【网络编程】广播和组播

news2025/4/3 22:46:32

数据包发送方式只有一个接受方，称为单播。如果同时发给局域网中的所有主机，称为广播。只有用户数据报(使用UDP协议)套接字才能广播：

广播地址
	以192.168.1.0 (255.255.255.0) 网段为例，最大的主机地址192.168.1.255代表该网段的广播地址，
	发到该地址的数据包被所有的主机接收。
	255.255.255.255在所有网段中都代表广播地址。

广播发送
	创建用户数据报套接字
	缺省创建的套接字不允许广播数据包，需要设置属性。（setsockopt可以设置套接字属性）
	接收方地址指定为广播地址
	指定端口信息
	发送数据包
	
setsockopt
	int  setsockopt(int  s,  int level,  int  optname, const void *optval, socklen_t  optlen);
	头文件：<sys/socket.h>
	level : 选项级别（例如SOL_SOCKET）
	optname : 选项名（例如SO_BROADCAST）
	optval : 存放选项值的缓冲区的地址
	optlen : 缓冲区长度
	返回值：成功返回0   失败返回-1并设置errno

广播发送示例
	sockfd = socket(,,);
	……
	int on = 1;
	setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on));
	……
	sendto(;;;;;);

广播接收
	创建用户数据报套接字
	绑定IP地址(广播IP或0.0.0.0)和端口（绑定的端口必须和发送方指定的端口相同）
	等待接收数据

UDP 广播服务器与客户端（C 语言实现）

  • 广播（Broadcast）：将数据发送到 整个局域网，所有主机都能接收。
  • UDP 支持广播，但 TCP 不支持 广播。
  • 广播地址示例：
    • 192.168.1.255（局域网广播，子网掩码 255.255.255.0）。
    • 255.255.255.255（全网广播）。
      在这里插入图片描述
关键 API
函数功能
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on));允许 UDP 广播
sendto(sockfd, message, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, addr_len);发送广播消息
recvfrom(sockfd, buffer, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, &addr_len);接收广播消息
UDP 广播服务器完整实现代码

服务端：

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

#define BROADCAST_PORT 8080  // 广播端口
#define BROADCAST_ADDR "255.255.255.255" // 广播地址
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in broadcast_addr;
    char message[BUFFER_SIZE] = "这是来自服务器的广播消息！";
    int broadcast_permit = 1;

    // 1️⃣ 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("❌ 创建套接字失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2️⃣ 允许发送广播
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_permit, sizeof(broadcast_permit));

    // 3️⃣ 设置广播地址
    memset(&broadcast_addr, 0, sizeof(broadcast_addr));
    broadcast_addr.sin_family = AF_INET;
    broadcast_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);
    broadcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(BROADCAST_ADDR);

    printf("服务器开始广播消息...\n");

    while (1) {
        // 4️⃣ 发送广播消息
        sendto(sockfd, message, strlen(message), 0,
               (struct sockaddr*)&broadcast_addr, sizeof(broadcast_addr));
        printf("发送广播消息: %s\n", message);
        sleep(3); // 每 3 秒广播一次
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端：

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

#define BROADCAST_PORT 8080  // 监听广播端口
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in listen_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    socklen_t addr_len = sizeof(listen_addr);

    // 1️⃣ 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("❌ 创建套接字失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2️⃣ 允许端口重用（多个客户端可绑定相同端口）
    int reuse = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    // 3️⃣ 绑定监听端口
    memset(&listen_addr, 0, sizeof(listen_addr));
    listen_addr.sin_family = AF_INET;
    listen_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);
    listen_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&listen_addr, sizeof(listen_addr)) < 0) {
        perror("❌ 绑定失败");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("客户端正在监听广播消息...\n");

    while (1) {
        // 4️⃣ 接收广播消息
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
                 (struct sockaddr*)&listen_addr, &addr_len);
        printf("📩 收到广播消息: %s\n", buffer);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

运行步骤：

  1. 编译
gcc udp_broadcast_server.c -o udp_broadcast_server
gcc udp_broadcast_client.c -o udp_broadcast_client
  1. 运行服务器（广播消息）
./udp_broadcast_server

输出示例：

⚡ 服务器开始广播消息...
📡 发送广播消息: 这是来自服务器的广播消息！
📡 发送广播消息: 这是来自服务器的广播消息！
  1. 运行客户端（监听广播）
./udp_broadcast_client

输出示例：

客户端正在监听广播消息...
📩 收到广播消息: 这是来自服务器的广播消息！
📩 收到广播消息: 这是来自服务器的广播消息！
广播流程思路解析（逐帧解释）流程上面的注释已经写了，但是这里是配合完整的代码实现和业务流程再过一遍

🔹 服务器

  1. 创建 UDP 套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  1. 允许广播
int broadcast_permit = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_permit, sizeof(broadcast_permit));
  1. 设置广播地址
broadcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("255.255.255.255");
  1. 发送广播消息
sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&broadcast_addr, sizeof(broadcast_addr));

🔹 客户端

  1. 创建 UDP 套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  1. 允许端口重用
int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));
  1. 绑定监听端口
listen_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&listen_addr, sizeof(listen_addr));
  1. 接收广播消息
recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&listen_addr, &addr_len);
广播代码优化：
  1. 使用 SO_REUSEADDR
    • 允许多个客户端监听相同端口，防止端口占用问题：
int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));
  1. 限制广播频率：
sleep(3); // 控制广播间隔，避免网络拥塞。
  1. 支持多播：监听 指定的多播组，而不是整个局域网：
struct ip_mreq mreq;
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.0.0.1");
mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

