11.3 多播
单播用于两个主机之间的端对端通信&＃xff0c;广播用于一个主机对整个局域网上所有主机上的数据通信。单播和广播是两个极端&＃xff0c;要么对一个主机进行通信&＃xff0c;要么对整个局域网上的主机进行通信。实际情况下&＃xff0c;经常需要对一组特定的主机进行通信&＃xff0c;而不是整个局域网上的所有主机&＃xff0c;这就是多播的用途。
11.3.1 多播的概念
多播&＃xff0c;也称为"组播"&＃xff0c;将网络中同一业务类型主机进行了逻辑上的分组&＃xff0c;进行数据收发的时候其数据仅仅在同一分组中进行&＃xff0c;其他的主机没有加入此分组不能收发对应的 数据。
在广域网上广播的时候&＃xff0c;其中的交换机和路由器只向需要获取数据的主机复制并转发数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组&＃xff0c;网络中的路由器和交换机有选择地复制并传输数据&＃xff0c;将数据仅仅传输给组内的主机。多播的这种功能&＃xff0c;可以一次将数据发送到多个主机&＃xff0c;又能保证不影响其他不需要&＃xff08;未加入组&＃xff09;的主机的其他通信。
相对于传统的一对一的单播&＃xff0c;多播具有如下的优点&＃xff1a;
具有同种业务的主机加入同一数据流&＃xff0c;共享同一通道&＃xff0c;节省了带宽和服务器的优点&＃xff0c;具有广播的优点而又没有广播所需要的带宽。
服务器的总带宽不受客户端带宽的限制。由于组播协议由接收者的需求来确定是否进行数据流的转发&＃xff0c;所以服务器端的带宽是常量&＃xff0c;与客户端的数量无关。
与单播一样&＃xff0c;多播是允许在广域网即Internet上进行传输的&＃xff0c;而广播仅仅在同一局域网上才能进行。
组播的缺点&＃xff1a;
多播与单播相比没有纠错机制&＃xff0c;当发生错误的时候难以弥补&＃xff0c;但是可以在应用层来实现此种功能。
多播的网络支持存在缺陷&＃xff0c;需要路由器及网络协议栈的支持。
多播的应用主要有网上视频、网上会议等。
11.3.2 广域网的多播
多播的地址是特定的&＃xff0c;D类地址用于多播。D类IP地址就是多播IP地址&＃xff0c;即224.0.0.0至239.255.255.255之间的IP地址&＃xff0c;并被划分为局部连接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址3类&＃xff1a;
局部多播地址&＃xff1a;在224.0.0.0&＃xff5e;224.0.0.255之间&＃xff0c;这是为路由协议和其他用途保留的地址&＃xff0c;路由器并不转发属于此范围的IP包。
预留多播地址&＃xff1a;在224.0.1.0&＃xff5e;238.255.255.255之间&＃xff0c;可用于全球范围&＃xff08;如Internet&＃xff09;或网络协议。
管理权限多播地址&＃xff1a;在239.0.0.0&＃xff5e;239.255.255.255之间&＃xff0c;可供组织内部使用&＃xff0c;类似于私有IP地址&＃xff0c;不能用于Internet&＃xff0c;可限制多播范围。
11.3.3 多播的编程
多播的程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现&＃xff0c;组播的选项是IP层的&＃xff0c;其选项值和含义参见11.5所示。
表11.5 多播相关的选项
1&＃xff0e;选项IP_MULTICASE_TTL
选项IP_MULTICAST_TTL允许设置超时TTL&＃xff0c;范围为0&＃xff5e;255之间的任何值&＃xff0c;例如&＃xff1a;
unsigned char ttl&＃61;255;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,&ttl,sizeof(ttl));
2&＃xff0e;选项IP_MULTICAST_IF
选项IP_MULTICAST_IF用于设置组播的默认默认网络接口&＃xff0c;会从给定的网络接口发送&＃xff0c;另一个网络接口会忽略此数据。例如&＃xff1a;
