Linux网络编程系列之UDP组播

一、什么是UDP组播

        UDP组播是指使用用户数据报协议（UDP）实现的组播方式。组播是一种数据传输方式，允许单一数据包同时传输到多个接收者。在UDP组播中，一个数据包可以被多个接收者同时接收，这样可以降低网络传输的负载和提高数据传输效率。

二、特性

        1、支持单向的多对多通信：UDP组播可以同时将一个数据包传输给多个接收者，使多个接收者能够同时获取到相同的数据。

        2、不可靠性：跟普通的UDP一样，UDP组播只提供不可靠的数据传输服务。如果某个接收者没有接收到数据包，发送者不会得到任何提示或反馈信息。

        3、可扩展性：UDP组播支持动态加入和退出组播组，能够自适应地处理组播成员的加入和离开（聊天群里的进群和退群操作）。

        4、低延迟：UDP组播传输的数据包不需要在接收方重新组装，可以直接进行处理，因此具有很低的传输延迟。

        5、高效：UDP组播传输的数据包只需要经过一次发送操作，就可以同时传输到多个接收者，可以有效地降低网络传输的负载。

        6、简单易用：UDP组播不需要复杂的配置和管理，使用简单，能够快速搭建起基于组播的多媒体通信系统。

三、使用场景

        1、多媒体流媒体：UDP组播可以在局域网或广域网上传输音视频流，能够快速地向多个接收者发送相同的视频和音频数据，避免了建立多个点对点的连接。

        2、 分布式应用的数据分发：UDP组播可以实现高效的数据分发，例如在大型集群环境下，可以将某些服务的状态信息广播给所有节点，使得所有节点都能够及时了解到最新的信息。

        3、网络游戏：UDP组播可以用于多人联机游戏，使得多个玩家能够同时收到相同的游戏状态和动作，提高游戏体验。

        4、 网络广播：UDP组播可以用于向多个设备广播事件和消息，例如路由器可以向所有连接的设备发送网络配置信息、DHCP服务器可以向所有设备广播IP地址信息等。

        5、实时数据更新：UDP组播可以用于实时的数据更新，例如在金融行业，可以订阅某些财经数据的实时更新，以便及时响应市场变化。

        可以把UDP组播简单理解为群聊。

四、UDP组播通信流程

        1、发送方

        （1）、建立套接字。使用socket()

        （2）、设置端口复用。使用setsockopt()（可选，推荐）

        （3）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()（可以省略）

        （4）、发送数据，接收方IP地址要填写为组播地址。使用sendto()

        （5）、关闭套接字。使用close()

        2、接收方

        （1）、建立套接字。使用socket()

        （2）、定义并初始化一个组播结构体。使用struct  ip_mreq;

        （3）、给套接字加入组播属性。使用setsockopt()

        （4）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()，不可以省略

        （5）、接收数据。使用recvfrom()

        （6）、关闭套接字。使用close()

五、相关函数API

          1、建立套接字

// 建立套接字 
int socket(int domain, int type, int protocol);// 接口说明返回值：成功返回一个套接字文件描述符，失败返回-1参数domain：用来指定使用何种地址类型，有很多，具体看别的资源（1）PF_INET 或者 AF_INET 使用IPV4网络协议（2）其他很多的，看别的资源参数type：通信状态类型选择，有很多，具体看别的资源（1）SOCK_STREAM    提供双向连续且可信赖的数据流，即TCP（2）SOCK_DGRAM     使用不连续不可信赖的数据包连接，即UDP参数protocol：用来指定socket所使用的传输协议编号，通常不用管，一般设为0

           2、设置端口状态

// 设置端口的状态
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);// 接口说明返回值：成功返回0，失败返回-1参数sockfd：待设置的套接字参数level： 待设置的网络层，一般设成为SOL_SOCKET以存取socket层参数optname：待设置的选项，有很多种，具体看别的资源，这里讲常用的（1）、SO_REUSEADDR    允许在bind()过程中本地地址可复用，即端口复用（2）、SO_BROADCAST    使用广播的方式发送，通常用于UDP广播（3）、SO_SNDBUF       设置发送的暂存区大小（4）、SO_RCVBUF       设置接收的暂存区大小（5）、IP_ADD_MEMBERSHIP 设置为组播参数optval：待设置的值参数optlen：参数optval的大小，即sizeof(optval)// 组播结构体
struct ip_mreq
{struct in_addr imr_multiaddr;    // 多播组的IP地址，就是组播的IP地址struct in_addr imr_interface;    // 需要加入到组的IP地址，就是自己的IP地址
};    

         3、绑定IP地址和端口号

// 绑定自己的IP地址和端口号int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);// 接口说明返回值：参数sockfd：待绑定的套接字参数addrlen：参数addr的大小，即sizeof(addr)参数addr：IP地址和端口的结构体，通用的结构体，根据sockfd的类型有不同的定义当sockfd的domain参数指定为IPV4时，结构体定义为struct sockaddr_in{unsigned short int sin_family;    // 需与sockfd的domain参数一致uint16_t sin_port;            // 端口号struct in_addr sin_addr;      // IP地址 unsigned char sin_zero[8];    // 保留的，未使用};struct in_addr{uin32_t s_addr;}
// 注意：网络通信时，采用大端字节序，所以端口号和IP地址需要调用专门的函数转换成网络字节序

