Linux网络编程系列之UDP组播

一、什么是UDP组播

UDP组播是指使用用户数据报协议（UDP）实现的组播方式。组播是一种数据传输方式，允许单一数据包同时传输到多个接收者。在UDP组播中，一个数据包可以被多个接收者同时接收，这样可以降低网络传输的负载和提高数据传输效率。

二、特性

1、支持单向的多对多通信：UDP组播可以同时将一个数据包传输给多个接收者，使多个接收者能够同时获取到相同的数据。

2、不可靠性：跟普通的UDP一样，UDP组播只提供不可靠的数据传输服务。如果某个接收者没有接收到数据包，发送者不会得到任何提示或反馈信息。

3、可扩展性：UDP组播支持动态加入和退出组播组，能够自适应地处理组播成员的加入和离开（聊天群里的进群和退群操作）。

4、低延迟：UDP组播传输的数据包不需要在接收方重新组装，可以直接进行处理，因此具有很低的传输延迟。

5、高效：UDP组播传输的数据包只需要经过一次发送操作，就可以同时传输到多个接收者，可以有效地降低网络传输的负载。

6、简单易用：UDP组播不需要复杂的配置和管理，使用简单，能够快速搭建起基于组播的多媒体通信系统。

三、使用场景

1、多媒体流媒体：UDP组播可以在局域网或广域网上传输音视频流，能够快速地向多个接收者发送相同的视频和音频数据，避免了建立多个点对点的连接。

2、 分布式应用的数据分发：UDP组播可以实现高效的数据分发，例如在大型集群环境下，可以将某些服务的状态信息广播给所有节点，使得所有节点都能够及时了解到最新的信息。

3、网络游戏：UDP组播可以用于多人联机游戏，使得多个玩家能够同时收到相同的游戏状态和动作，提高游戏体验。

4、网络广播：UDP组播可以用于向多个设备广播事件和消息，例如路由器可以向所有连接的设备发送网络配置信息、DHCP服务器可以向所有设备广播IP地址信息等。

5、实时数据更新：UDP组播可以用于实时的数据更新，例如在金融行业，可以订阅某些财经数据的实时更新，以便及时响应市场变化。

可以把UDP组播简单理解为群聊。

四、UDP组播通信流程

1、发送方

（1）、建立套接字。使用socket()

（2）、设置端口复用。使用setsockopt()（可选，推荐）

（3）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()（可以省略）

（4）、发送数据，接收方IP地址要填写为组播地址。使用sendto()

（5）、关闭套接字。使用close()

2、接收方

（1）、建立套接字。使用socket()

（2）、定义并初始化一个组播结构体。使用struct ip_mreq;

（3）、给套接字加入组播属性。使用setsockopt()

（4）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()，不可以省略

（5）、接收数据。使用recvfrom()

（6）、关闭套接字。使用close()

五、相关函数API

1、建立套接字

// 建立套接字 
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 接口说明
        返回值：成功返回一个套接字文件描述符，失败返回-1

        参数domain：用来指定使用何种地址类型，有很多，具体看别的资源
            （1）PF_INET 或者 AF_INET 使用IPV4网络协议
            （2）其他很多的，看别的资源

        参数type：通信状态类型选择，有很多，具体看别的资源
            （1）SOCK_STREAM    提供双向连续且可信赖的数据流，即TCP
            （2）SOCK_DGRAM     使用不连续不可信赖的数据包连接，即UDP
    
        参数protocol：用来指定socket所使用的传输协议编号，通常不用管，一般设为0

2、设置端口状态

// 设置端口的状态
int setsockopt(int sockfd, 
               int level, 
               int optname,
               const void *optval, 
               socklen_t optlen);