struct in_addr addr;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_IF,&addr,sizeof(addr))
参数addr是希望多播输出接口的IP地址&＃xff0c;使用INADDR_ANY地址回送到默认接口。
默认情况下&＃xff0c;当本机发送组播数据到某个网络接口时&＃xff0c;在IP层&＃xff0c;数据会回送到本地的回环接口&＃xff0c;选项IP_MULTICAST_LOOP用于控制数据是否回送到本地的回环接口。例如&＃xff1a;
unsigned char loop;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop))
参数loop设置为0禁止回送&＃xff0c;设置为1允许回送
3. 选项IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP
加入或者退出一个组播组&＃xff0c;通过选项IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBER- SHIP&＃xff0c;对一个结构struct ip_mreq类型的变量进行控制&＃xff0c;struct ip_mreq原型如下&＃xff1a;
struct ip_mreq
{ struct in_addr imn_multiaddr; /*加入或者退出的广播组IP地址*/ struct in_addr imr_interface; /*加入或者退出的网络接口IP地址*/
}
选项IP_ADD_MEMBERSHIP用于加入某个广播组&＃xff0c;之后就可以向这个广播组发送数据或者从广播组接收数据。此选项的值为mreq结构&＃xff0c;成员imn_multiaddr是需要加入的广播组IP地址&＃xff0c;成员imr_interface是本机需要加入广播组的网络接口IP地址。例如&＃xff1a;
struct ip_mreq mreq;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq))
使用IP_ADD_MEMBERSHIP选项每次只能加入一个网络接口的IP地址到多播组&＃xff0c;但并不是一个多播组仅允许一个主机IP地址加入&＃xff0c;可以多次调用IP_ADD_MEMBERSHIP选项来实现多个IP地址加入同一个广播组&＃xff0c;或者同一个IP地址加入多个广播组。当imr_ interface为INADDR_ANY时&＃xff0c;选择的是默认组播接口。
4&＃xff0e;选项IP_DROP_MEMBERSHIP
选项IP_DROP_MEMBERSHIP用于从一个广播组中退出。例如&＃xff1a;
struct ip_mreq mreq;
setsockopt(s,IPPROTP_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(sreq))
其中mreq包含了在IP_ADD_MEMBERSHIP中相同的值.
5&＃xff0e;多播程序设计的框架
要进行多播的编程&＃xff0c;需要遵从一定的编程框架&＃xff0c;其基本顺序如图11.6所示。
多播程序框架主要包含套接字初始化、设置多播超时时间、加入多播组、发送数据、接收数据以及从多播组中离开几个方面。其步骤如下&＃xff1a;
&＃xff08;1&＃xff09;建立一个socket。
&＃xff08;2&＃xff09;然后设置多播的参数&＃xff0c;例如超时时间TTL、本地回环许可LOOP等。
&＃xff08;3&＃xff09;加入多播组。
&＃xff08;4&＃xff09;发送和接收数据。
&＃xff08;5&＃xff09;从多播组离开。
11.3.4 内核中的多播
Linux内核中的多播是利用结构struct ip_mc_socklist来将多播的各个方面连接起来的&＃xff0c;其示意图如图11.7所示。
struct inet_sock { ... __u8 mc_ttl; /*多播TTL*/ ... __u8 ... mc_loop:1; /*多播回环设置*/ int mc_index; /*多播设备序号*/ __be32 mc_addr; /*多播地址*/ struct ip_mc_socklist *mc_list; /*多播群数组*/ ...