         4、字节序转换接口 

// 第一组接口
// 主机转网络IP地址，输入主机IP地址
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);// 主机转网络端口，输入主机端口号
uint16_t htons(uint16_t hostshort);    // 常用// 网络转主机IP，输入网络IP地址
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);// 网络转主机端口，输入网络端口
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);// 第二组接口，只能用于IPV4转换，IP地址
// 主机转网络
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);// 主机转网络
in_addr_t inet_addr(const char *cp);    // 常用// 网络转主机
int_addr_t inet_network(const char *cp);// 网络转主机
char *inet_ntoa(struct in_addr in);    // 常用// 将本地IP地址转为网络IP地址
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
// 参数说明：参数af：选择是哪一种协议族，IPV4还是IPV6参数src：本地IP地址参数dst：将本地IP地址转为网络IP地址存储到这里

           5、发送数据

// UDP协议发送数据
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);// 接口说明返回值：成功返回成功发送的字节数，失败返回-1参数sockfd：发送者的套接字参数buf：发送的数据缓冲区参数len：发送的长度参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源参数dest_addr：接收者的网络地址参数addrlen：接收者的网络地址大小，即sizeof(dest_addr)

         6、接收数据

// UDP协议接收数据
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);// 接口说明：返回值：成功返回成功接收的字节数，失败返回-1参数sockfd：接收者的套接字参数buf：接收数据缓的冲区参数len：接收的最大长度参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源参数src_addr：发送者的网络地址，可以设置为NULL参数addrlen：  发送者的网络地址大小，即sizeof(src_addr)

          7、关闭套接字

// 关闭套接字
int close(int fd);// 接口说明返回值：成功返回0，失败返回-1参数fd：套接字文件描述符

六、案例

       实现UDP组播的演示

        发送端GroupSend.c

// UDP组播发送方的案例#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>#define SEND_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SEND_PORT 10000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用int main(int argc, char *argv[])
{// 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd == -1){perror("socket fail");return -1;}// 2、设置端口复用（推荐）int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));if(ret == -1){perror("setsockopt fail");close(sockfd);return -1;}// 3、绑定自己的IP地址和端口号（可以省略）struct sockaddr_in send_addr = {0};socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);send_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议send_addr.sin_port = htons(SEND_PORT);  // 端口号send_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SEND_IP); // IP地址ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&send_addr, addr_len);if(ret == -1){perror("bind fail");close(sockfd);return -1;}// 4、发送数据，往组播地址uint16_t port = 0;  // 端口号char ip[20] = {0};  // IP地址struct sockaddr_in recv_addr = {0};char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区// 注意输入组播地址，范围是D类网络地址，224.0.0.1~239.255.255.254printf("please input receiver IP and port\n");scanf("%s %hd", ip, &port);printf("IP = %s, port = %hd\n", ip, port);recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定用IPV4地址recv_addr.sin_port = htons(port); // 接收者的端口号recv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);    // 接收者的IP地址while(getchar() != '\n');   // 清空多余的换行符while(1){printf("please input data:\n");fgets(msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), stdin);// 发送数据，注意要填写接收者的地址ret = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&recv_addr, addr_len);if(ret > 0){printf("success: send %d bytes\n", ret);}}// 5、关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

        接收端GroupRecv.c

  

// UDP组播接收方的案例#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>#define RECV_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己的地址#define GROUP_IP   "224.0.0.10"       // 组播地址
#define GROUP_PORT 20000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用int main(int argc, char *argv[])
{// 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd == -1){perror("socket fail");return -1;}// 2、定义并初始化一个组播结构体，设置组播IPstruct ip_mreq vmreq;inet_pton(AF_INET, GROUP_IP, &vmreq.imr_multiaddr); // 初始化组播地址inet_pton(AF_INET, RECV_IP, &vmreq.imr_interface);  // 把自己的地址加入到组中// 3、给套接字加入组播属性int ret = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &vmreq, sizeof(vmreq));if(ret == -1){perror("setsockopt fail");close(sockfd);return -1;}// 4、绑定自己的IP地址和端口号（不可以省略）struct sockaddr_in recv_addr = {0};socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议recv_addr.sin_port = htons(GROUP_PORT);  // 端口号，注意绑定为组播的端口号// recv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(RECV_IP); // IP地址. 写下面的更好recv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本机内所有的IP地址ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&recv_addr, addr_len);if(ret == -1){perror("bind fail");close(sockfd);return -1;}// 4、接收数据uint16_t port = 0;  // 端口号char ip[20] = {0};  // IP地址struct sockaddr_in send_addr = {0};char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区while(1){// 接收数据，注意使用发送者的地址来接收ret = recvfrom(sockfd, msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), 0, (struct sockaddr*)&send_addr, &addr_len);if(ret > 0){memset(ip, 0, sizeof(ip));  // 先清空IPstrcpy(ip, inet_ntoa(send_addr.sin_addr));    // 网络IP转主机IPport = ntohs(send_addr.sin_port); // 网络端口号转主机端口号printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, msg);memset(msg, 0, sizeof(msg));    // 清空数据区}}// 5、关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

      通信演示 

        注：第一幅图只有一台主机，不好演示；第二幅图有两台主机，一台本机，另外一台用ssh连接，实现了组播。

七、总结

       组播是一种数据传输方式，允许单一数据包同时传输到多个接收者。在UDP组播中，一个数据包可以被多个接收者同时接收，这样可以降低网络传输的负载和提高数据传输效率。组播主要应用以群聊的场景。UDP组播的通信流程，跟UDP的广播的通信流程大致相同，但是要注意组播接收方要定义一个组播结构体，然后把自己的IP地址加入到组播中。可以结合案例加深对组播的理解。