UDP 多播（组播）

前言（了解分类的IP地址）

1.组播（多播）

单播地址标识单个IP接口，广播地址标识某个子网的所有IP接口，多播地址标识一组IP接口。单播和广播是寻址方案的两个极端（要么单个要么全部），多播则意在两者之间提供一种这种方案。多播数据报只应该由它感兴趣的接口接收，也就是说有运行相应多播会话的接口接收。另外，广播一般局限于局域网内使用，而多播则既可以用于局域网，也可以跨广域网使用。

a.组播既可以用于局域网，也可以用于广域网
b.客户端需要加入多播组，才能接收到多播组内发送的数据

1.1 单播

单播是指封包在计算机网络的传输中，目的地址为单一目标的一种传输方式。
每次只有两个实体相互通信，发送端和接收端都是唯一确定的。
它是现今网络应用最为广泛，通常所使用的网络协议或服务大多采用单播传输，例如一切基于是TCP的协议

单播的优点如下:

服务器及时响应客户及的请求
服务器针对每个客户不同的请求发送不同的数据,容易实现个性化服务

1.2 多播

多播是指把信息同时传递给一组目的地址,它使用的策略是最高效的。因为消息在每条网络链路上只需传递一次，而且只有在链路分叉的时候，消息才会被复制。当以单播的形式把消息传递给多个接收方时，必须向每个接收者都发送一份数据副本。由此产生的多余副本将导致发送方效率低下，且缺乏可扩展性。

多播是指把信息同时传递给一组目的地址,它使用的策略是最高效的
因为消息在每条网络链路上只需传递一次，而且只有在链路分叉的时候，消息才会被复制
当以单播的形式把消息传递给多个接收方时，必须向每个接收者都发送一份数据副本。
由此产生的多余副本将导致发送方效率低下，且缺乏可扩展性

1.2.1 多播优点与缺点

>>多播的优点如下：

① 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载
② 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。
③ IP协议允许有2亿6千多万个(268435456)组播，所以其提供的服务可以非常丰富
④ 此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输

>>多播的缺点如下：

① 与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和 QOS加以弥补
② 现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善

2.组播地址

IP 多播通信必须依赖于IP多播地址，在IPv4中它的范围从224.0.0.0到239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址三类

2.1 多播地址

多播地址的范围从224.0.0.0到 239.255.255.255

3.设置组播

设置组播
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
    // ① 服务器设置多播的信息，外出接口
    - level : IPPROTO_IP
    - optname : IP_MULTICAST_IF
    - optval : struct in_addr

    // ② 客户端设置多播的信息，加入多播组
    - level : IPPROTO_IP
    - optname : IP_ADD_MEMBERSHIP
    - optval : struct ip_mreq

struct ip_mreq {
    /* IP multicast address of group */
    struct in_addr imr_multiaddr;
    /* Local IP address of interface */
    struct in_addr imr_interface;
}

4.组播代码

>>实验一

server.c

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

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    // 2.设置多播的属性，设置外出接口
    struct in_addr imr_multiaddr;
    // 初始化多播地址
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &imr_multiaddr.s_addr);
    setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &imr_multiaddr, sizeof(imr_multiaddr));
    
    // 3.初始化客户端的地址信息
    struct sockaddr_in cliaddr;
    cliaddr.sin_family = AF_INET;
    cliaddr.sin_port = htons(9999);
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &cliaddr.sin_addr.s_addr);

    // 3.通信
    int num = 0;
    while(1) {
       
        char sendBuf[128];
        sprintf(sendBuf, "hello, client....%d\n", num++);
        // 发送数据
        sendto(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        printf("组播的数据：%s\n", sendBuf);
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

client.c

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

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    struct in_addr in;
    // 2.客户端绑定本地的IP和端口
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9999);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    int ret = bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    struct ip_mreq op;
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &op.imr_multiaddr.s_addr);
    op.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;

    // 加入到多播组
    setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &op, sizeof(op));

    // 3.通信
    while(1) {
        
        char buf[128];
        // 接收数据
        int num = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        printf("server say : %s\n", buf);

