嵌入式Linux：组播
时间：2019-03-08 来源：华清远见
一、什么是组播
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：
1、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。
2、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。
3、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。
通常组播使用的是第一类地址。
二、IP到以太地址映射
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。
三、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I P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 I P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I P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。
四、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
设置多播组的参数主要使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现，组播的选项是IP层的。
函数参数如下：
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
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));
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
*/
#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
*/
#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));
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\n", 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;
}
