多播--概念和程式設計

阿新 • • 發佈：2018-11-19

11.3 多播

單播用於兩個主機之間的端對端通訊，廣播用於一個主機對整個區域網上所有主機上的資料通訊。單播和廣播是兩個極端，要麼對一個主機進行通訊，要麼對整個區域網上的主機進行通訊。實際情況下，經常需要對一組特定的主機進行通訊，而不是整個區域網上的所有主機，這就是多播的用途。

11.3.1 多播的概念

多播，也稱為"組播"，將網路中同一業務型別主機進行了邏輯上的分組，進行資料收發的時候其資料僅僅在同一分組中進行，其他的主機沒有加入此分組不能收發對應的資料。

在廣域網上廣播的時候，其中的交換機和路由器只向需要獲取資料的主機複製並轉發資料。主機可以向路由器請求加入或退出某個組，網路中的路由器和交換機有選擇地複製並傳輸資料，將資料僅僅傳輸給組內的主機。多播的這種功能，可以一次將資料傳送到多個主機，又能保證不影響其他不需要（未加入組）的主機的其他通訊。

相對於傳統的一對一的單播，多播具有如下的優點：

具有同種業務的主機加入同一資料流，共享同一通道，節省了頻寬和伺服器的優點，具有廣播的優點而又沒有廣播所需要的頻寬。

伺服器的總頻寬不受客戶端頻寬的限制。由於組播協議由接收者的需求來確定是否進行資料流的轉發，所以伺服器端的頻寬是常量，與客戶端的數量無關。

與單播一樣，多播是允許在廣域網即Internet上進行傳輸的，而廣播僅僅在同一區域網上才能進行。

組播的缺點：

多播與單播相比沒有糾錯機制，當發生錯誤的時候難以彌補，但是可以在應用層來實現此種功能。

多播的網路支援存在缺陷，需要路由器及網路協議棧的支援。

多播的應用主要有網上視訊、網上會議等。

11.3.2 廣域網的多播

多播的地址是特定的，D類地址用於多播。D類IP地址就是多播IP地址，即224.0.0.0至239.255.255.255之間的IP地址，並被劃分為區域性連線多播地址、預留多播地址和管理許可權多播地址3類：

區域性多播地址：在224.0.0.0～224.0.0.255之間，這是為路由協議和其他用途保留的地址，路由器並不轉發屬於此範圍的IP包。

預留多播地址：在224.0.1.0～238.255.255.255之間，可用於全球範圍（如Internet）或網路協議。

管理許可權多播地址：在239.0.0.0～239.255.255.255之間，可供組織內部使用，類似於私有IP地址，不能用於Internet，可限制多播範圍。

11.3.3 多播的程式設計

多播的程式設計使用setsockopt()函式和getsockopt()函式來實現，組播的選項是IP層的，其選項值和含義參見11.5所示。

表11.5 多播相關的選項

getsockopt()/setsockopt()的選項	含義
IP_MULTICAST_TTL	設定多播組資料的TTL值
IP_ADD_MEMBERSHIP	在指定介面上加入組播組
IP_DROP_MEMBERSHIP	退出組播組
IP_MULTICAST_IF	獲取預設介面或設定介面
IP_MULTICAST_LOOP	禁止組播資料回送

1．選項IP_MULTICASE_TTL

選項IP_MULTICAST_TTL允許設定超時TTL，範圍為0～255之間的任何值，例如：

unsigned char ttl=255; 
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,&ttl,sizeof(ttl));

2．選項IP_MULTICAST_IF

選項IP_MULTICAST_IF用於設定組播的預設網路介面，會從給定的網路介面傳送，另一個網路介面會忽略此資料。例如：

struct in_addr addr; 
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_IF,&addr,sizeof(addr))

引數addr是希望多播輸出介面的IP地址，使用INADDR_ANY地址回送到預設介面。

預設情況下，當本機發送組播資料到某個網路介面時，在IP層，資料會回送到本地的迴環介面，選項IP_MULTICAST_LOOP用於控制資料是否回送到本地的迴環介面。例如：


unsigned char loop; 
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop))

引數loop設定為0禁止回送，設定為1允許回送。

3．選項IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP

加入或者退出一個組播組，通過選項IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBER- SHIP，對一個結構struct ip_mreq型別的變數進行控制，struct ip_mreq原型如下：

struct ip_mreq 
{ 
      struct in_addr imn_multiaddr; /*加入或者退出的廣播組IP地址*/ 
      struct in_addr imr_interface; /*加入或者退出的網路介面IP地址*/ 
}

