TCP/IP 网络编程笔记

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第 14 章 多播与广播 ​

本章代码，在TCP-IP-NetworkNote中可以找到。

14.1 多播 ​

多播（Multicast）方式的数据传输是基于 UDP 完成的。因此，与 UDP 服务器端/客户端的实现方式非常接近。区别在于，UDP 数据传输以单一目标进行，而多播数据同时传递到加入（注册）特定组的大量主机。换言之，采用多播方式时，可以同时向多个主机传递数据。

14.1.1 多播的数据传输方式以及流量方面的优点 ​

多播的数据传输特点可整理如下：

  • 多播服务器端针对特定多播组，只发送 1 次数据。
  • 即使只发送 1 次数据，该组内的所有客户端也都会接收数据。
  • 多播组数可以在 IP 地址范围内任意增加

多播组是 D 类IP地址（224.0.0.0~239.255.255.255），「加入多播组」可以理解为通过程序完成如下声明：

在 D 类IP地址中，我希望接收发往目标 239.234.218.234 的多播数据

多播是基于 UDP 完成的，也就是说，多播数据包的格式与 UDP 数据包相同。只是与一般的 UDP 数据包不同，向网络传递 1 个多播数据包时，路由器将复制该数据包并传递到多个主机。像这样，多播需要借助路由器完成。如图所示：

若通过 TCP 或 UDP 向 1000 个主机发送文件，则共需要传递 1000 次。但是此时如果用多播网络传输文件，则只需要发送一次。这时由 1000 台主机构成的网络中的路由器负责复制文件并传递到主机。就因为这种特性，多播主要用于「多媒体数据实时传输」。

另外，理论上可以完成多播通信，但是不少路由器并不支持多播，或即便支持也因网络拥堵问题故意阻断多播。因此，为了在不支持多播的路由器中完成多播通信，也会使用隧道（Tunneling）技术。

14.1.2 路由（Routing）和 TTL（Time to Live,生存时间），以及加入组的办法 ​

为了传递多播数据包，必须设置 TTL。TTL 是 Time to Live 的简写，是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 用整数表示，并且每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，该数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL 的值设置过大将影响网络流量。当然，设置过小，也无法传递到目标。

接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第九章的套接字可选项完成的。与设置 TTL 相关的协议层为 IPPROTO_IP ，选项名为 IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把 TTL 设置为 64

c
int send_sock;
int time_live = 64;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live));
...

加入多播组也通过设置套接字可选项来完成。加入多播组相关的协议层为 IPPROTO_IP，选项名为 IP_ADD_MEMBERSHIP 。可通过如下代码加入多播组：

c
int recv_sock;
struct ip_mreq join_adr;
...
recv_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
join_adr.imr_multiaddr.s_addr="多播组地址信息";
join_adr.imr_interface.s_addr="加入多播组的主机地址信息";
setsockopt(recv_sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&join_adr,sizeof(join_adr));
...

下面是 ip_mreq 结构体的定义：

c
struct ip_mreq
{
    struct in_addr imr_multiaddr; //写入加入组的IP地址
    struct in_addr imr_interface; //加入该组的套接字所属主机的IP地址
};

14.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver ​

多播中用「发送者」（以下称为 Sender） 和「接收者」（以下称为 Receiver）替代服务器端和客户端。顾名思义，此处的 Sender 是多播数据的发送主体，Receiver 是需要多播组加入过程的数据接收主体。下面是示例，示例的运行场景如下：

  • Sender : 向 AAA 组多播（Multicasting）文件中保存的新闻信息
  • Receiver : 接收传递到 AAA 组的新闻信息。

下面是两个代码：

编译运行：

gcc news_sender.c -o sender
gcc news_receiver.c -o receiver
./sender 224.1.1.2 9190
./receiver 224.1.1.2 9190

结果：

通过结果可以看出，使用 sender 多播信息，通过 receiver 接收多播数据，如果延迟运行 receiver 将无法接收之前发送的信息。

14.2 广播 ​

广播（Broadcast）在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输数据的范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接收数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。

14.2.1 广播的理解和实现方法 ​

广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法。与多播相同，广播也是通过 UDP 来完成的。根据传输数据时使用的IP地址形式，广播分为以下两种：

  • 直接广播（Directed Broadcast）
  • 本地广播（Local Broadcast）

二者在实现上的差别主要在于IP地址。直接广播的IP地址中除了网络地址外，其余主机地址全部设置成 1。例如，希望向网络地址 192.12.34 中的所有主机传输数据时，可以向 192.12.34.255 传输。换言之，可以采取直接广播的方式向特定区域内所有主机传输数据。

反之，本地广播中使用的IP地址限定为 255.255.255.255 。例如，192.32.24 网络中的主机向 255.255.255.255 传输数据时，数据将传输到 192.32.24 网络中所有主机。

广播与普通 UDP 示例的区别在于：目标 IP 地址使用广播地址，且需通过 SO_BROADCAST 选项启用广播。默认生成的套接字会阻止广播，因此需要通过如下代码更改默认设置。

c
int send_sock;
int bcast;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));
...

