,(struct sockaddr*)&adr,sizeof(adr));
    handle_error("bind",temp);
    while(1) {
        memset(buf,0,BUF_SIZE);
        //已经加入多播组，不需要直到发送方的地址信息
        int str_len = recvfrom(recv_sock,buf,BUF_SIZE,0,NULL,0);
        if(str_len<0) break;
        puts(buf);
    }
    close(recv_sock);
    return 0;
}

recvfrom 函数的最后两个参数为什么是0？因为在多播中，接收方通常只关心从多播组接收到的数据，而不关心数据是从哪个具体的发送方发送的。因此，可以将 src_addr 和 addrlen 设置为 NULL 或 0，表示不需要获取发送方的地址信息。

（3）测试结果

12.2 广播

广播（Broadcast）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受数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。

12.2.1 广播的理解及实现方法

广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法。与多播相同，广播也是通过 UDP 来完成的。根据传输数据时使用的IP地址形式，广播分为以下两种：

直接广播（Directed Broadcast）
本地广播（Local Broadcast）

二者在实现上的差别主要在于IP地址。直接广播的IP地址中除了网络地址外，其余主机地址全部设置成 1。例如，向C类网络地址 192.12.34.x 中的所有主机传输数据时，可以向 192.12.34.255 传输。换言之，可以采取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.x 网络中的主机向 255.255.255.255 传输数据时，数据将传输到 192.32.24 网络中所有主机。

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，只需通过如下代码更改默认设置。

int bcast = 1;    //对变量进行初始化以将SO_BROADCAST选项信息改为1
int send_sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));

12.2.2 实现广播数据的Sender和Receiver

（1）发送端 news_sender_brd.c

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int so_brd = 1;
    struct sockaddr_in mul_addr;
    int time_live = TTL;
    char* buf = malloc(sizeof(char)*BUF_SIZE);
    if(argc != 3) {
        printf("Usage：%s <GroupIP> <port>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    mul_addr.sin_family = AF_INET;
    mul_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&mul_addr.sin_addr);
    int send_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    //设置数据广播
    setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&so_brd,sizeof(so_brd));
    //设置数据包生存时间
    setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live));
    int fd = open("news.txt",O_RDONLY);
    if(fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    int str_len;
    while((str_len=read(fd,buf,BUF_SIZE))>0) {
        sendto(send_sock,buf,str_len,0,(struct sockaddr*)&mul_addr,sizeof(mul_addr));
        sleep(2);
    }
    close(fd);
    close(send_sock);
    return 0;
}

（2）接收端 news_receiver_brd.c

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct sockaddr_in adr;
    struct ip_mreq join_adr;
    char* buf = malloc(sizeof(char)*BUF_SIZE);
    memset(&adr,0,sizeof(adr));
    if(argc != 2) {
        printf("Usage：%s <port>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    adr.sin_family = AF_INET;
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&adr.sin_addr);
    int recv_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    int temp = bind(recv_sock,(struct sockaddr*)&adr,sizeof(adr));
    handle_error("bind",temp);
    while(1) {
        memset(buf,0,BUF_SIZE);
        int str_len = recvfrom(recv_sock,buf,BUF_SIZE,0,NULL,0);
        if(str_len<0) break;
        puts(buf);
    }
    close(recv_sock);
    return 0;
}

（3）测试结果