后台核心编程(十二):网络编程-多播与广播

本文深入探讨了多播和广播在网络通信中的应用,详细解析了它们的实现方式、优势及限制,包括多播如何通过UDP高效地向多个主机传输数据,以及广播在局域网内的数据传输特点。

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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/客⼾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。

1.1 多播的数据传输方式以及流量方面的优点

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,但该组内的所有客⼾端都会接收数据
  • 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),「加⼊多播组」可以理解为通过程序完成如下声明:

在 D 类IP地址中,我希望接收发往⽬标 239.234.218.234 的多播数据

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,向网络传递一个多播数据包时,路由器将复制该数据包并传递到多个主机。像这种,多播需要借助路由器完成。

若通过 TCP 或 UDP 向 1000 个主机发送文件,则共需要传递 1000 次。但是此时如果用多播网络传输文件,则只需要发送一次。这时由 1000 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「多媒体数据实时传输」。

另外,理论上可以完成多播通信,但是不少路由器并不支持多播,或即便支持也因网络拥堵问题故意阻断多播。因此,为了在不支持多播的路由器中完成多播通信,也会使用隧道(Tunneling)技术。

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。

接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第九章的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 send_sock;
int time_live = 64;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live);
...

加入多播组也通过设置设置套接字可选项来完成。加入多播组相关的协议层为 IPPROTO_IP,选项名为 IP_ADD_MEMBERSHIP 。可通过如下代码加入多播组:

int recv_sock;
struct ip_mreq join_adr;
...
recv_sock=socket(PF_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(time_live);
...

下面是 ip_mreq 结构体的定义:

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
};

1.3 实现多播 Sender 和 Receiver

多播中用「发送者」(以下称为 Sender) 和「接收者」(以下称为 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。下面是示例,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。

Sender .c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define TTL 64
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int send_sock;
    struct sockaddr_in mul_adr;
    int time_live = TTL;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建  UDP 套接字
    memset(&mul_adr, 0, sizeof(mul_adr));
    mul_adr.sin_family = AF_INET;
    mul_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //必须将IP地址设置为多播地址
    mul_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //指定套接字中 TTL 的信息
    setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (void *)&time_live, sizeof(time_live));
    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp)) //如果文件没结束就返回0
    {
        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
        sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&mul_adr, sizeof(mul_adr));
        sleep(2);
    }
    fclose(fp);
    close(send_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

recever.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

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

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    //初始化结构体
    join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //多播组地址
    join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //待加入的IP地址
    //利用套接字选项 IP_ADD_MEMBERSHIP 加入多播组,完成了接受指定的多播组数据的所有准备
    setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (void *)&join_adr, sizeof(join_adr));

    while (1)
    {
        //通过 recvfrom 函数接受多播数据。如果不需要知道传输数据的主机地址信息,可以向recvfrom函数的第5 6参数分贝传入 NULL 0
        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
        if (str_len < 0)
            break;
        buf[str_len] = 0;
        fputs(buf, stdout);
    }
    close(recv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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

2.1 广播的理解和实现方法

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,希望向网络地址 192.12.34 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 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 send_sock;
int bcast;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));
...

2.2 实现广播数据的 Sender 和 Receiver

下面是广播数据的 Sender 和 Receiver的代码:

  • news_sender_brd.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int send_sock;
    struct sockaddr_in broad_adr;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    int so_brd = 1;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建  UDP 套接字
    memset(&broad_adr, 0, sizeof(broad_adr));
    broad_adr.sin_family = AF_INET;
    broad_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    broad_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (void *)&so_brd, sizeof(so_brd));
    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp)) //如果文件没结束就返回0
    {
        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
        sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&broad_adr, sizeof(broad_adr));
        sleep(2);
    }
    fclose(fp);
    close(send_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
  • news_receiver_brd.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int recv_sock;
    int str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in adr;
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <PORT>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    memset(&adr, 0, sizeof(adr));
    adr.sin_family = AF_INET;
    adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    while (1)
    {
        //通过 recvfrom 函数接受数据。如果不需要知道传输数据的主机地址信息,可以向recvfrom函数的第5 6参数分贝传入 NULL 0
        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
        if (str_len < 0)
            break;
        buf[str_len] = 0;
        fputs(buf, stdout);
    }
    close(recv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

编译c文件:

gcc news_receiver_brd.c -o receiver
gcc news_sender_brd.c -o sender
./sender 255.255.255.255 9190    //255.255.255.255 代表本地广播
./receiver 9190

相关问题:

  1. 多播与广播的异同点是什么?请从数据通信的角度进行说明?

在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似,但传输的数据范围有区别。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,广播只能向同意网络中的主机传输数据。

  1. 多播也对网络流量有利,请比较 TCP 交换方式解释其原因

TCP 是必须建立一对一的连接,如果要向1000个主机发送文件,就得传递1000次。但是此时用多播方式传输数据,就只需要发送一次。

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