嵌入式Linux：組播
時間：2019-03-08 來源：華清遠見
一、什么是組播
單播用于兩個主機之間的端對端通信，廣播用于一個主機對整個局域網上所有主機上的數據通信。單播和廣播是兩個極端，要么對一個主機進行通信，要么對整個局域網上的主機進行通信。實際情況下，經常需要對一組特定的主機進行通信，而不是整個局域網上的所有主機，這就是多播的用途。
多播，也稱為“組播”，將局域網中同一業務類型主機進行了邏輯上的分組，進行數據收發的時候其數據僅僅在同一分組中進行，其他的主機沒有加入此分組不能收發對應的數據。
多播的地址是特定的，D類地址用于多播。D類IP地址就是多播IP地址，即224.0.0.0至239.255.255.255之間的IP地址，并被劃分為局部連接多播地址、預留多播地址和管理權限多播地址3類：
1、局部多播地址：在224.0.0.0～224.0.0.255之間，這是為路由協議和其他用途保留的地址，路由器并不轉發屬于此范圍的IP包。
2、預留多播地址：在224.0.1.0～238.255.255.255之間，可用于全球范圍（如Internet）或網絡協議。
3、管理權限多播地址：在239.0.0.0～239.255.255.255之間，可供組織內部使用，類似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范圍。
通常組播使用的是第一類地址。
二、IP到以太地址映射
因為以太網支持多種協議，所以要采取措施分配多播地址，避免沖突。IEEE管理以太網多播地址分配。IEEE把一塊以太網多播地址分給IANA以支持IP多播。塊的地址都以01:00:5e開頭。第25位為0，低23位為IPv4組播地址的低23位。IPv4組播地址與MAC地址的映射關系如圖所示：
由于多播組號中的最高5bit在映射過程中被忽略，因此每個以太網多播地址對應的多播組是不唯一的。32個不同的多播組號被映射為一個以太網地址。例如，多播地址
224.128.64.32（十六進制e0.80.40.20）和224.0.64.32（十六進制e0.00.40.20）都映射為同一以太網地址01:00:5e:00:40:20。
三、多播主機
多播主機分為三個級別：
0級：主機不能發送或接收I P多播。
這種主機應該自動丟棄它收到的具有D類目的地址的分組。
1級：主機能發送但不能接收I P多播。
在向某個I P多播組發送數據報之前，并不要求主機加入該組。多播數據報的發送方式與單播一樣，除了多播數據報的目的地址是 I P多播組之外。網絡驅動器必須能夠識別出這個地址，把在本地網絡上多播數據報。
2級：主機能發送和接收I P多播。
為了接收I P多播，主機必須能夠加入或離開多播組，而且必須支持IGMP，能夠在至少一個接口上交換組成員信息。多接口主機必須支持在它的接口的一個子網上的多播Net/3符合2級主機要求，可以完成多播路由器的工作。與單播IP選路一樣，我們假定所描述的系統是一個多播路由器，并加上了Net/3多播選路的程序。
四、linux多播編程步驟
1>建立一個socket;
2>設置多播的參數，例如超時時間TTL，本地回環許可LOOP等
3>加入多播組
4>發送和接收數據
5>從多播組離開
設置多播組的參數主要使用setsockopt()函數和getsockopt()函數來實現，組播的選項是IP層的。
函數參數如下：
1．選項IP_MULTICASE_TTL
選項IP_MULTICAST_TTL允許設置超時TTL，范圍為0～255之間的任何值，例如：
unsigned char ttl=255;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,&ttl,sizeof(ttl));
2．選項IP_MULTICAST_IF
選項IP_MULTICAST_IF用于設置組播的默認默認網絡接口，會從給定的網絡接口發送，另一個網絡接口會忽略此數據。例如：
struct in_addr addr;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_IF,&addr,sizeof(addr));
參數addr是希望多播輸出接口的IP地址，使用INADDR_ANY地址回送到默認接口。
默認情況下，當本機發送組播數據到某個網絡接口時，在IP層，數據會回送到本地的回環接口，選項IP_MULTICAST_LOOP用于控制數據是否回送到本地的回環接口。例如：
unsigned char loop;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop));參數loop設置為0禁止回送，設置為1允許回送。
3．選項IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP
加入或者退出一個多播組，通過選項IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBER- SHIP，對一個結構struct ip_mreq類型的變量進行控制，struct ip_mreq原型如下：
struct ip_mreq
{
struct in_addr imn_multiaddr; /*加入或者退出的廣播組IP地址*/
struct in_addr imr_interface; /*加入或者退出的網絡接口IP地址*/
};
選項IP_ADD_MEMBERSHIP用于加入某個多播組，之后就可以向這個多播組發送數據或者從多播組接收數據。此選項的值為mreq結構，成員imn_multiaddr是需要加入的多播組IP地址，成員imr_interface是本機需要加入廣播組的網絡接口IP地址。例如：
struct ip_mreq mreq;
setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));
五、多播編程實例
服務器端
下面是一個多播服務器的例子。多播服務器的程序設計很簡單，建立一個數據包套接字，選定多播的IP地址和端口，直接向此多播地址發送數據就可以了。多播服務器的程序設計，不需要服務器加入多播組，可以直接向某個多播組發送數據。
下面的例子持續向多播IP地址"224.0.0.100"的8888端口發送數據"BROADCAST TEST DATA"，每發送一次間隔5s。
/*
*broadcast_server.c - 多播服務程序
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#define MCAST_PORT 8888
#define MCAST_ADDR "224.0.0.100" /*一個局部連接多播地址，路由器不進行轉發*/
#define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" /*多播發送的數據*/
#define MCAST_INTERVAL 5 /*發送間隔時間*/
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多播地址為0*/
mcast_addr.sin_family = AF_INET; /*設置協議族類行為AF*/
mcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR);/*設置多播IP地址*/
mcast_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT); /*設置多播端口*/
/*向多播地址發送數據*/
while(1) {
int n = sendto(s, /*套接字描述符*/
MCAST_DATA, /*數據*/
sizeof(MCAST_DATA), /*長度*/
0,
(struct sockaddr*)&mcast_addr,
sizeof(mcast_addr)) ;
if( n < 0)
{
perror("sendto()");
return -2;
}
sleep(MCAST_INTERVAL); /*等待一段時間*/
}
return 0;
}
客戶端
多播組的IP地址為224.0.0.100，端口為8888，當客戶端接收到多播的數據后將打印出來。
客戶端只有在加入多播組后才能接受多播組的數據，因此多播客戶端在接收多播組的數據之前需要先加入多播組，當接收完畢后要退出多播組。
/*
*broadcast_client.c - 多播的客戶端
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#define MCAST_PORT 8888
#define MCAST_ADDR "224.0.0.100" /*一個局部連接多播地址，路由器不進行轉發*/
#define MCAST_INTERVAL 5 /*發送間隔時間*/
#define BUFF_SIZE 256 /*接收緩沖區大小*/
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);
/*綁定socket*/
err = bind(s,(struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) ;
if(err < 0)
{
perror("bind()");
return -2;
}
/*設置回環許可*/
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; /*加入多播組*/
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); /*多播地址*/
mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /*網絡接口為默認*/
/*將本機加入多播組*/
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;
/*循環接收多播組的消息，5次后退出*/
for(times = 0;times<5;times++)
{
addr_len = sizeof(local_addr);
memset(buff, 0, BUFF_SIZE); /*清空接收緩沖區*/
/*接收數據*/
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);
}
/*退出多播組*/
err = setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq, sizeof
(mreq));
close(s);
return 0;
}