// 接口说明
        返回值：成功返回0，失败返回-1
        参数sockfd：待设置的套接字

        参数level： 待设置的网络层，一般设成为SOL_SOCKET以存取socket层

        参数optname：待设置的选项，有很多种，具体看别的资源，这里讲常用的
            （1）、SO_REUSEADDR    允许在bind()过程中本地地址可复用，即端口复用
            （2）、SO_BROADCAST    使用广播的方式发送，通常用于UDP广播
            （3）、SO_SNDBUF       设置发送的暂存区大小
            （4）、SO_RCVBUF       设置接收的暂存区大小
            （5）、IP_ADD_MEMBERSHIP 设置为组播

        参数optval：待设置的值

        参数optlen：参数optval的大小，即sizeof(optval)

// 组播结构体
struct ip_mreq
{
    struct in_addr imr_multiaddr;    // 多播组的IP地址，就是组播的IP地址
    struct in_addr imr_interface;    // 需要加入到组的IP地址，就是自己的IP地址
};

3、绑定IP地址和端口号

// 绑定自己的IP地址和端口号
 int bind(int sockfd, 
          const struct sockaddr *addr,
          socklen_t addrlen);

// 接口说明
        返回值：
        参数sockfd：待绑定的套接字

        参数addrlen：参数addr的大小，即sizeof(addr)

        参数addr：IP地址和端口的结构体，通用的结构体，根据sockfd的类型有不同的定义
        当sockfd的domain参数指定为IPV4时，结构体定义为
            struct sockaddr_in
            {
                unsigned short int sin_family;    // 需与sockfd的domain参数一致
                uint16_t sin_port;            // 端口号
                struct in_addr sin_addr;      // IP地址 
                unsigned char sin_zero[8];    // 保留的，未使用
            };
            struct in_addr
            {
                uin32_t s_addr;
            }
// 注意：网络通信时，采用大端字节序，所以端口号和IP地址需要调用专门的函数转换成网络字节序

4、字节序转换接口

// 第一组接口
// 主机转网络IP地址，输入主机IP地址
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

// 主机转网络端口，输入主机端口号
uint16_t htons(uint16_t hostshort);    // 常用

// 网络转主机IP，输入网络IP地址
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

// 网络转主机端口，输入网络端口
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);


// 第二组接口，只能用于IPV4转换，IP地址
// 主机转网络
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

// 主机转网络
in_addr_t inet_addr(const char *cp);    // 常用

// 网络转主机
int_addr_t inet_network(const char *cp);

// 网络转主机
char *inet_ntoa(struct in_addr in);    // 常用

// 将本地IP地址转为网络IP地址
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
// 参数说明：
        参数af：选择是哪一种协议族，IPV4还是IPV6
        参数src：本地IP地址
        参数dst：将本地IP地址转为网络IP地址存储到这里

5、发送数据

// UDP协议发送数据
ssize_t sendto(int sockfd, 
               const void *buf, 
               size_t len, 
               int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, 
               socklen_t addrlen);

// 接口说明
        返回值：成功返回成功发送的字节数，失败返回-1
        参数sockfd：发送者的套接字
        参数buf：发送的数据缓冲区
        参数len：发送的长度
        参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源
        参数dest_addr：接收者的网络地址
        参数addrlen：接收者的网络地址大小，即sizeof(dest_addr)

6、接收数据

// UDP协议接收数据
ssize_t recvfrom(int sockfd, 
                 void *buf, 
                 size_t len, 
                 int flags, 
                 struct sockaddr *src_addr, 
                 socklen_t *addrlen);

// 接口说明：
        返回值：成功返回成功接收的字节数，失败返回-1
        参数sockfd：接收者的套接字
        参数buf：接收数据缓的冲区
        参数len：接收的最大长度
        参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源
        参数src_addr：发送者的网络地址，可以设置为NULL
        参数addrlen：  发送者的网络地址大小，即sizeof(src_addr)

7、关闭套接字

// 关闭套接字
int close(int fd);

// 接口说明
        返回值：成功返回0，失败返回-1
        参数fd：套接字文件描述符

六、案例

实现UDP组播的演示

发送端GroupSend.c

// UDP组播发送方的案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SEND_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SEND_PORT 10000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd == -1)
    {
        perror("socket fail");
        return -1;
    }
    