選項IP_ADD_MEMBERSHIP用於加入某個廣播組，之後就可以向這個廣播組傳送資料或者從廣播組接收資料。此選項的值為mreq結構，成員imn_multiaddr是需要加入的廣播組IP地址，成員imr_interface是本機需要加入廣播組的網路介面IP地址。例如：

struct ip_mreq mreq; 
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq))

使用IP_ADD_MEMBERSHIP選項每次只能加入一個網路介面的IP地址到多播組，但並不是一個多播組僅允許一個主機IP地址加入，可以多次呼叫IP_ADD_MEMBERSHIP選項來實現多個IP地址加入同一個廣播組，或者同一個IP地址加入多個廣播組。當imr_ interface為INADDR_ANY時，選擇的是預設組播介面。

4．選項IP_DROP_MEMBERSHIP

選項IP_DROP_MEMBERSHIP用於從一個廣播組中退出。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。

5．多播程式設計的框架

要進行多播的程式設計，需要遵從一定的程式設計框架，其基本順序如圖11.6所示。

（點選檢視大圖）圖11.6 多播的程式設計流程

多播程式框架主要包含套接字初始化、設定多播超時時間、加入多播組、傳送資料、接收資料以及從多播組中離開幾個方面。其步驟如下：

（1）建立一個socket。

（2）然後設定多播的引數，例如超時時間TTL、本地迴環許可LOOP等。

（3）加入多播組。

（4）傳送和接收資料。

（5）從多播組離開。

11.3.4 核心中的多播

Linux核心中的多播是利用結構struct ip_mc_socklist來將多播的各個方面連線起來的，其示意圖如圖11.7所示。

圖11.7 多播的核心結構

struct inet_sock {
...
__u8 mc_ttl; /*多播TTL*/
...
__u8 ...
mc_loop:1; /*多播迴環設定*/
int mc_index; /*多播裝置序號*/
__be32 mc_addr; /*多播地址*/
struct ip_mc_socklist *mc_list; /*多播群陣列*/
...
}

結構成員mc_ttl用於控制多播的TTL；

結構成員mc_loop表示是否迴環有效，用於控制多播資料的本地傳送；

結構成員mc_index用於表示網路裝置的序號；

結構成員mc_addr用於儲存多播的地址；

結構成員mc_list用於儲存多播的群組。

1．結構ip_mc_socklist

結構成員mc_list的原型為struct ip_mc_socklist，定義如下：

struct ip_mc_socklist
{
struct ip_mc_socklist *next;
struct ip_mreqn multi;
unsigned int sfmode; /*MCAST_{INCLUDE,EXCLUDE}*/
struct ip_sf_socklist *sflist;
}

成員引數next指向連結串列的下一個節點。

成員引數multi表示組資訊，即在哪一個本地介面上，加入到哪一個多播組。

成員引數sfmode是過濾模式，取值為 MCAST_INCLUDE或MCAST_EXCLUDE，分別表示只接收sflist所列出的那些源的多播資料報，和不接收sflist所列出的那些源的多播資料報。

成員引數sflist是源列表。

2．結構ip_mreqn

multi成員的原型為結構struct ip_mreqn，定義如下：

struct ip_mreqn
{
struct in_addr imr_multiaddr; /*多播組的IP地址*/
struct in_addr imr_address; /*本地址網路介面的IP地址*/
int imr_ifindex; /*網路介面序號*/
}

該結構體的兩個成員分別用於指定所加入的多播組的組IP地址，和所要加入組的那個本地介面的IP地址。該命令字沒有源過濾的功能，它相當於實現IGMPv1的多播加入服務介面。

3．結構ip_sf_socklist

成員sflist的原型為結構struct ip_sf_socklist，定義如下：

struct ip_sf_socklist
{
unsigned int sl_max; /*當前sl_addr陣列的最大可容納量*/
unsigned int sl_count; /*源地址列表中源地址的數量*/
__u32 sl_addr[0]; /*源地址列表*/
}

成員引數sl_addr表示是源地址列表；

成員引數sl_count表示是源地址列表中源地址的數量；

成員引數sl_max表示是當前sl_addr陣列的最大可容納量（不確定）。

4．選項IP_ADD_MEMBERSHIP

選項IP_ADD_MEMBERSHIP用於把一個本地的IP地址加入到一個多播組，在核心中其處理過程如圖11.8所示，在應用層呼叫函式setsockopt()函式的選項IP_ADD_MEMBE- RSHIP後，核心的處理過程如下，主要呼叫了函式ip_mc_join_group()。