14.2.2 实现广播数据的 Sender 和 Receiver ​

下面是广播数据的 Sender 和 Receiver的代码：

编译运行：

gcc news_receiver_brd.c -o receiver
gcc news_sender_brd.c -o sender
./sender 255.255.255.255 9190
./receiver 9190

结果：

14.3 基于 Windows 的实现 ​

Windows 平台下的多播和广播实现与 Linux 类似，主要区别在于套接字操作相关的头文件和函数调用。

14.3.1 Windows 多播实现 ​

在 Windows 中实现多播 Sender 时，需要包含 winsock2.h 头文件，并链接 ws2_32.lib 库。主要代码区别如下：

c
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

// Windows 下的套接字初始化
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
    error_handling("WSAStartup() error");

// 创建套接字
SOCKET send_sock;
send_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

// 设置 TTL
int time_live = 64;
setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (char*)&time_live, sizeof(time_live));

// ... 发送数据 ...

// Windows 下的套接字关闭
closesocket(send_sock);
WSACleanup();

Windows 下实现多播 Receiver 时，加入多播组的代码如下：

c
struct ip_mreq join_adr;
join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(group_ip);
join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (char*)&join_adr, sizeof(join_adr));

14.3.2 Windows 广播实现 ​

Windows 下实现广播时，启用广播的代码如下：

c
SOCKET send_sock;
send_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

int bcast = 1;
setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&bcast, sizeof(bcast));

// ... 发送数据 ...

与 Linux 的主要区别总结：

  1. 头文件：Windows 使用 winsock2.h，Linux 使用 sys/socket.h 等头文件
  2. 初始化：Windows 需要调用 WSAStartup 初始化 Winsock，使用完后调用 WSACleanup
  3. 套接字类型：Windows 使用 SOCKET 类型（UINT_PTR，32 位系统为 unsigned int，64 位系统为 unsigned __int64），Linux 使用 int
  4. 关闭套接字：Windows 使用 closesocket，Linux 使用 close
  5. 指针类型转换：Windows 下 setsockopt 的第四个参数通常转换为 char*，Linux 下转换为 void*

14.4 习题 ​

以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。

  1. TTL 的含义是什么？请从路由器的角度说明较大的 TTL 值与较小的 TTL 值之间的区别及问题。

    答：TTL 是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL设置过大会影响网络流量。当然，设置过小无法传递到目标。

  2. 多播与广播的异同点是什么？请从数据通信的角度进行说明。

    答：在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输的数据范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接收数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。

  3. 下面关于多播的说法描述错误的是？

    1. 多播是用来向加入多播组的所有主机传输数据的协议
    2. 主机连接到同一网络才能加入到多播组，也就是说，多播组无法跨越多个网络
    3. 能够加入多播组的主机数并无限制，但只能有 1 个主机（Sender）向该组发送数据
    4. 多播时使用的套接字是 UDP 套接字，因为多播是基于 UDP 进行数据通信的

    答：第 2 项描述错误。正确说明如下：

    1. 多播是用来向加入多播组的所有主机传输数据的协议
    2. 主机连接到同一网络才能加入到多播组，也就是说，多播组无法跨越多个网络（错误。多播可以跨越多个网络，只要路由器支持多播功能，主机就可以加入跨网络的多播组。即使路由器不支持，也可以通过隧道技术实现。）
    3. 能够加入多播组的主机数并无限制，向该组发送数据的主机数也无限制（任何主机均可向多播组地址发送数据，且无需先加入该组）
    4. 多播时使用的套接字是 UDP 套接字，因为多播是基于 UDP 进行数据通信的

  4. 多播也对网络流量有利，请比较 TCP 交换方式解释其原因

    答：TCP 必须建立一对一的连接，如果要向 1000 个主机发送文件，就得传递 1000 次。但是此时用多播方式传输数据，就只需要发送一次。

  5. 多播方式的数据通信需要 MBone 虚拟网络。换言之，MBone 是用于多播的网络，但它是虚拟网络。请解释此处的「虚拟网络」

    答：可以理解为「通过网络中的特殊协议工作的软件概念上的网络」。也就是说，MBone 并非可以触及的物理网络。它是以物理网络为基础，通过软件方法（隧道技术）实现的多播通信必备虚拟网络。MBone（Multicast Backbone）是互联网的多播骨干网，通过在支持多播的路由器之间建立隧道，将不支持多播的网络连接起来，从而构建一个覆盖全球的虚拟多播网络。

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