linux组播

hao0089

　　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。
一、多播的概念
　　多播，也称为“组播”，将网络中同一业务类型主机进行了逻辑上的分组，进行数据收发的时候其数据仅仅在同一分组中进行，其他的主机没有加入此分组不能收发对应的数据。
　　在广域网上广播的时候，其中的交换机和路由器只向需要获取数据的主机复制并转发数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择地复制并传输数据，将数据仅仅传输给组内的主机。多播的这种功能，可以一次将数据发送到多个主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通信。
　　相对于传统的一对一的单播，多播具有如下的优点：
　　1、具有同种业务的主机加入同一数据流，共享同一通道，节省了带宽和服务器的优点，具有广播的优点而又没有广播所需要的带宽。
　　2、服务器的总带宽不受客户端带宽的限制。由于组播协议由接收者的需求来确定是否进行数据流的转发，所以服务器端的带宽是常量，与客户端的数量无关。
　　3、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。
　　组播的缺点：
　　4、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。
　　5、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。
　　多播的应用主要有网上视频、网上会议等。
二、广域网的多播
　　多播的地址是特定的，D类地址用于多播。D类IP地址就是多播IP地址，即224.0.0.0至239.255.255.255之间的IP地址，并被划分为局部连接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址3类：
　　1、局部多播地址：在224.0.0.0～224.0.0.255之间，这是为路由协议和其他用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包。
　　2、预留多播地址：在224.0.1.0～238.255.255.255之间，可用于全球范围（如Internet）或网络协议。
　　3、管理权限多播地址：在239.0.0.0～239.255.255.255之间，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。
三、多播的编程
　　多播的程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现，组播的选项是IP层的。

　　1、选项IP_MULTICASE_TTL
　　选项IP_MULTICAST_TTL允许设置超时TTL，范围为0～255之间的任何值，例如：
　　unsigned char ttl=255;
　　setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,&ttl,sizeof(ttl));
　　2、选项IP_MULTICAST_IF
　　选项IP_MULTICAST_IF用于设置组播的默认网络接口，会从给定的网络接口发送，另一个网络接口会忽略此数据。例如：
　　struct in_addr addr;
　　setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_IF,&addr,sizeof(addr));
　　参数addr是希望多播输出接口的IP地址，使用INADDR_ANY地址回送到默认接口。
　　3、默认情况下，当本机发送组播数据到某个网络接口时，在IP层，数据会回送到本地的回环接口，选项IP_MULTICAST_LOOP用于控制数据是否回送到本地的回环接口。例如：
　　unsigned char loop;
　　setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop));
　　参数loop设置为0禁止回送，设置为1允许回送。
　　4、选项IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP
　　加入或者退出一个组播组，通过选项IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBER- SHIP，对一个结构struct ip_mreq类型的变量进行控制，struct ip_mreq原型如下：
　　struct ip_mreq
　　{
　　struct in_addr imn_multiaddr;      /*加入或者退出的广播组IP地址*/
　　struct in_addr imr_interface;      /*加入或者退出的网络接口IP地址*/
　　};
　　选项IP_ADD_MEMBERSHIP用于加入某个广播组，之后就可以向这个广播组发送数据或者从广播组接收数据。此选项的值为mreq结构，成员imn_multiaddr是需要加入的广播组IP地址，成员imr_interface是本机需要加入广播组的网络接口IP地址。
　　例：
　　struct ip_mreq mreq;
　　setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));
　　使用IP_ADD_MEMBERSHIP选项每次只能加入一个网络接口的IP地址到多播组，但并不是一个多播组仅允许一个主机IP地址加入，可以多次调用IP_ADD_MEMBERSHIP选项来实现多个IP地址加入同一个广播组，或者同一个IP地址加入多个广播组。当imr_ interface为INADDR_ANY时，选择的是默认组播接口。
　　5、选项IP_DROP_MEMBERSHIP
　　选项IP_DROP_MEMBERSHIP用于从一个广播组中退出。例如：
　　struct ip_mreq mreq;
　　setsockopt(s,IPPROTP_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(sreq));
　　其中mreq包含了在IP_ADD_MEMBERSHIP中相同的值。
　　6、多播程序设计的框架
　　要进行多播的编程，需要遵从一定的编程框架。
　　多播程序框架主要包含套接字初始化、设置多播超时时间、加入多播组、发送数据、接收数据以及从多播组中离开几个方面。
　　步骤如下：
　　（1）建立一个socket。
　　（2）然后设置多播的参数，例如超时时间TTL、本地回环许可LOOP等。
　　（3）加入多播组。
　　（4）发送和接收数据。
　　（5）从多播组离开。
四、内核中的多播
　　Linux内核中的多播是利用结构struct ip_mc_socklist来将多播的各个方面连接起来的。
　　struct inet_sock {
　　...