圖11.8 選項IP_ADD_MEMBERSHIP的核心處理過程

（1）將使用者資料複製如核心。

（2）判斷廣播IP地址是否合法。

（3）查詢IP地址對應的網路介面。

（4）查詢多播列表中是否已經存在多播地址。

（5）將此多播地址加入列表。

（6）返回處理值。

5．選項IP_DROP_MEMBERSHIP

選項IP_DROP_MEMBERSHIP用於把一個本地的IP地址從一個多播組中取出，在核心中其處理過程如圖11.9所示，在應用層呼叫setsockopt()函式的選項IP_DROP_ MEMBERSHIP後，核心的處理過程如下，主要呼叫了函式ip_mc_leave_group()。

（點選檢視大圖）圖11.9 選項IP_DROP_MEMBERSHIP的核心處理過程

（1）將使用者資料複製入核心。

（2）查詢IP地址對應的網路介面。

（3）查詢多播列表中是否已經存在多播地址。

（4）將此多播地址從源地址中取出。

（5）將此地址結構從多播列表中取出。

（6）返回處理值。

11.3.5 一個多播例子的伺服器端

下面是一個多播伺服器的例子。多播伺服器的程式設計很簡單，建立一個數據包套接字，選定多播的IP地址和埠，直接向此多播地址傳送資料就可以了。多播伺服器的程式設計，不需要伺服器加入多播組，可以直接向某個多播組傳送資料。

下面的例子持續向多播IP地址"224.0.0.88"的8888埠傳送資料"BROADCAST TEST DATA"，每傳送一次間隔5s。

/* 
*broadcast_server.c - 多播服務程式 
*/ 
#define MCAST_PORT 8888; 
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88"/ /*一個區域性連線多播地址，路由器不進行轉發*/ 
#define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" /*多播發送的資料* 
#define MCAST_INTERVAL 5 /*傳送間隔時間*/ 
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多播地址為0*/ 
    mcast_addr.sin_family = AF_INET; /*設定協議族類行為AF*/ 
    mcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR);/*設定多播IP地址*/ 
    mcast_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT); /*設定多播埠*/ 
      
                                                    /*向多播地址傳送資料*/ 
    while(1) { 
        int n = sendto(s, /*套接字描述符*/ 
                                    MCAST_DATA, /*資料*/ 
                                    sizeof(MCAST_DATA), /*長度*/ 
                                    0, 
                                    (struct sockaddr*)&mcast_addr, 
                                    sizeof(mcast_addr)) ; 
        if( n < 0) 
        { 
            perror("sendto()"); 
            return -2; 
        } 
          
        sleep(MCAST_INTERVAL); /*等待一段時間*/ 
    } 
      
    return 0； 
}

11.3.6 一個多播例子的客戶端

多播組的IP地址為224.0.0.88，埠為8888，當客戶端接收到多播的資料後將打印出來。

客戶端只有在加入多播組後才能接受多播組的資料，因此多播客戶端在接收多播組的資料之前需要先加入多播組，當接收完畢後要退出多播組。

/* 
*broadcast_client.c - 多播的客戶端 
*/ 
#define MCAST_PORT 8888; 
#define MCAST_ADDR "224.0.0.88" /*一個區域性連線多播地址，路由器不進行轉發*/ 
#define MCAST_INTERVAL 5 /*傳送間隔時間*/ 
#define BUFF_SIZE 256 /*接收緩衝區大小*/ 
int main(int argc, char*argv[]) 
{ 
    int s; /*套接字檔案描述符*/ 
    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); 
      
                                                /*繫結socket*/ 
    err = bind(s,(struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) ; 
    if(err < 0) 
    { 
        perror("bind()"); 
        return -2; 
    } 
      
                                                /*設定迴環許可*/ 
    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; /*加入廣播組*/ 
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); /*廣播地址*/ 
    mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /*網路介面為預設*/ 
                                                        /*將本機加入廣播組*/ 
    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; 
                                        /*迴圈接收廣播組的訊息，5次後退出*/ 
    for(times = 0;times<5;times++) 
    { 
        addr_len = sizeof(local_addr); 
        memset(buff, 0, BUFF_SIZE); /*清空接收緩衝區*/ 
                                                    /*接收資料*/ 
        n = recvfrom(s, buff, BUFF_SIZE, 0,(struct sockaddr*)&local_addr, 
        &addr_len); 
        if( n== -1) 
        { 
            perror("recvfrom()"); 
        } 
                                                    /*列印資訊*/ 
        printf("Recv %dst message from server:%s\n", times, buff); 
        sleep(MCAST_INTERVAL); 
    } 
      
                                                    /*退出廣播組*/ 
    err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof 
    (mreq)); 
          
    close(s); 
    return 0; 
}

多播--概念和程式設計

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