    }

    close(fd);
    return 0;
}

实验二：

server.c

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

/*
    udp 服务器发送数据给多播组
*/

int main(int argc,char *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in grp_cast_addr;
    char wbuffer[1024];
    
    if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)) < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int wbytes;

    // 填充组播地址与端口号（224.0.0.8）
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    memset(&grp_cast_addr,0,sizeof(grp_cast_addr));
    grp_cast_addr.sin_family = AF_INET;
    grp_cast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    grp_cast_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    while (1) {
        memset(wbuffer,0,sizeof(wbuffer));
        fprintf(stdout,"Server > ");
        fflush(stdout);

        fgets(wbuffer,sizeof(wbuffer),stdin);
        wbuffer[strlen(wbuffer) - 1] = '\0';
        // 发送给多播组（所有客户端都可以收到消息）
        wbytes = sendto(sockfd,wbuffer,strlen(wbuffer) + 1,0,
             (const struct sockaddr *)&grp_cast_addr,len);
        if(wbytes < 0) {
            perror("sendto()");
            break;
        }
    }   
    close(sockfd);
    return 0;
}

client.c

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

int main(int argc,char* argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in local_addr; //客户端地址结构对象（自身的IP地址和端口号）
    struct ip_mreq mreq; //多播的地址结构体
    if(argc != 3) {
        fprintf(stderr,"Usage:%s <ip address> <port>\n",argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 1.建立 socket 文件描述符
    sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if(sockfd < 0) {
        perror("socket()");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 2.将当前主机添加到多播组
    memset(&mreq,0,sizeof(mreq));
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);//组播的ip地址
    mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //本地ip地址,INADDR_ANY:本机上任意的IP地址

    // 3.修改当前的socket属性为多播属性
    if(setsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&mreq,sizeof(mreq)) < 0){
        perror("setsockopt()");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4.绑定 ip 地址和端口号（自身）
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    memset(&local_addr,0,sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    local_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&local_addr,len) < 0) {
        perror("bind()");
        exit(EXIT_FAILURE); 
    }

    char rbuffer[1024];
    int rbytes;
    struct sockaddr_in caddr;
    while (1) {
        memset(rbuffer,0,sizeof(rbuffer));
        rbytes = recvfrom(sockfd,rbuffer,sizeof(rbuffer),
                 0,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        if(rbytes < 0) {
            perror("recvfrom()");
            break;
        }
        printf("Receive from ip<%s>\n",inet_ntoa(caddr.sin_addr));
        printf("Receive from port<%d>\n",ntohs(caddr.sin_port));
        printf("Receive data: <%s>\n",rbuffer);
    }
    
    // 退出多播组
    if(setsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq)) < 0) {
        perror("setsockopt()");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

知识拓展：（来自这篇文章的总结）

IP组播基础特性介绍 - NetEngine A821 E, A821, A811 M, A811, A810 V800R021C10SPC600 特性描述 - 华为 (huawei.com)

① 单播IP地址

一个单播IP地址只能标识一台用户主机，一台用户主机只能识别一个单播IP地址
一份使用单播IP地址为目的地址的IP报文，只能被一台用户主机接收

② 广播IP地址

一份使用单播IP地址为目的地址的IP报文，只能被一台用户主机接收
一份使用广播IP地址为目的地址的IP报文，能够被该网段内的所有用户主机接收
IP广播报文不能跨网段传播

③ 组播IP地址

一个组播IP地址能够标识网络不同位置的多个用户主机
一台用户主机可以同时识别多个组播IP地址
一份使用组播IP地址为目的地址的IP报文，能够被网络不同位置的多个用户主机接收

推荐文章和课程：IP组播基础特性介绍 - NetEngine A821 E, A821, A811 M, A811, A810 V800R021C10SPC600 特性描述 - 华为 (huawei.com)https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100270069/c9f73464

网络编程扩展广播与组播_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1Yk4y1b7Wz/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a934d7fc6f47698a29dac90a922ba5a3
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