　　__u8                mc_ttl;     /*多播TTL*/
　　...
　　__u8                ...
　　mc_loop:1;      /*多播回环设置*/
　　int                 mc_index;       /*多播设备序号*/
　　__be32              mc_addr;        /*多播地址*/
　　struct ip_mc_socklist   *mc_list;   /*多播群数组*/
　　...
　　};
　　结构成员mc_ttl用于控制多播的TTL；
　　结构成员mc_loop表示是否回环有效，用于控制多播数据的本地发送；
　　结构成员mc_index用于表示网络设备的序号；
　　结构成员mc_addr用于保存多播的地址；
　　结构成员mc_list用于保存多播的群组。
　　1、结构ip_mc_socklist
　　结构成员mc_list的原型为struct ip_mc_socklist，定义如下：
　　struct ip_mc_socklist
　　{
　　struct ip_mc_socklist   *next;
　　struct ip_mreqn     multi;
　　unsigned int        sfmode;     /*MCAST_{INCLUDE,EXCLUDE}*/
　　struct ip_sf_socklist   *sflist;
　　};
　　成员参数next指向链表的下一个节点。
　　成员参数multi表示组信息，即在哪一个本地接口上，加入到哪一个多播组。
　　成员参数sfmode是过滤模式，取值为 MCAST_INCLUDE或MCAST_EXCLUDE，分别表示只接收sflist所列出的那些源的多播数据报，和不接收sflist所列出的那些源的多播数据报。
　　成员参数sflist是源列表。
　　2、结构ip_mreqn
　　multi成员的原型为结构struct ip_mreqn，定义如下：
　　struct ip_mreqn
　　{
　　struct in_addr  imr_multiaddr;      /*多播组的IP地址*/
　　struct in_addr  imr_address;        /*本地址网络接口的IP地址*/
　　int         imr_ifindex;            /*网络接口序号*/
　　};
　　该结构体的两个成员分别用于指定所加入的多播组的组IP地址，和所要加入组的那个本地接口的IP地址。该命令字没有源过滤的功能，它相当于实现IGMPv1的多播加入服务接口。
　　3、结构ip_sf_socklist
　　成员sflist的原型为结构struct ip_sf_socklist，定义如下：
　　struct ip_sf_socklist
　　{
　　unsigned int    sl_max;      /*当前sl_addr数组的最大可容纳量*/
　　unsigned int    sl_count;    /*源地址列表中源地址的数量*/
　　__u32         sl_addr[0];     /*源地址列表*/
　　};
　　成员参数sl_addr表示是源地址列表；
　　成员参数sl_count表示是源地址列表中源地址的数量；
　　成员参数sl_max表示是当前sl_addr数组的最大可容纳量（不确定）。
　　4、选项IP_ADD_MEMBERSHIP
　　选项IP_ADD_MEMBERSHIP用于把一个本地的IP地址加入到一个多播组，在内核中其处理过程如图11.8所示，在应用层调用函数setsockopt()函数的选项IP_ADD_MEMBE- RSHIP后，内核的处理过程如下，主要调用了函数ip_mc_join_group()。
　　（1）将用户数据复制如内核。
　　（2）判断广播IP地址是否合法。
　　（3）查找IP地址对应的网络接口。
　　（4）查找多播列表中是否已经存在多播地址。
　　（5）将此多播地址加入列表。
　　（6）返回处理值。
　　5、选项IP_DROP_MEMBERSHIP
　　选项IP_DROP_MEMBERSHIP用于把一个本地的IP地址从一个多播组中取出，在内核中其处理过程如图11.9所示，在应用层调用setsockopt()函数的选项IP_DROP_ MEMBERSHIP后，内核的处理过程如下，主要调用了函数ip_mc_leave_group()。
　　（1）将用户数据复制入内核。
　　（2）查找IP地址对应的网络接口。
　　（3）查找多播列表中是否已经存在多播地址。
　　（4）将此多播地址从源地址中取出。
　　（5）将此地址结构从多播列表中取出。
　　（6）返回处理值。
　　五、一个多播例子的服务器端
　　下面是一个多播服务器的例子。多播服务器的程序设计很简单，建立一个数据包套接字，选定多播的IP地址和端口，直接向此多播地址发送数据就可以了。多播服务器的程序设计，不需要服务器加入多播组，可以直接向某个多播组发送数据。
　　下面的例子持续向多播IP地址"224.0.0.88"的8888端口发送数据"BROADCAST TEST DATA"，每发送一次间隔5s。
　　/*
　　*broadcast_server.c - 多播服务程序
　　*/
　　#define MCAST_PORT 8888;
　　#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"/    /*一个局部连接多播地址，路由器不进行转发*/
　　#define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA"            /*多播发送的数据*
　　#define MCAST_INTERVAL 5                            /*发送间隔时间*/
　　int main(int argc, char*argv)
　　{
　　int s;
　　struct sockaddr_in mcast_addr;
　　s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);         /*建立套接字*/
　　if (s == -1)
　　{
　　perror("socket()");
