UDP广播与多播

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一、UDP广播

1、广播的概念

  使用UDP协议进行信息的传输之前不需要建议连接。换句话说就是客户端向服务器发送信息，客户端只需要给出服务器的ip地址和端口号，然后将信息封装到一个待发送的报文中并且发送出去。至于服务器端是否存在，或者能否收到该报文，客户端根本不用管。

  网络上的广播指：由一台主机向该主机所在子网内（同一个局域网）的所有主机发送数据的方式。

2、广播的特点

  实现广播，离不开广播地址，同一个子网（局域网）的所有主机网卡都会接收所在网段广播地址的数据包。广播地址应用于局域网内的所有主机。广播地址(Broadcast Address)是专门用于同时向网络中（通常指同一子网）所有工作站进行发送的一个地址。

  广播UDP与单播UDP的区别就是IP地址不同，广播使用广播地址255.255.255.255，将消息发送到在同一广播网络上的每个主机。值得强调的是：本地广播信息是不会被路由器转发。当然这是十分容易理解的，因为如果路由器转发了广播信息，那么势必会引起网络瘫痪。

  其实广播顾名思义，就是想局域网内所有的人说话，但是广播还是要指明接收者的端口号的，因为不可能接受者的所有端口都来收听广播。

【UDP广播特点如下】：

• 可以向广播域内的所有主机发送数据 ；

• 不能够跨越不同的网络，被路由器所隔离开。
  

3、设置套接字选项

// 默认的情况下，不允许发送广播数据包，需要修改套接口选项
int setsockopt( int sockfd, int level, int optname,
				const void *optval, socklen_t optlen);
/*
sockfd：套接字；
level：SOL_SOCKET；
optname：SO_BROADCAST；
optval：int opt=1，传入&opt；
optlen：sizeof(opt)；
*/

4、UDP广播的实现

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

int main()
{
    unsigned short port = 8080; // 设置端口号，该端口号的进程可以接收到广播数据
    char *server_ip = "255.255.255.255"; // 受限广播地址

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 初始化套接字
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    // 初始化套接字地址相关信息
    struct sockaddr_in dest_addr;
    // 清空数组
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    // 设置为ipv4
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    // 把主机字节序转换为网络字节序（port）
    dest_addr.sin_port = htons(port); 
    // 把主机字节序转换为网络字节序（IP）
    inet_pton(AF_INET, server_ip, &dest_addr.sin_addr);
    
    printf("send data to UDP server %s : %d\n", server_ip, port);
    
    // 设置为广播类型
    int opt = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &opt, sizeof(opt));
    char send_buf[512] = "hello";

    // 发送数据到同一个网段的其他子网
    sendto(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0, 
            (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    
    // 关闭套接字描述符
    close(sockfd);
    
    return 0;
}

二、UDP多播

1、多播的概念

  单播用于两个主机之间的端对端通信，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，要么对一个主机进行通信，要么对整个局域网上的主机进行通信。实际情况下，经常需要对一组特定的主机进行通信，而不是整个局域网上的所有主机，这就是多播的用途。

  IP 多播（也称多址广播或组播）技术，是一种允许一台或多台主机（多播源）发送单一数据包到多台主机（一次的，同时的）的 TCP/IP 网络技术。多播作为一点对多点的通信，数据的收发仅仅在同一分组中进行，是节省网络带宽的有效方法之一。在网络应用中，当需要将一个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方式，都会严重浪费网络带宽，只有多播才是最好的选择。多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。

2、多播的地址

  IP 多播通信必须依赖于 IP 多播地址，在 IPv4 中它是一个 D 类 IP 地址，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：

1）局部链接多播地址范围在 224.0.0.0~224.0.0.255，这是为路由协议和其它用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包；

2）预留多播地址为 224.0.1.0~238.255.255.255，可用于全球范围（如Internet）或网络协议；

3）管理权限多播地址为 239.0.0.0~239.255.255.255，可供组织内部使用，类似于私有 IP 地址，不能用于 Internet，可限制多播范围。

3、多播的特点

【优点】：

• 多播服务端针对特定多播地址只发送一次数据，但是组内的所有客户端都能收到数据；

• 与单播一样，多播是允许在广域网即Internet上进行传输的，而广播仅仅在同一局域网上才能进行；

• 服务器的总带宽不受客户端带宽的限制；

• 加入特定的多播组即可接收发往该多播组的数据。

【缺点】：

• 多播与单播相比没有纠错机制，当发生错误的时候难以弥补，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，需要路由器及网络协议栈的支持。

4、设置套接字选项

// 默认的情况下，不允许发送广播数据包，需要修改套接口选项
int setsockopt( int sockfd, int level, int optname,
				const void *optval, socklen_t optlen);
/*
sockfd：套接字；
level：IPPROTO_IP；
optname：IP_MULTICAST_LOOP；IP_ADD_MEMBERSHIP；IP_DROP_MEMBERSHIP
optval：int opt=1，传入&opt；
optlen：sizeof(opt)；
*/

5、UDP多播的实现

【服务器】：

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

int main()
{
    int sockfd;
    // 本地地址
    struct sockaddr_in local_addr;
    int err = -1;
    // 多播组IP
    char group[16] = "224.0.0.88";
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    // IP相关信息初始化
    bzero(&local_addr, sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    local_addr.sin_port = htons(8000);
    // IP地址绑定套接字
    err = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr));
    if (err < 0)
    {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
    // 设置回环许可，控制数据允许会送到本地的回环接口
    int loop = 1;
    err = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP, 
                    &LOOP, sizeof(loop));
    if (err < 0)
    {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    }
    // 初始化多播地址结构体
    struct ip_mreq mreq;
    // 设置多播组IP，类似于创建QQ群
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(group);
    // 将本机加入多播组，类似于加群
    mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    // 设置套接字选项，加入多播组
    err = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));
    if (err < 0)
    {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    }
    
    char buf[512];

    for (int times = 0; times < 5; ++times)
    {
        socklen_t addr_len = sizeof(local_addr);
        bzero(&buf, sizeof(buf));
        // 接收数据
        int n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, 
                        (struct sockaddr*)&local_addr, &addr_len);
        if (n == -1)
            perror("recvfrom");
        printf("Recv %d message from server : %s\n", times, buf);
        sleep(1);
    }
    // 设置套接字选项，离开多播组
    err = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));
    close(sockfd);
    return 0;
}

【客户端】：

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd; // 套接字文件描述符
    struct sockaddr_in dest_addr; // 目标ip
    char buf[] = "BROADCAST TEST DATA";

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 建立套接字
    if (sockfd == -1)
    {
        perror("socket()");
        return -1;
    }

    // 初始化目标 ip 信息
    memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;               
    dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.0.0.88"); // 目的地址，为多播地址
    dest_addr.sin_port = htons(8000);   // 多播服务器的端口也是 8000

    // 向多播地址发送数据
    while(1)
    {
        int n = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0,(struct sockaddr*)&dest_addr, 
                        sizeof(dest_addr));
        if( n < 0)
        {
            perror("sendto()");
            return -1;
        }      

        sleep(1);
    }

    return 0;
}

参考：https://blog.csdn.net/lianghe_work/article/details/45765851
https://blog.csdn.net/lianghe_work/article/details/45171167
https://blog.csdn.net/wqc_CSDN/article/details/51588769
https://www.cnblogs.com/lidabo/p/5865045.html