    // 2、设置端口复用（推荐）
    int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值
    int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
    if(ret == -1)
    {
        perror("setsockopt fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 3、绑定自己的IP地址和端口号（可以省略）
    struct sockaddr_in send_addr = {0};
    socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);
    send_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议
    send_addr.sin_port = htons(SEND_PORT);  // 端口号
    send_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SEND_IP); // IP地址

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&send_addr, addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、发送数据，往组播地址
    uint16_t port = 0;  // 端口号
    char ip[20] = {0};  // IP地址
    struct sockaddr_in recv_addr = {0};

    char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区
  
    // 注意输入组播地址，范围是D类网络地址，224.0.0.1~239.255.255.254
    printf("please input receiver IP and port\n");
    scanf("%s %hd", ip, &port);
    printf("IP = %s, port = %hd\n", ip, port);
    recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定用IPV4地址
    recv_addr.sin_port = htons(port); // 接收者的端口号
    recv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);    // 接收者的IP地址
    
    while(getchar() != '\n');   // 清空多余的换行符
    while(1)
    {
        printf("please input data:\n");
        fgets(msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), stdin);

        // 发送数据，注意要填写接收者的地址
        ret = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, 
            (struct sockaddr*)&recv_addr, addr_len);
        if(ret > 0)
        {
            printf("success: send %d bytes\n", ret);
        }
    }
    
    // 5、关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

接收端GroupRecv.c

// UDP组播接收方的案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

#define RECV_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己的地址

#define GROUP_IP   "224.0.0.10"       // 组播地址
#define GROUP_PORT 20000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用


int main(int argc, char *argv[])
{
    // 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd == -1)
    {
        perror("socket fail");
        return -1;
    }
    
    // 2、定义并初始化一个组播结构体，设置组播IP
    struct ip_mreq vmreq;
    inet_pton(AF_INET, GROUP_IP, &vmreq.imr_multiaddr); // 初始化组播地址
    inet_pton(AF_INET, RECV_IP, &vmreq.imr_interface);  // 把自己的地址加入到组中

    // 3、给套接字加入组播属性
    int ret = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &vmreq, sizeof(vmreq));
    if(ret == -1)
    {
        perror("setsockopt fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、绑定自己的IP地址和端口号（不可以省略）
    struct sockaddr_in recv_addr = {0};
    socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);
    recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议
    recv_addr.sin_port = htons(GROUP_PORT);  // 端口号，注意绑定为组播的端口号
    // recv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(RECV_IP); // IP地址. 写下面的更好
    recv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本机内所有的IP地址

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&recv_addr, addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、接收数据
    uint16_t port = 0;  // 端口号
    char ip[20] = {0};  // IP地址
    struct sockaddr_in send_addr = {0};
    char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区
  
    while(1)
    {
        // 接收数据，注意使用发送者的地址来接收
        ret = recvfrom(sockfd, msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), 0, 
            (struct sockaddr*)&send_addr, &addr_len);
        if(ret > 0)
        {
            memset(ip, 0, sizeof(ip));  // 先清空IP
            strcpy(ip, inet_ntoa(send_addr.sin_addr));    // 网络IP转主机IP
            port = ntohs(send_addr.sin_port); // 网络端口号转主机端口号

            printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, msg);
            memset(msg, 0, sizeof(msg));    // 清空数据区
        }
    }
    
    // 5、关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

通信演示

注：第一幅图只有一台主机，不好演示；第二幅图有两台主机，一台本机，另外一台用ssh连接，实现了组播。

七、总结

组播是一种数据传输方式，允许单一数据包同时传输到多个接收者。在UDP组播中，一个数据包可以被多个接收者同时接收，这样可以降低网络传输的负载和提高数据传输效率。组播主要应用以群聊的场景。UDP组播的通信流程，跟UDP的广播的通信流程大致相同，但是要注意组播接收方要定义一个组播结构体，然后把自己的IP地址加入到组播中。可以结合案例加深对组播的理解。