网络(十六)广播和组播

广播

广播（Broadcast）是一种网络通信方式，允许一台主机向网络中的所有其他主机发送数据包。

在IP网络中，广播地址用于向同一子网中的所有主机发送数据包。

广播地址通常是子网中的最后一个地址，例如，如果子网掩码是255.255.255.0，那么广播地址就是192.168.1.255。

只有用户数据报(使用UDP协议)套接字才能广播

数据包发送方式只有一个接受方，称为单播

如果同时发给局域网中的所有主机，称为广播

如果同时发给局域网中的部分主机，称为组播

在局域网中，广播是一种将消息发送给所有主机的通信方式。以下是广播在局域网中发送的基本原理和步骤：

广播地址：
在以太网中，广播地址是一个特殊的MAC地址，通常是全FF（即FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
在IP网络中，广播地址通常是网络地址加上全1的子网掩码。例如，在一个C类网络中，如果网络地址是192.168.1.0，子网掩码是255.255.255.0，那么广播地址就是192.168.1.255。

数据包发送：
当一台主机需要发送广播消息时，它会将要发送的数据包的目的MAC地址设置为广播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
数据包的源MAC地址设置为发送主机的MAC地址。

数据包传输：
交换机或集线器接收到这个数据包后，会将其转发给连接到它的所有其他端口。
这样，局域网中的所有主机都会收到这个广播数据包。

数据包处理：
每台主机在接收到广播数据包后，会检查数据包的目的MAC地址。
如果目的MAC地址是广播地址，主机会处理这个数据包。

应用层广播：
在应用层，例如在UDP协议中，应用程序可以发送一个目的IP地址为广播地址的数据包。
操作系统会将这个数据包封装成一个以太网帧，并将目的MAC地址设置为广播地址，然后发送出去。

在C语言中，使用广播进行通信通常涉及以下步骤：

创建套接字：使用 socket() 函数创建一个UDP套接字。
设置广播选项：使用 setsockopt() 函数设置套接字的广播选项，允许套接字发送广播数据包。
设置广播地址：使用 sockaddr_in 结构体设置广播地址和端口。
发送数据：使用 sendto() 函数发送广播数据包。

示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

// 定义广播端口和广播IP地址
#define PORT 8080
#define BROADCAST_IP "255.255.255.255"
#define BUFSIZE 1024

int main() {
   
    int sockfd; // 套接字文件描述符
    struct sockaddr_in broadcast_addr; // 广播地址结构体
    char *message = "Hello, this is a broadcast message!"; // 要发送的广播消息
    int broadcastEnable = 1; // 广播选项，设置为1表示启用广播

    // 创建UDP套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
   
        perror("socket failed"); // 如果创建失败，输出错误信息
        exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
    }

    // 设置广播选项
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {
   
        perror("setsockopt failed"); // 如果设置失败，输出错误信息
        close(sockfd); // 关闭套接字
        exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
    }

    // 设置广播地址
    memset(&broadcast_addr, 0, sizeof(broadcast_addr)); // 初始化广播地址结构体
    broadcast_addr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4
    broadcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(BROADCAST_IP); // 设置广播IP地址
    broadcast_addr.sin_port = htons(PORT); // 设置广播端口

    // 发送广播数据
    if (sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&broadcast_addr, sizeof(broadcast_addr)) < 0) {
   
        perror("sendto failed"); // 如果发送失败，输出错误信息
        close(sockfd); // 关闭套接字
        exit(EXIT_FAILURE); // 退出程序
    }

    printf("Broadcast message sent successfully.\n"); // 发送成功，输出提示信息

    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    return 0;
}

组播

组播（Multicast）是一种网络通信方式，它允许将数据包发送给一组特定的主机，而不是所有主机。组播通过使用特定的组播地址来实现，这些地址标识了一组希望接收相同数据的主机。
以下是组播的基本概念和原理：




1.组播地址：

组播地址是一个特殊的IP地址范围，用于标识一组主机。
在IPv4中，组播地址的范围是224.0.0.0到239.255.255.255。
在IPv6中，组播地址以FF开头，后面跟着一个标识符和组ID。

2.组播组：

主机可以加入一个或多个组播组，通过加入组播组，主机表明它希望接收发送到该组播地址的数据包。
组播组是动态的，主机可以随时加入或离开组播组。

3.数据包发送：

当一台主机需要发送组播数据包时，它会将要发送的数据包的目的IP地址设置为组播地址。
数据包的源IP地址设置为发送主机的IP地址。

4.数据包传输：

路由器和交换机在接收到组播数据包后，会根据组播路由协议（如IGMP、PIM等）将数据包转发给所有加入该组播组的主机。
这样，只有那些加入该组播组的主机才会收到这个数据包。

5.应用层组播：

在应用层，例如在UDP协议中，应用程序可以发送一个目的IP地址为组播地址的数据包。
操作系统会将这个数据包封装成一个以太网帧，并将目的MAC地址设置为对应的组播MAC地址，然后发送出去。
组播的优点在于它能够有效地将数据传输给一组特定的主机，而不需要发送多个单播数据包，从而节省了网络带宽。组播广泛应用于视频会议、在线直播、软件更新等需要同时向多个接收者传输数据的场景。

在C语言中，使用广播进行通信通常涉及以下步骤：

创建套接字：使用 socket() 函数创建一个UDP套接字。
设置组播选项：使用 setsockopt() 函数设置套接字的组播选项，允许套接字发送组播数据包。
设置组播地址：使用 sockaddr_in 结构体设置组播地址和端口。
加入组播组：使用 setsockopt() 函数加入组播组。
发送数据：使用 sendto() 函数发送组播数据包。

