Linux网络编程--多播

一、多播介绍

什么是多播？

　　 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。多播，也称为“组播”，将局域网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。

　　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。

　　属于永久组的地址：
　　224.0.0.1 --- 所有组播主机
　　224.0.0.2 --- 所有组播路由器
　　224.0.0.4 --- DRMRP路由器
　　224.0.0.5 --- 所有OSPF的路由器
　　224.0.0.6 --- OSPF指派路由器
　　224.0.0.9 --- RPIv2路由器
　　224.0.0.10 --- EIGRP路由器
　　224.0.0.13 --- PIM路由器
　　224.0.0.22 --- IGMPv3
　　224.0.0.25 --- RGMP
　　224.0.1.1 --- NTP网络时间协议

多播主机
　　多播主机分为三个级别：
　　0级：主机不能发送或接收I P多播。
　　　　这种主机应该自动丢弃它收到的具有D类目的地址的分组。
　　1级：主机能发送但不能接收I P多播。
　　　　在向某个IP多播组发送数据报之前，并不要求主机加入该组。多播数据报的发送方式与单播一样，除了多播数据报的目的地址是IP多播组之外。网络驱动器必须能够识别出这个地址，把在本地网络上多播数据报。
　　2级：主机能发送和接收I P多播。
　　　　为了接收IP多播，主机必须能够加入或离开多播组，而且必须支持IGMP，能够在至少一个接口上交换组成员信息。多接口主机必须支持在它的接口的一个子网上的多播Net/3符合2级主机要求，可以完成多播路由器的工作。与单播IP选路一样，我们假定所描述的系统是一个多播路由器，并加上了Net/3多播选路的程序。

组播的优势
组播协议的优势在于当需要将大量相同的数据传输到不通主机时，
　　1．能节省发送数据的主机的系统资源和带宽；
　　2．组播是有选择地复制给又要求的主机；
　　3. 组播可以穿越公网广泛传播，而广播则只能在局域网或专门的广播网内部传播；
　　4. 组播能节省网络主干的带宽；

组播的缺点：
　　与单播相比，组播没有补包机制，因为组播采用的是UDP的传输方式，并且不是针对一个接受者，所以无法有针对的进行补包。所以直接用组播协议传输的数据是不可靠的。

根据接收者对组播源处理方式的不同，组播模型分为以下两大类：
　　ASM模型：即任意源组播模型。在ASM模型中，任一发送者都可作为组播源向某组播组地址发送组播信息，接收者通过加入由该组播组地址标识的组播组以获得发往该组播组的组播信息。在ASM模型中，接收者无法预先知道组播源的位置，但可以在任意时间加入或离开组播组。
　　SSM模型：即指定信源组播模型。在现实生活中，用户可能只对某些组播源发送的组播信息感兴趣，而不愿接收其它源发送的信息。SSM模型为用户提供了一种能够在客户端指定组播源的传输服务。

在ASM模型下，接收者无法选择组播源，只能被动地接收所有组播源的信息，而SSM模型的提出则为指定源组播提供了解决方案。

二、内核配置

查看linux系统是否支持多播和广播，使用命令ifconfig：
　　UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 #说明该网卡支持

如果不支持则进行相应的配置，使得Linux支持多播IP，在默认状态下，大多Linux发行版本关闭的对多播IP的支持。
为了在Linux系统使用多播套接口，需要从新配置和编译Linux内核。下面看一下配置步骤：
　　make menuconfig
　　选择网络选项
　　选中IP：Enable Multicasting IP一项
　　保存配置
　　重新编译内核

三、IGMP

　　IGMP是IPv4引入的管理多播客户和它们之间关系的协议。IGMP被开发出来用于通知路由器网络上的一个机器对指定组的数据感兴趣。

　　IGMP运行于主机和与主机直连的路由器之间，其实现的功能是双向的：
　　　　一方面，主机通过IGMP通知路由器希望接收某个特定组播组的信息；
　　　　一方面，路由器通过IGMP周期性地查询局域网内的组播组成员是否处于活动状态，实现所连网段组成员关系的收集与维护。通过IGMP，在路由器中记录的信息是某个组播组是否在本地有组成员，而不是组播组与主机之间的对应关系。

　　为了多播正确的工作，两个多播节点之间的所有路由器必须支持IGMP协议。任何没有开启IGMP协议的路由器仅简单地丢弃接收到的多播数据。

　　另外，当终端加入到多播组时，它指定TTL参数，来指明终端的多播应用程序想要经过多少个路由器来发送和接收数据，如下代码所示。

int nTtl = 0; setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(char*)&nTtl,sizeof(nTtl));

　　初始TTL为0的多播封包被限制在同一个主机
　　初始TTL为1的多播封包被限制在同一个子网
　　初始TTL为32的多播封包被限制在同一个站点
　　初始TTL为64的多播封包被限制在同一个地区
　　初始TTL为128的多播封包被限制在同一个大陆
　　初始TTL为255的多播封包没有范围限制

　　注意：许多多播路由器拒绝转发目的地址在224.0.0.0~224.0.0.255之间的任何多播数据报，不管它的TTL是多少。

　　IGMPv3（RFC 3376）中增加的主要功能是成员可以指定接收或拒绝来自某些组播源的报文，以实现对SSM模型的支持。

四、多播编程　

linux多播编程步骤：
　　1>建立一个socket;
　　2>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

多播程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现，组播的选项是IP层的。

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（ASM模型）
加入或者退出一个多播组，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用于加入某个多播组，之后就可以向这个多播组发送数据或者从多播组接收数据。此选项的值为mreq结构，成员imn_multiaddr是需要加入的多播组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));

4. 带源地址的IP多播（SSM模型）

　　带源地址的IP多播允许加入组时指定要接收哪些成员的数据。有两种方式：

　　1> “包含”方式，这种方式下，为套接字指定N个有效源地址，套接字仅接收来自这些源地址的数据；使用IP_ADD_SOURCE_MEMBERSHIP和IP_DROP_SOURCE_MEMBERSHIP。

　　2> “排除”方式，这种方式下，为套接字指定N个源地址，套接字将接收来自这些源地址之外的数据；使用IP_BLOCK_SOURCE（排除某个源地址）和IP_UNBLOCK_SOURCE（从排除集合中移除此源地址）以上两种方式输入参数都是ip_mreq_source结构。

五、多播编程实例

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"224.0.0.100"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 "224.0.0.100"/    /*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；
}

客户端:
　　多播组的IP地址为224.0.0.100，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 "224.0.0.100"     /*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;   
     
　　 /*加入多播组*/
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); /*多播地址*/
    mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /*网络接口为默认*/

    /*将本机加入多播组*/
    err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof(mreq));//ASM模型
    if (err < 0)
    {
        perror("setsockopt():IP_ADD_MEMBERSHIP");
        return -4;
    }

    int times = 0;
    int addr_len = 0;
    char buff[BUFF_SIZE];
    int n = 0;

    /*循环接收多播组的消息，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
", times, buff);

        sleep(MCAST_INTERVAL);
    }

    /*退出多播组*/
    err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof(mreq));
      
    close(s);
    return 0;
}