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2015-06-16 17:41:39


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

    

IP_MULTICAST_TTL

设置多播组数据的TTL

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:

点击(此处)折叠或打开

  1. unsigned char ttl=255;
  2. 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:

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  1. struct in_addr addr;
  2. 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:

点击(此处)折叠或打开

  1. unsigned char loop;
  2. 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:

点击(此处)折叠或打开

  1. struct ip_mreq
  2. {
  3.       struct in_addr imn_multiaddr; /*加入或者退出的广播组IP地址*/
  4.       struct in_addr imr_interface; /*加入或者退出的网络接口IP地址*/
  5. }


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:

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  1. struct ip_mreq mreq;
  2. 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:

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  1. struct ip_mreq mreq;
  2. 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。

 
(点击查看大图)图11.7  多播的内核结构

点击(此处)折叠或打开

  1. struct inet_sock {
  2.     ...
  3.     __u8 mc_ttl; /*多播TTL*/
  4.     ...
  5.     __u8 ...
  6.                         mc_loop:1; /*多播回环设置*/
  7.     int mc_index; /*多播设备序号*/
  8.     __be32 mc_addr; /*多播地址*/
  9.     struct ip_mc_socklist *mc_list; /*多播群数组*/
  10.     ...
  11. }

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:

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  1. struct ip_mc_socklist
  2. {
  3.     struct ip_mc_socklist *next;
  4.     struct ip_mreqn multi;
  5.     unsigned int sfmode; /*MCAST_{INCLUDE,EXCLUDE}*/
  6.     struct ip_sf_socklist *sflist;
  7. }


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:

点击(此处)折叠或打开

  1. struct ip_mreqn
  2. {
  3.     struct in_addr imr_multiaddr; /*多播组的IP地址*/
  4.     struct in_addr imr_address; /*本地址网络接口的IP地址*/
  5.     int imr_ifindex; /*网络接口序号*/
  6. }


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:

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  1. struct ip_sf_socklist
  2. {
  3.     unsigned int sl_max; /*当前sl_addr数组的最大可容纳量*/
  4.     unsigned int sl_count; /*源地址列表中源地址的数量*/
  5.     __u32 sl_addr[0]; /*源地址列表*/
  6. }


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()。

 
(点击查看大图)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。

点击(此处)折叠或打开

  1. /*
  2. *broadcast_server.c - 多播服务程序
  3. */
  4. #define MCAST_PORT 8888;
  5. #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*/
  6. #define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" /*多播发送的数据*
  7. #define MCAST_INTERVAL 5 /*发送间隔时间*/
  8. int main(int argc, char*argv)
  9. {
  10.     int s;
  11.     struct sockaddr_in mcast_addr;
  12.     s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /*建立套接字*/
  13.     if (s == -1)
  14.     {
  15.         perror("socket()");
  16.         return -1;
  17.     }
  18.       
  19.     memset(&mcast_addr, 0, sizeof(mcast_addr));/*初始化IP多播地址为0*/
  20.     mcast_addr.sin_family = AF_INET; /*设置协议族类行为AF*/
  21.     mcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR);/*设置多播IP地址*/
  22.     mcast_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT); /*设置多播端口*/
  23.       
  24.                                                     /*向多播地址发送数据*/
  25.     while(1) {
  26.         int n = sendto(s, /*套接字描述符*/
  27.                                     MCAST_DATA, /*数据*/
  28.                                     sizeof(MCAST_DATA), /*长度*/
  29.                                     0,
  30.                                     (struct sockaddr*)&mcast_addr,
  31.                                     sizeof(mcast_addr)) ;
  32.         if( n < 0)
  33.         {
  34.             perror("sendto()");
  35.             return -2;
  36.         }
  37.           
  38.         sleep(MCAST_INTERVAL); /*等待一段时间*/
  39.     }
  40.       
  41.     return 0;
  42. }




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。

点击(此处)折叠或打开

  1. /*
  2. *broadcast_client.c - 多播的客户端
  3. */
  4. #define MCAST_PORT 8888;
  5. #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*/
  6. #define MCAST_INTERVAL 5 /*发送间隔时间*/
  7. #define BUFF_SIZE 256 /*接收缓冲区大小*/
  8. int main(int argc, char*argv[])
  9. {
  10.     int s; /*套接字文件描述符*/
  11.     struct sockaddr_in local_addr; /*本地地址*/
  12.     int err = -1;
  13.       
  14.     s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /*建立套接字*/
  15.     if (s == -1)
  16.     {
  17.         perror("socket()");
  18.         return -1;
  19.     }
  20.       
  21.                                                 /*初始化地址*/
  22.     memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
  23.     local_addr.sin_family = AF_INET;
  24.     local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  25.     local_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT);
  26.       
  27.                                                 /*绑定socket*/
  28.     err = bind(s,(struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) ;
  29.     if(err < 0)
  30.     {
  31.         perror("bind()");
  32.         return -2;
  33.     }
  34.       
  35.                                                 /*设置回环许可*/
  36.     int loop = 1;
  37.     err = setsockopt(s,IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP,&loop, sizeof(loop));
  38.     if(err < 0)
  39.     {
  40.         perror("setsockopt():IP_MULTICAST_LOOP");
  41.         return -3;
  42.     }
  43.       
  44.     struct ip_mreq mreq; /*加入广播组*/
  45.     mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); /*广播地址*/
  46.     mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /*网络接口为默认*/
  47.                                                         /*将本机加入广播组*/
  48.     err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof
  49.     (mreq));
  50.     if (err < 0)
  51.     {
  52.         perror("setsockopt():IP_ADD_MEMBERSHIP");
  53.         return -4;
  54.     }
  55.       
  56.     int times = 0;
  57.     int addr_len = 0;
  58.     char buff[BUFF_SIZE];
  59.     int n = 0;
  60.                                         /*循环接收广播组的消息,5次后退出*/
  61.     for(times = 0;times<5;times++)
  62.     {
  63.         addr_len = sizeof(local_addr);
  64.         memset(buff, 0, BUFF_SIZE); /*清空接收缓冲区*/
  65.                                                     /*接收数据*/
  66.         n = recvfrom(s, buff, BUFF_SIZE, 0,(struct sockaddr*)&local_addr,
  67.         &addr_len);
  68.         if( n== -1)
  69.         {
  70.             perror("recvfrom()");
  71.         }
  72.                                                     /*打印信息*/
  73.         printf("Recv %dst message from server:%s\n", times, buff);
  74.         sleep(MCAST_INTERVAL);
  75.     }
  76.       
  77.                                                     /*退出广播组*/
  78.     err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof
  79.     (mreq));
  80.           
  81.     close(s);
  82.     return 0;
  83. }


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