示例

设置本地地址加入多播组

使用setsockopt函数设置 参数是一个 struct ip_mreqn 结构体
struct ip_mreqn {
   
    struct in_addr imr_multiaddr; /* 多播组的IP地址 */
    struct in_addr imr_address;   /* 本地IP地址 */
    int            imr_ifindex;   /* 接口索引 填0 即可 */
};

struct ip_mreqn mreqn;
mreqn.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("多播组的IP地址");
mreqn.imr_address.s_addr = inet_addr("本地IP地址");
mreqn.imr_ifindex = 0;
if(-1 == setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreqn, sizeof(mreqn)))
    ERR_LOG("setsockopt error");

接收端

#include <my_head.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
   
    //创建套接字
    int sockfd = 0;
    if(-1 == (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)))
        ERR_LOG("socket error");

    //填充服务器网络信息结构体
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //要填组播的IP地址  224-239
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    socklen_t serveraddrlen = sizeof(serveraddr);

    //绑定
    if(-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, serveraddrlen))
        ERR_LOG("bind error");

    //设置加入多播组
    struct ip_mreqn mreqn;
    mreqn.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    mreqn.imr_address.s_addr = inet_addr("192.168.2.91");
    mreqn.imr_ifindex = 0;
    if(-1 == setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreqn, sizeof(mreqn)))
        ERR_LOG("setsockopt error");

    //定义结构体保存发送方信息
    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);

    //接收数据
    char buff[128];
    while(1){
   
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        if(-1 == recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen))
            ERR_LOG("recvfrom error");
        printf("客户端[%s:%d]发来数据[%s]\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port), buff);
    }

    //关闭套接字
    close(sockfd);
    return 0;
}

发送端

#include <my_head.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
   
    //创建套接字
    int sockfd = 0;
    if(-1 == (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)))
        ERR_LOG("socket error");

    //填充服务器网络信息结构体
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //要填组播的IP地址  224-239
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    socklen_t serveraddrlen = sizeof(serveraddr);

    //发送数据
    char buff[128];
    while(1){
   
        fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
        buff[strlen(buff)-1] = '\0';
        if(-1 == sendto(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, serveraddrlen))
            ERR_LOG("sendto error");
    }

    //关闭套接字
    close(sockfd);
    return 0;
}

本地通信(UNIX域套接字)

在本地通信中，UNIX域套接字是一种高效的进程间通信（IPC）机制。它允许同一台机器上的不同进程之间进行通信。

UNIX域套接字是一种基于文件系统的IPC机制，它不需要网络协议栈的支持。

UNIX域套接字主要使用以下几个系统调用函数：

    socket()：创建一个新的套接字。
    bind()：将套接字绑定到一个地址。
    listen()：使套接字进入监听状态，等待客户端连接。
    accept()：接受一个客户端连接。
    connect()：连接到服务器端的套接字。
    send() 和 recv()：发送和接收数据。
    close()：关闭套接字。

服务器端：

    socket()：创建一个UNIX域套接字。
    bind()：将套接字绑定到一个路径（例如 /tmp/my_unix_socket）。
    listen()：使套接字进入监听状态，等待客户端连接。
    accept()：接受一个客户端连接。
    recv()：接收数据。
    send()：发送响应。
    close()：关闭套接字。
    unlink()：删除套接字文件。


客户端：

    socket()：创建一个UNIX域套接字。
    connect()：连接到服务器端的套接字路径。
    send()：发送数据。
    recv()：接收响应。
    close()：关闭套接字。

服务器端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>

#define SOCKET_PATH "/tmp/my_unix_socket"

int main() {
   
    struct sockaddr_un server_addr;
    int server_socket, client_socket;
    socklen_t client_len;
    char buffer[1024];

    // 创建UNIX域套接字
    if ((server_socket = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
   
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path) - 1);

    // 绑定套接字
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
   
        perror("bind");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, 5) == -1) {
   
        perror("listen");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("服务器正在监听...\n");

    while (1) {
   
        // 接受连接
        client_len = sizeof(struct sockaddr_un);
        if ((client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, &client_len)) == -1) {
   
            perror("accept");
            continue;
        }

        printf("连接已建立\n");

        // 接收数据
        ssize_t num_bytes = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (num_bytes > 0) {
   
            buffer[num_bytes] = '\0';
            printf("收到数据: %s\n", buffer);

            // 发送响应
            send(client_socket, "Hello from server", 17, 0);
        }

        close(client_socket);
    }

    close(server_socket);
    unlink(SOCKET_PATH);
    return 0;
}

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>

#define SOCKET_PATH "/tmp/my_unix_socket"

int main() {
   
    struct sockaddr_un server_addr;
    int client_socket;
    char buffer[1024];

    // 创建UNIX域套接字
    if ((client_socket = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
   
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path) - 1);

    // 连接到服务器
    if (connect(client_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
   
        perror("connect");
        close(client_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("已连接到服务器\n");

    // 发送数据
    send(client_socket, "Hello from client", 17, 0);

    // 接收响应
    ssize_t num_bytes = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (num_bytes > 0) {
   
        buffer[num_bytes] = '\0';
        printf("收到响应: %s\n", buffer);
    }

    close(client_socket);
    return 0;
}

C语言网络编程(十六)广播和组播

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