　　return -1;
　　}
　　memset(&mcast_addr, 0, sizeof(mcast_addr));/*初始化IP多播地址为0*/
　　mcast_addr.sin_family = AF_INET;                /*设置协议族类行为AF*/
　　mcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR);/*设置多播IP地址*/
　　mcast_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT);        /*设置多播端口*/
　　/*向多播地址发送数据*/
　　while(1) {
　　int n = sendto(s,                           /*套接字描述符*/
　　MCAST_DATA,     /*数据*/
　　sizeof(MCAST_DATA),    /*长度*/
　　0,
　　(struct sockaddr*)&mcast_addr,
　　sizeof(mcast_addr)) ;
　　if( n < 0)
　　{
　　perror("sendto()");
　　return -2;
　　}
　　sleep(MCAST_INTERVAL);                          /*等待一段时间*/
　　}
　　return 0；
　　}
　　六、一个多播例子的客户端
　　多播组的IP地址为224.0.0.88，端口为8888，当客户端接收到多播的数据后将打印出来。
　　客户端只有在加入多播组后才能接受多播组的数据，因此多播客户端在接收多播组的数据之前需要先加入多播组，当接收完毕后要退出多播组。
　　/*
　　*broadcast_client.c - 多播的客户端
　　*/
　　#define MCAST_PORT 8888;
　　#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"     /*一个局部连接多播地址，路由器不进行转发*/
　　#define MCAST_INTERVAL 5                        /*发送间隔时间*/
　　#define BUFF_SIZE 256                           /*接收缓冲区大小*/
　　int main(int argc, char*argv[])
　　{
　　int s;                                      /*套接字文件描述符*/
　　struct sockaddr_in local_addr;              /*本地地址*/
　　int err = -1;
　　s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);     /*建立套接字*/
　　if (s == -1)
　　{
　　perror("socket()");
　　return -1;
　　}
　　/*初始化地址*/
　　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(MCAST_PORT);
　　/*绑定socket*/
　　err = bind(s,(struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) ;
　　if(err < 0)
　　{
　　perror("bind()");
　　return -2;
　　}
　　/*设置回环许可*/
　　int loop = 1;
　　err = setsockopt(s,IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP,&loop, sizeof(loop));
　　if(err < 0)
　　{
　　perror("setsockopt():IP_MULTICAST_LOOP");
　　return -3;
　　}
　　struct ip_mreq mreq;                                    /*加入广播组*/
　　mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); /*广播地址*/
　　mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /*网络接口为默认*/
　　/*将本机加入广播组*/
　　err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof
    (mreq));
　　if (err < 0)
　　{
　　perror("setsockopt():IP_ADD_MEMBERSHIP");
　　return -4;
　　}
　　int times = 0;
　　int addr_len = 0;
　　char buff[BUFF_SIZE];
　　int n = 0;
　　/*循环接收广播组的消息，5次后退出*/
　　for(times = 0;times<5;times++)
　　{
　　addr_len = sizeof(local_addr);
　　memset(buff, 0, BUFF_SIZE);                 /*清空接收缓冲区*/
　　/*接收数据*/
　　n = recvfrom(s, buff, BUFF_SIZE, 0,(struct sockaddr*)&local_addr,
        &addr_len);
　　if( n== -1)
　　{
　　perror("recvfrom()");
　　}
　　/*打印信息*/
　　printf("Recv %dst message from server:%s\n", times, buff);
　　sleep(MCAST_INTERVAL);
　　}
　　/*退出广播组*/
　　err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof
    (mreq));
　　close(s);
　　return 0;
　　}