第一章: 前言
多播技术，也被称为“组播”，是一种网络通信机制，它允许一个节点（发送者）向一组特定的节点（接收者）发送信息。这种方式在网络编程中非常有用，因为它可以大大提高效率和性能，同时减少网络带宽的使用。
在单播通信中，信息从一个节点发送到另一个节点，而在广播通信中，信息从一个节点发送到网络中的所有节点。多播则介于这两者之间，信息从一个节点发送到一组特定的节点。这种方式特别适合于需要向一组特定的主机发送信息的场景，例如在线视频会议或实时数据共享。
多播的实现依赖于D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。这些地址被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址。主机可以向路由器请求加入或退出某个多播组，然后路由器和交换机会有选择地复制并传输数据，只将数据传输给组内的主机。
多播技术的优点包括：
- 带宽效率：多播允许数据在同一分组的主机之间共享，节省了网络带宽。
- 服务器负载：由于多播协议由接收者的需求来确定是否进行数据流的转发，所以服务器端的带宽是常量，与客户端的数量无关。
- 广域网支持：与广播不同，多播可以在广域网，如Internet上进行。
然而，多播技术也有一些缺点：
- 无纠错机制：多播与单播相比没有纠错机制，当发生错误的时候难以弥补，但是可以在应用层来实现此种功能。
- 网络支持：多播的网络支持存在缺陷，需要路由器及网络协议栈的支持。
总的来说，多播技术是一种强大的网络通信机制，它在许多场景中都非常有用，如网上视频、网上会议等。然而，要有效地使用多播，需要理解其工作原理，并确保网络设备和协议栈正确地支持多播。
第二章: 广域网的多播
多播是一种网络通信机制，它允许一个节点（发送者）向一组节点（接收者）发送信息。这种方式在网络编程中非常有用，因为它可以大大提高效率和性能。
在IP网络中，多播地址被定义为D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。这些地址被划分为三类：
- 局部链接多播地址：这个范围是从224.0.0.0到224.0.0.255。这些地址主要用于网络设备之间的本地通信，例如路由器之间的通信。这些地址的数据包不会被路由器转发到其他网络。
- 预留多播地址：这个范围是从224.0.1.0到238.255.255.255。这些地址可以在全球范围内使用，例如在Internet上。这意味着，如果你的应用程序需要向全球的多个节点发送信息，你可以使用这个范围内的地址。
- 管理权限多播地址：这个范围是从239.0.0.0到239.255.255.255。这些地址类似于私有IP地址，只能在特定的组织或企业内部使用。这些地址的数据包不能在Internet上路由，因此可以用来限制多播的范围。
在使用多播地址时，你需要注意一些事情。首先，你需要确保你的网络设备（如路由器和交换机）支持多播，并且已经正确配置。其次，你需要选择正确的多播地址，以确保你的信息能够正确地发送到目标节点。
希望这个解释能帮助你更深入地理解广域网的多播和多播地址。如果你还有其他问题，欢迎随时向我提问。
第三章: 多播的编程
多播是一种在网络中发送信息的方式，它允许一个节点向一组节点发送信息，而不是单独向每个节点发送。这种方式在网络编程中非常有用，因为它可以大大提高效率和性能。
在多播编程中，我们使用一些特殊的套接字选项来控制多播行为。这些选项通常在IP层设置，因为多播是在IP层实现的。
- IP_MULTICAST_TTL：这个选项用于设置多播数据包的生存时间（TTL）。TTL是一个在0到255之间的值，它决定了数据包可以通过多少个路由器。每当数据包通过一个路由器，其TTL就会减1，当TTL达到0时，数据包就会被丢弃。这个选项可以防止多播数据包在网络中无限制地传播。
- IP_MULTICAST_IF：这个选项用于设置默认的多播接口。多播数据包将从这个接口发送，其他接口将忽略这些数据包。
- IP_MULTICAST_LOOP：这个选项用于控制是否允许多播数据包在本地回环。如果设置为1，数据包将在本地回环；如果设置为0，数据包将不会在本地回环。
- IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP：这两个选项用于控制节点是否加入或离开一个多播组。当一个节点加入一个多播组后，它就可以接收到发送到该组的所有数据包。
在编写多播程序时，我们通常遵循以下步骤：
- 创建一个套接字：我们首先需要创建一个套接字来发送和接收数据。
- 设置多播参数：然后，我们需要设置多播的参数，如TTL和本地回环。
- 加入多播组：接下来，我们需要将节点加入到一个多播组中。
- 发送和接收数据：一旦节点加入了一个多播组，它就可以开始发送和接收数据了。
- 离开多播组：最后，当节点不再需要接收多播数据时，它可以从多播组中离开。
以下是一个使用C++编写的多播编程示例。这个示例中，我们将创建一个发送者和一个接收者，发送者将向一个多播组发送数据，接收者将接收这些数据。
首先，我们创建一个发送者：
#include <iostream> #include <string> #include <cstring> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> int main() { // 创建套接字 int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sock < 0) { std::cerr << "Error creating socket" << std::endl; return -1; } // 设置多播TTL参数 unsigned char ttl = 1; if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, sizeof(ttl)) < 0) { std::cerr << "Error setting multicast TTL" << std::endl; return -1; } // 设置目标地址 sockaddr_in addr; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("239.0.0.1"); // 多播地址 addr.sin_port = htons(12345); // 目标端口 // 发送数据 std::string msg = "Hello, Multicast!"; if (sendto(sock, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) { std::cerr << "Error sending data" << std::endl; return -1; } std::cout << "Data sent to multicast group" << std::endl; return 0; }
然后，我们创建一个接收者：
#include <iostream> #include <cstring> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> int main() { // 创建套接字 int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sock < 0) { std::cerr << "Error creating socket" << std::endl; return -1; } // 绑定到本地地址和端口 sockaddr_in addr; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 任意本地地址 addr.sin_port = htons(12345); // 目标端口 if (bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) { std::cerr << "Error binding socket" << std::endl; return -1; } // 加入多播组 ip_mreq mreq; mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("239.0.0.1"); // 多播地址 mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 任意网络接口 if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) { std::cerr << "Error joining multicast group" << std::endl; return -1; } // 接收数据 char buf[1024]; memset(buf, 0, sizeof(buf)); if (recv(sock, buf, sizeof(buf), 0) < 0) { std::cerr << "Error receiving data" << std::endl; return -1; } std::cout << "Received data: " << buf << std::endl; // 离开多播组 if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) { std::cerr << "Error leaving multicast group" << std::endl; return -1; } return 0; }
第四章：深入理解Linux内核中的多播
在Linux内核中，多播功能是通过一系列精心设计的数据结构和相应的操作来实现的。本章将深入探讨这些数据结构，包括struct ip_mc_socklist、struct ip_mreqn和struct ip_sf_socklist，以及如何通过IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP选项来操作这些数据结构，从而实现多播功能。
4.1 多播的核心数据结构：ip_mc_socklist
在Linux内核中，多播是通过struct ip_mc_socklist数据结构来实现的。这个数据结构连接了多播的各个方面，包括多播的TTL（Time To Live）、是否启用多播回环、多播设备序号、多播地址以及多播群组。
4.2 加入和离开多播组：IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP
在Linux中，我们可以通过IP_ADD_MEMBERSHIP选项来将一个本地IP地址加入到一个多播组。这个过程主要包括将用户数据复制到内核、检查多播IP地址的合法性、查找对应的网络接口、检查多播列表中是否已存在该多播地址，以及将该多播地址加入到列表中。
相反，我们可以通过IP_DROP_MEMBERSHIP选项来将一个本地IP地址从一个多播组中移除。这个过程主要包括将用户数据复制到内核、查找对应的网络接口、检查多播列表中是否已存在该多播地址，以及将该多播地址从源地址和多播列表中移除。
4.3 源过滤：ip_sf_socklist
在Linux内核中，我们可以通过struct ip_sf_socklist数据结构来实现源过滤。这个数据结构包含了一个源地址列表，以及列表中源地址的数量和列表的最大容量。我们可以通过这个数据结构来控制哪些源的多播数据报被接收，哪些源的多播数据报被排除。
通过深入理解这些数据结构和操作，我们可以更好地理解Linux内核中的多播功能，以及如何在我们的应用中使用多播。在下一章中，我们将探讨如何在实际应用中使用Linux的多播功能。
一个多播服务器端的示例
