linux网络编程之一-----多播（组播）编程

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什么是多播

组播（Multicast）是网络一种点对多（one to many）的通信方式，通过报文复制完成网络中一台server对应多台接收者的高效数据传送。对其形象的比喻就是类似于广播电台和电视台节目的发送。电台或电视台向特定频道发送他们的节目，而接收者可以根据自己的喜好选择频道来收听或收看节目。

传统网络的通信方式单播（Unicast）在许多场合下并不合适，如果强行采于单播方式只是会增加网络上传送的报文，还会影响server端的运行效率，如网络游戏，网络视频会议等。这些场合下由于接收者需要的是同样的数据，如果有N个接收者，那么server就需要把这份数据做成N个报文分别发送给接收者，这样当接收者增多的情况下，server端发送的报文也同样需要增多，server端承受这样的通信量肯定有一个极值，当接收者到一定程度的时候，不单单是网络流量增大的问题了，server面临的只有宕机。

组播在这种场合下就有了用武之地了。Server端需要做的就是向特写的Group发送一个报文，当网络的多个接收者对这个报文感兴趣的时候，他们可以自由复制得到这个报文。这样的情况下，无论接收者增加多少人，Server需要做的只是发送一个报文，而网络上传送的是只是一份报文。

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。

单播图例：

多播图例：

组播地址

32位的IP地址被分成了A、B、C、D、E五种类型，前三种是我们日常生活常见的，由一个权威部分统一分配。而D类地址我们需要的多播地址，前三种地址我们可以形象的认为是一个点，而一个D类多播地址可以认为是一个频道。这样对多播的理解可以形象一点。

D类IP地址就是多播IP地址，即

常见多播保留地址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。

常见的多播保留地址：

实验：可在主机上执行ping 224.0.0.1，看看有多少主机有回应。

IP组播地址到链路层地址的转换

因为以太网支持多种协议，所以要采取措施分配多播地址，避免冲突。IEEE管理以太网多播地址分配。IEEE把一块以太网多播地址分给IANA以支持IP多播。块的地址都以01:00:5e开头。第25位为0，低23位为IPv4组播地址的低23位。IPv4组播地址与MAC地址的映射关系如图所示：

由于多播组号中的最高5bit在映射过程中被忽略，因此每个以太网多播地址对应的多播组是不唯一的。32个不同的多播组号被映射为一个以太网地址。例如，多播地址224.128.64.32（十六进制e0.80.40.20）和224.0.64.32（十六进制e0.00.40.20）都映射为同一以太网地址01:00:5e:00:40:20。

组播需要的网络环境

如果主机想获得多播报文，相邻的路由器也必须支持IGMP，如果想获得Internet上的多播报文，主机到Server的这个路径中所遇到的路由器必须全部支持IGMP，路由器还必须支持源发现协议，如MSDP，PIM_DM，PIM_SM等。

组播的等级

多播主机分为三个级别：

0级：主机不能发送或接收IP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IP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IP多播。

对这三个等级的理解应该从socket上。建立了一个socket以后可以对它进行设置，看它需求什么。一般现在存在的网络程序就就是0级了，因为它们不支持多播，如用于连接web服务器获取网页内容的那个socket就应该属于0级。
一个演唱会现场网络直播，由于采用了多播，服务器要向一个多播组发送报文，因为他不需要获取接收者的报文，所以可以建立一个socket只向特定的多播组发送数据就可以了，这个socket应该就是1级。
一个网络会议的例子，由于会议是有多个人参加的，每个人都需要接收其它人的报文，所以建立了一个socket，首先把这个socket加入到一个多播组，使其能接收多播组的数据，然后它也可以用这个socket向自己加入的多播组发送自己的状态。这个socket就应该是2级。

linux多播编程

linux多播编程步骤：

建立一个socket；
设置多播的参数，例如超时时间TTL，本地回环许可LOOP等。
加入多播组；
发送和接收数据；
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。

int setsockopt(SOCKET s, int level, int optname, const char FAR * optval, int optlen);
int getsockopt(SOCKET s, int level, int optname, char FAR * optval, int FAR * optlen);

level必须为IPPROTO_IP，optname就是在组播起到最主要作用的一个字段，与组播相关的可取值：

可取值	setsockopt()	getsockopt()	含义
IP_MULTICAST_TTL	支持	支持	设置多播组数据的TTL值
IP_ADD_MEMBERSHIP	支持	不支持	在指定接口上加入组播组
IP_DROP_MEMBERSHIP	支持	不支持	退出组播组
IP_MULTICAST_IF	支持	支持	获取默认接口或设置接口
IP_MULTICAST_LOOP	支持	支持	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。默认情况下，多播报文的TTL被设置成了1,也就是说到这个报文在网络传送的时候,它只能在自己所在的网络传送,当要向外发送的时候，路由器把TTL减1以后变成了0,这个报文就已经被Discard了。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用于设置发送组播使用的本地接口，另一个网络接口会忽略此数据。默认情况下被设置成了本地接口的第一个地址。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。

当接收者加入到一个多播组以后，再向这个多播组发送数据，默认情况下在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

加入或者退出一个多播组，通过选项IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP，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 ipmr;
ipmr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
ipmr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("234.5.6.7");
setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_ADDR_MEMBERSHIP, (char*)&ipmr, sizeof(ipmr));