第 14 章 多播与广播

14.1 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。

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），「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 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。像这样，多播需要借助路由器完成。如图所示：

        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。

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(join_adr);
...

        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
};

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。

下面是示例代码：

news_sender：

#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);
}

news_receiver：

#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 6参数分别传入 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);
}

运行结果：

         通过结果可以看出，使用 sender 多播信息，通过 receiver 接收广播，如果延迟运行 receiver 将无法接受之前发送的信息。

14.2 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。

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));
...

实现广播数据的 Sender 和 Receiver：

        下面是广播数据的 Sender 代码：

#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);
}

ps： 

• sendto() 函数用于在无连接的数据报套接字（如UDP套接字）中发送数据，它不会进行连接的建立和断开操作，因此每次发送数据时都需要指定目标地址。这使得UDP套接字适用于一对多或多对多的通信场景，例如广播和组播。 
• while (!feof(fp)) 循环读取文件，直到文件结束。feof() 函数用于检查是否已到达文件末尾。

下面是Receiver代码：

#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;                      // 接收数据的套接字
    int str_len;                        // 接收到的数据长度
    char buf[BUF_SIZE];                 // 存放接收到的数据的缓冲区
    struct sockaddr_in adr;             // 地址结构体，用于存储服务器绑定的地址信息
    
    // 检查命令行参数，确保指定了端口号
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <PORT>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    // 创建一个UDP套接字
    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
    // 初始化地址结构体，绑定服务器的IP地址和端口号
    memset(&adr, 0, sizeof(adr));
    adr.sin_family = AF_INET;                   // 使用IPv4地址族
    adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     // INADDR_ANY表示接受任意IP地址发送的数据
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));        // 从命令行参数获取端口号，并转换为网络字节序
    
    // 绑定套接字和地址信息
    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    while (1)
    {
        // 通过recvfrom函数接收数据。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、6参数传入NULL和0
        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
        if (str_len < 0)
            break;
        
        buf[str_len] = 0;  // 添加字符串结束符，确保打印输出时不会超出接收到的数据
        fputs(buf, stdout); // 将接收到的数据打印到标准输出
    }
    
    // 关闭套接字
    close(recv_sock);
    return 0;
}

// 错误处理函数，用于输出错误信息并退出程序
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

运行结果：

---

习题 ：

1、TTL 的含义是什么？请从路由器的角度说明较大的 TTL 值与较小的 TTL 值之间的区别及问题。

        TTL 是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL设置过大会影响网络流量。当然，设置过小无法传递到目标。

2、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，广播只能向同一网络中的主机传输数据。

3、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。