}
结构成员mc_ttl用于控制多播的TTL&＃xff1b;
结构成员mc_loop表示是否回环有效&＃xff0c;用于控制多播数据的本地发送&＃xff1b;
结构成员mc_index用于表示网络设备的序号&＃xff1b;
结构成员mc_addr用于保存多播的地址&＃xff1b;
结构成员mc_list用于保存多播的群组。
1&＃xff0e;结构ip_mc_socklist
结构成员mc_list的原型为struct ip_mc_socklist&＃xff0c;定义如下&＃xff1a;
struct ip_mc_socklist
{ struct ip_mc_socklist *next; struct ip_mreqn multi; unsigned int sfmode; /*MCAST_{INCLUDE,EXCLUDE}*/ struct ip_sf_socklist *sflist;
}
成员参数next指向链表的下一个节点。
成员参数multi表示组信息&＃xff0c;即在哪一个本地接口上&＃xff0c;加入到哪一个多播组。
成员参数sfmode是过滤模式&＃xff0c;取值为 MCAST_INCLUDE或MCAST_EXCLUDE&＃xff0c;分别表示只接收sflist所列出的那些源的多播数据报&＃xff0c;和不接收sflist所列出的那些源的多播数据报。
成员参数sflist是源列表。
2&＃xff0e;结构ip_mreqn
multi成员的原型为结构struct ip_mreqn&＃xff0c;定义如下&＃xff1a;
struct ip_mreqn
{ struct in_addr imr_multiaddr; /*多播组的IP地址*/ struct in_addr imr_address; /*本地址网络接口的IP地址*/ int imr_ifindex; /*网络接口序号*/
}
该结构体的两个成员分别用于指定所加入的多播组的组IP地址&＃xff0c;和所要加入组的那个本地接口的IP地址。该命令字没有源过滤的功能&＃xff0c;它相当于实现IGMPv1的多播加入服务接口。
3&＃xff0e;结构ip_sf_socklist
成员sflist的原型为结构struct ip_sf_socklist&＃xff0c;定义如下&＃xff1a;
struct ip_sf_socklist
{ unsigned int sl_max; /*当前sl_addr数组的最大可容纳量*/ unsigned int sl_count; /*源地址列表中源地址的数量*/ __u32 sl_addr[0]; /*源地址列表*/
}
成员参数sl_addr表示是源地址列表&＃xff1b;
成员参数sl_count表示是源地址列表中源地址的数量&＃xff1b;
成员参数sl_max表示是当前sl_addr数组的最大可容纳量&＃xff08;不确定&＃xff09;。
4&＃xff0e;选项IP_ADD_MEMBERSHIP
选项IP_ADD_MEMBERSHIP用于把一个本地的IP地址加入到一个多播组&＃xff0c;在内核中其处理过程如图11.8所示&＃xff0c;在应用层调用函数setsockopt()函数的选项IP_ADD_MEMBE- RSHIP后&＃xff0c;内核的处理过程如下&＃xff0c;主要调用了函数ip_mc_join_group()。
&＃xff08;1&＃xff09;将用户数据复制如内核。
&＃xff08;2&＃xff09;判断广播IP地址是否合法。
&＃xff08;3&＃xff09;查找IP地址对应的网络接口。
&＃xff08;4&＃xff09;查找多播列表中是否已经存在多播地址。
&＃xff08;5&＃xff09;将此多播地址加入列表。
&＃xff08;6&＃xff09;返回处理值。
5&＃xff0e;选项IP_DROP_MEMBERSHIP
选项IP_DROP_MEMBERSHIP用于把一个本地的IP地址从一个多播组中取出&＃xff0c;在内核中其处理过程如图11.9所示&＃xff0c;在应用层调用setsockopt()函数的选项IP_DROP_ MEMBERSHIP后&＃xff0c;内核的处理过程如下&＃xff0c;主要调用了函数ip_mc_leave_group()。
&＃xff08;1&＃xff09;将用户数据复制入内核。
&＃xff08;2&＃xff09;查找IP地址对应的网络接口。
&＃xff08;3&＃xff09;查找多播列表中是否已经存在多播地址。
&＃xff08;4&＃xff09;将此多播地址从源地址中取出。
&＃xff08;5&＃xff09;将此地址结构从多播列表中取出。
&＃xff08;6&＃xff09;返回处理值。
11.3.5 一个多播例子的服务器端
下面是一个多播服务器的例子。多播服务器的程序设计很简单&＃xff0c;建立一个数据包套接字&＃xff0c;选定多播的IP地址和端口&＃xff0c;直接向此多播地址发送数据就可以了。多播服务器的程序设计&＃xff0c;不需要服务器加入多播组&＃xff0c;可以直接向某个多播组发送数据。
下面的例子持续向多播IP地址"224.0.0.88"的8888端口发送数据"BROADCAST TEST DATA"&＃xff0c;每发送一次间隔5s。
/*
*broadcast_server.c - 多播服务程序
*/
#define MCAST_PORT 8888;
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"/ /*一个局部连接多播地址&＃xff0c;路由器不进行转发*/
#define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" /*多播发送的数据*
#define MCAST_INTERVAL 5 /*发送间隔时间*/
int main(int argc, char*argv)