下面是一个改进后的多播服务器端的示例。这个示例程序将持续向多播IP地址"224.0.0.88"的8888端口发送数据"BROADCAST TEST DATA"，每发送一次间隔5s。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <arpa/inet.h> #define MCAST_PORT 8888 #define MCAST_ADDR "224.0.0.88" #define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" #define MCAST_INTERVAL 5 int main(void) { int sockfd; struct sockaddr_in mcast_addr; // 创建套接字 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sockfd == -1) { perror("socket"); exit(EXIT_FAILURE); } // 初始化多播地址 memset(&mcast_addr, 0, sizeof(mcast_addr)); mcast_addr.sin_family = AF_INET; mcast_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); mcast_addr.sin_port = htons(MCAST_PORT); // 循环发送多播数据 while (1) { int n = sendto(sockfd, MCAST_DATA, sizeof(MCAST_DATA), 0, (struct sockaddr*)&mcast_addr, sizeof(mcast_addr)); if (n == -1) { perror("sendto"); exit(EXIT_FAILURE); } // 等待一段时间 sleep(MCAST_INTERVAL); } close(sockfd); return 0; }
这个程序的流程如下：
- 创建套接字。
- 初始化多播地址。
- 设置协议族为AF。
- 设置多播IP地址。
- 设置多播端口。
- 开始循环，向多播地址发送数据。
- 等待一段时间。
- 回到步骤6。
这个程序的改进之处在于，它更加简洁，更加注重错误处理，确保在发生错误时能够及时退出并给出错误信息。同时，它也更加注重资源管理，确保在程序结束时关闭套接字。
一个多播客户端的示例
下面是一个改进后的多播客户端的示例。这个示例程序将加入多播组"224.0.0.88"，监听端口8888，接收并打印出从多播组收到的数据。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <arpa/inet.h> #define MCAST_PORT 8888 #define MCAST_ADDR "224.0.0.88" #define MCAST_INTERVAL 5 #define BUFF_SIZE 256 int main(void) { int sockfd; struct sockaddr_in local_addr; struct ip_mreq mreq; char buff[BUFF_SIZE]; int n; // 创建套接字 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sockfd == -1) { perror("socket"); exit(EXIT_FAILURE); } // 初始化本地地址 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 if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) == -1) { perror("bind"); exit(EXIT_FAILURE); } // 设置回环许可 int loop = 1; if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP, &loop, sizeof(loop)) == -1) { perror("setsockopt: IP_MULTICAST_LOOP"); exit(EXIT_FAILURE); } // 加入多播组 mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_ADDR); mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) == -1) { perror("setsockopt: IP_ADD_MEMBERSHIP"); exit(EXIT_FAILURE); } // 循环接收多播组的消息 for (int times = 0; times < 5; times++) { socklen_t addr_len = sizeof(local_addr); memset(buff, 0, BUFF_SIZE); n = recvfrom(sockfd, buff, BUFF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&local_addr, &addr_len); if (n == -1) { perror("recvfrom"); exit(EXIT_FAILURE); } // 打印信息 printf("Recv %dst message from server: %s\n", times, buff); // 等待一段时间 sleep(MCAST_INTERVAL); } // 退出多播组 if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) == -1) { perror("setsockopt: IP_DROP_MEMBERSHIP"); exit(EXIT_FAILURE); } close(sockfd); return 0; }
这个程序的流程如下：
- 创建套接字。
- 初始化本地地址。
- 绑定socket。
- 设置回环许可。
- 加入多播组。
- 开始循环，接收数据。
- 打印信息。
- 等待一段时间。