UDP 广播通信，适用于 局域网设备发现、日志广播、状态同步等应用。相比 TCP，UDP 广播更加轻量级，可用于 IoT、在线游戏等场景。

在编译过程中可能遇到的问题

🚨 1. Permission denied（权限错误）
如果 sendto() 失败，检查 SO_BROADCAST 是否设置：

int broadcast_permit = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_permit, sizeof(broadcast_permit));

若仍然失败，可以尝试 sudo 运行：

sudo ./udp_broadcast_server

🚨 2. Address already in use（端口占用）
如果 bind() 失败，尝试释放端口：

sudo fuser -k 8080/udp

然后重新运行程序。

🚨 3. recvfrom() 接收不到消息

  • 确保服务器和客户端在 同一局域网。
  • 使用 ifconfig / ip a 检查本机 IP 地址并使用正确的广播地址：
ifconfig | grep "inet "
  • 确保防火墙没有阻止 UDP 广播：
sudo iptables -I INPUT -p udp --dport 8080 -j ACCEPT
sudo iptables -I OUTPUT -p udp --dport 8080 -j ACCEPT

组播（Multicast）编程指南（C 语言）

单播（Unicast）：数据仅发送给一个特定的主机。
广播（Broadcast）：广播方式发给所有的主机。过多的广播会大量占用网络带宽，造成广播风暴，影响正常的通信。
组播（Multicast）：组播(又称为多播)是一种折中的方式。只有加入某个多播组的主机才能收到数据。多播方式既可以发给多个主机，又能避免象广播那样带来过多的负载(每台主机要到传输层才能判断广播包是否要处理)

  • 仅发送给加入 特定组播组 的主机。
  • 减少网络负载，避免广播风暴。
  • 适用于 IPTV、视频流、在线游戏、股票行情推送等场景。
    组播
📌 组播地址

组播范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
特殊组播地址：

  • 224.0.0.1：所有支持 IP 组播的主机。
  • 224.0.0.2：所有路由器。
关键 API
函数/结构体作用
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));加入组播组
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));退出组播组
sendto(sockfd, message, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, addr_len);发送组播
recvfrom(sockfd, buffer, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, &addr_len);接收组播
struct ip_mreq组播配置结构体
组播发送端（C 语言实现）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.1"  // 组播地址
#define MULTICAST_PORT 8080          // 组播端口
#define MESSAGE "🌍 这是组播消息！"

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in multicast_addr;
    int ttl = 64;  // 组播生存时间（TTL）

    // 1️⃣ 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("❌ 创建套接字失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2️⃣ 设置组播 TTL
    setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, sizeof(ttl));

    // 3️⃣ 设置组播地址
    memset(&multicast_addr, 0, sizeof(multicast_addr));
    multicast_addr.sin_family = AF_INET;
    multicast_addr.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);
    multicast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_GROUP);

    printf("发送组播消息到 %s:%d\n", MULTICAST_GROUP, MULTICAST_PORT);

    while (1) {
        // 4️⃣ 发送组播消息
        sendto(sockfd, MESSAGE, strlen(MESSAGE), 0,
               (struct sockaddr*)&multicast_addr, sizeof(multicast_addr));
        printf("✅ 发送消息: %s\n", MESSAGE);
        sleep(3);  // 每 3 秒发送一次
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}
组播接收端（C 语言实现）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.1"  // 组播地址
#define MULTICAST_PORT 8080          // 组播端口
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in local_addr;
    struct ip_mreq mreq;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    socklen_t addr_len = sizeof(local_addr);

    // 1️⃣ 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("❌ 创建套接字失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2️⃣ 允许端口复用（多个进程/设备可接收同一组播）
    int reuse = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    // 3️⃣ 绑定本地地址
    memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);
    local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {
        perror("❌ 绑定失败");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4️⃣ 加入组播组
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_GROUP);
    mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

    printf("监听组播消息 (%s:%d)...\n", MULTICAST_GROUP, MULTICAST_PORT);

    while (1) {
        // 5️⃣ 接收组播消息
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
                 (struct sockaddr*)&local_addr, &addr_len);
        printf("📩 收到消息: %s\n", buffer);
    }

    // 6️⃣ 退出组播
    setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

    close(sockfd);
    return 0;
}

运行步骤：

  1. 编译
gcc multicast_sender.c -o multicast_sender
gcc multicast_receiver.c -o multicast_receiver
  1. 运行组播接收端
./multicast_receiver

示例输出：

监听组播消息 (239.0.0.1:8080)...
收到消息: 🌍 这是组播消息！
收到消息: 🌍 这是组播消息！
  1. 运行组播发送端
./multicast_sender

示例输出：

发送组播消息到 239.0.0.1:8080
✅ 发送消息: 🌍 这是组播消息！
✅ 发送消息: 🌍 这是组播消息！

编译中可能遇到的问题：
🚨 1. recvfrom() 接收不到数据
✅ 解决方案

  • 确保接收端 加入了相同的组播地址（239.0.0.1）。
  • 使用 netstat -g 命令检查当前加入的组播组：
netstat -g
  • 确保 Linux 防火墙未阻止 UDP 组播：
sudo iptables -I INPUT -p udp --dport 8080 -j ACCEPT
sudo iptables -I OUTPUT -p udp --dport 8080 -j ACCEPT

组播是一种高效的网络通信方式，可用于 IPTV、在线游戏、股票行情推送等应用场景。以上 C 代码实现了 UDP 组播的发送和接收，支持多个设备同时接收组播消息。 相比广播，组播能够减少网络负载，提高数据传输效率。

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我是一个十分热爱技术的程序员，希望这篇文章能够对您有帮助，也希望认识更多热爱程序开发的小伙伴。
感谢！

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