{ int s; struct sockaddr_in mcast_addr; s &＃61; socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /*建立套接字*/ if (s &＃61;&＃61; -1) { perror("socket()"); return -1; } memset(&mcast_addr, 0, sizeof(mcast_addr));/*初始化IP多播地址为0*/ mcast_addr.sin_family &＃61; AF_INET; /*设置协议族类行为AF*/ mcast_addr.sin_addr.s_addr &＃61; inet_addr(MCAST_ADDR);/*设置多播IP地址*/ mcast_addr.sin_port &＃61; htons(MCAST_PORT); /*设置多播端口*/ /*向多播地址发送数据*/ while(1) { int n &＃61; sendto(s, /*套接字描述符*/ MCAST_DATA, /*数据*/ sizeof(MCAST_DATA), /*长度*/ 0, (struct sockaddr*)&mcast_addr, sizeof(mcast_addr)) ; if( n <0) { perror("sendto()"); return -2; } sleep(MCAST_INTERVAL); /*等待一段时间*/ } return 0&＃xff1b;
}
11.3.6 一个多播例子的客户端
多播组的IP地址为224.0.0.88&＃xff0c;端口为8888&＃xff0c;当客户端接收到多播的数据后将打印出来。
客户端只有在加入多播组后才能接受多播组的数据&＃xff0c;因此多播客户端在接收多播组的数据之前需要先加入多播组&＃xff0c;当接收完毕后要退出多播组。
/*
*broadcast_client.c - 多播的客户端
*/
#define MCAST_PORT 8888;
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88" /*一个局部连接多播地址&＃xff0c;路由器不进行转发*/
#define MCAST_INTERVAL 5 /*发送间隔时间*/
#define BUFF_SIZE 256 /*接收缓冲区大小*/
int main(int argc, char*argv[])
{ int s; /*套接字文件描述符*/ struct sockaddr_in local_addr; /*本地地址*/ int err &＃61; -1; s &＃61; socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /*建立套接字*/ if (s &＃61;&＃61; -1) { perror("socket()"); return -1; } /*初始化地址*/ memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr)); local_addr.sin_family &＃61; AF_INET; local_addr.sin_addr.s_addr &＃61; htonl(INADDR_ANY); local_addr.sin_port &＃61; htons(MCAST_PORT); /*绑定socket*/ err &＃61; bind(s,(struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) ; if(err <0) { perror("bind()"); return -2; } /*设置回环许可*/ int loop &＃61; 1; err &＃61; setsockopt(s,IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP,&loop, sizeof(loop)); if(err <0) { perror("setsockopt():IP_MULTICAST_LOOP"); return -3; } struct ip_mreq mreq; /*加入广播组*/ mreq.imr_multiaddr.s_addr &＃61; inet_addr(MCAST_ADDR); /*广播地址*/ mreq.imr_interface.s_addr &＃61; htonl(INADDR_ANY); /*网络接口为默认*/ /*将本机加入广播组*/ err &＃61; setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof (mreq)); if (err <0) { perror("setsockopt():IP_ADD_MEMBERSHIP"); return -4; } int times &＃61; 0; int addr_len &＃61; 0; char buff[BUFF_SIZE]; int n &＃61; 0; /*循环接收广播组的消息&＃xff0c;5次后退出*/ for(times &＃61; 0;times<5;times&＃43;&＃43;) { addr_len &＃61; sizeof(local_addr); memset(buff, 0, BUFF_SIZE); /*清空接收缓冲区*/ /*接收数据*/ n &＃61; recvfrom(s, buff, BUFF_SIZE, 0,(struct sockaddr*)&local_addr, &addr_len); if( n&＃61;&＃61; -1) { perror("recvfrom()"); } /*打印信息*/ printf("Recv %dst message from server:%s\n", times, buff); sleep(MCAST_INTERVAL); } /*退出广播组*/ err &＃61; setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof (mreq)); close(s); return 0;
}
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