多播--概念和编程

11.3 多播

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。

11.3.1 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：

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。

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。

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：

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。

多播的应用主要有网上视频、网上会议等。

11.3.2 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：

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。

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。

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。

11.3.3 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，其选项值和含义参见11.5所示。

表11.5 多播相关的选项

getsockopt()/setsockopt()的选项	含义
IP_MULTICAST_TTL	设置多播组数据的TTL值
IP_ADD_MEMBERSHIP	在指定接口上加入组播组
IP_DROP_MEMBERSHIP	退出组播组
IP_MULTICAST_IF	获取默认接口或设置接口
IP_MULTICAST_LOOP	禁止组播数据回送

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。

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。

3．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。例如：

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。

4．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。

5．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，其基本顺序如图11.6所示。

（点击查看大图）图11.6 多播的编程流程

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。其步骤如下：

（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。

11.3.4 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，其示意图如图11.7所示。

图11.7 多播的内核结构

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()。

图11.8 选项IP_ADD_MEMBERSHIP的内核处理过程

（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()。

（点击查看大图）图11.9 选项IP_DROP_MEMBERSHIP的内核处理过程

（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。

11.3.5 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； 
}

11.3.6 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; 
}