广播与多播
- 多播支持在IPv4中是可选的，在IPv6中却是必需的。
- IPv6不支持广播。使用广播的任何IPv4应用程序一旦移植到IPv6就必须改用多播重新编写。
- 广播和多播要求用于UDP或原始IP，它们不能用于TCP。
广播
广播的用途之一是在本地子网定位一个服务器主机，前提是已知或认定这个服务器主机位于本地子网，但是不知道它的单播IP地址。这种操作也称为资源发现。
源自Berkeley的内核不允许对广播数据报执行分片。对于目的地址是广播地址的IP数据报，如果其大小超过外出接口的MTU，发送它的系统调用将返回EMSGSIZE错误。（这样的理由感觉上是由于既然广播已经施加给网络相当大的负担，再因分片而造成这个负担倍乘片段的数量就更不应该。）
地址
使用记法{子网ID，主机ID}表示一个IPv4地址，其中子网ID表示由子网掩码覆盖的连续位，主机ID表示以外的位。例如IP为192.168.1.99/22的主机，其广播地址为192.168.3.255。
示例图
- 广播分组去往子网上的所有主机，包括发送主机自身。
- 子网上未参加相应广播应用的所有主机也不得不沿协议栈一路向上完整地处理收取的UDP广播数据报，直到该数据报历经UDP层时被丢弃为止。另外，子网上所有非IP的主机也不得不在数据链路层接收完整的帧（对于IPv4，分组就是0x0800），然后再丢弃它。
广播示例：程序可能永远阻塞
将文章UDP客户/服务器中的回射服务的客户端中的dg_cli函数改写为使用广播，完整的客户端例子如下：
#include " );
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
dg_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
exit(0);
}结果：
test@test:~$ ./udpcli 192.168.3.255
123456
reply from 192.168.1.96:8755 : 123456
reply from 192.168.1.98:8755 : 123456
abcdefg
reply from 192.168.1.96:8755 : abcdefg
reply from 192.168.1.98:8755 : abcdefg
当涉及信号处理时，往往会出现另一种类型的竞争状态。发生问题的原因在于信号会在程序执行过程中由内核随时随地递交。例如上述程序中，如果某一时刻，程序刚好成功执行完recvfrom后，此时alarm触发SIGALRM信号，会导致程序永远阻塞在recvfrom上
改进dg_cli函数（不正确）：阻塞和解阻塞信号
此种方式改进仅仅是减少了上述问题出现的概率，但仍有可能出现。
void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen) {
int n;
const int on = 1;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE+1], buf[MAXLINE];
socklen_t len;
struct sockaddr *preply_addr;
sigset_t sigset_alrm;
/* 初始化信号集 */
sigemptyset(&sigset_alrm);
sigaddset(&sigset_alrm, SIGALRM);
/* 设置套接字选项、分配服务器地址空间、安装SIGALRM信号处理函数 */
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on)); // POSIX规范要求发送广播数据报必须设置该选项
preply_addr = malloc(servlen);
Signal(SIGALRM, sig_alrm);
/* 发送广播数据报 */
while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);
/* 5s内接收所有广播应答
* （如果某一时刻，程序刚好成功执行完recvfrom后未执行sigprocmask，此时触发SIGALRM信号，程序仍会永远阻塞在recvfrom上） */
alarm(5);
for ( ; ; ) {
len = servlen;
/* 限制SIGALRM信号只能在“解阻塞”与“阻塞”之间执行时被内核递交，但仍存在程序永远阻塞在recvfrom上的可能性 */
sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigset_alrm, NULL); // 解阻塞SIGALRM信号
n = recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, preply_addr, &len);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigset_alrm, NULL); // 阻塞SIGALRM信号
if (n < 0) {
if (errno == EINTR)
break; /* waited long enough for replies */
else
error_exit("recvfrom error");
} else {
recvline[n] = 0;
printf("reply from %s:%d : %s",
inet_ntop(AF_INET, &((struct sockaddr_in *)preply_addr)->sin_addr, buf, sizeof(buf)),
ntohs(((struct sockaddr_in *)preply_addr)->sin_port),
recvline);
}
}
}
free(preply_addr);
}改进dg_cli函数：用pselect阻塞和解阻塞信号
pselect是一个POSIX函数，在调用进程看来，pselect的操作是一个原子操作。
#include 改进dg_cli函数：用sigsetjmp和siglongjmp
解决竞争状态问题的另一个正确办法并非利用信号处理函数中断被阻塞系统调用的能力，而是从信号处理函数中调用siglongjmp（nonlocal goto 非局部跳转）。
#include 改进dg_cli函数：用进程间通信（IPC）
解决竞争状态的另一个办法如下：不是让信号处理函数简单的返回并期望该返回能够中断阻塞中的recvfrom，而是让信号处理函数使用管道通知主控函数dg_cli定时器已到时。
static int pipefd[2];
static void sig_alarm_pipe(int signo) {
write(pipefd[1], "", 1); // write one null byte to pipe
return;
}
void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen) {
int n, maxfdp1;
const int on = 1;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE+1], buf[MAXLINE];
fd_set rset;
socklen_t len;
struct sockaddr *preply_addr;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on));
preply_addr = malloc(servlen);
Signal(SIGALRM, sig_alarm_pipe);
pipe(pipefd); // 创建一个Unix管道，返回两个描述符。pipefd[0]是读入端，pipefd[1]是写出端。
FD_ZERO(&rset);
maxfdp1 = MAX(sockfd, pipefd[0]) + 1;
while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);
alarm(5);
for ( ; ; ) {
/* 对套接字和管道读入端进行select */
FD_SET(sockfd, &rset);
FD_SET(pipefd[0], &rset);
if ( (n = select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL)) < 0) {
if (errno == EINTR)
continue;
else
error_exit("select error");
}
/* 从套接字读 */
if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {
len = servlen;
n = recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, preply_addr, &len);
recvline[n] = 0; /* null terminate */
printf("reply from %s:%d : %s",
inet_ntop(AF_INET, &((struct sockaddr_in *)preply_addr)->sin_addr, buf, sizeof(buf)),
ntohs(((struct sockaddr_in *)preply_addr)->sin_port),
recvline);
}
/* 从管道读 */
if (FD_ISSET(pipefd[0], &rset)) {
read(pipefd[0], &n, 1); /* timer expired */
break;
}
}
}
free(preply_addr);
}多播
单播地址标识单个IP接口，广播地址标识某个子网的所有IP接口，多播地址标识一组IP接口。多播数据报只应该由对它感兴趣的接口接收。另外，广播一般局限于局域网内使用，而多播则既可用于局域网，也可跨广域网使用。大多数系统不允许对广播数据报执行分片，对于多播数据报无此限制。
IPv4多播地址
IPv4的D类地址（从224.0.0.0到239.255.255.255）是IPv4多播地址。D类地址的低序28位构成多播组ID（group ID），整个32位地址则称为组地址（group address）。
- 224.0.0.1是所有主机（all-hosts）组。
- 224.0.0.2是所有路由器（all-routers）组。
- 224.0.0.0/24之间的地址称为链路局部的（link local）多播地址。
IPv4首部中的TTL字段兼用作多播范围字段：
0--接口局部；
1--链路局部；
2~32--网点局部；
33~64--地区局部；
65~128--大洲局部；
129~255--全球。
IPv6多播地址
- ff01::1和ff02::1是所有节点（all-nodes）组。
- ff01::2、ff02::2和ff05::2是所有路由器（all-routers）组。
IPv6多播地址显式存在一个4位的范围（scope）字段，用于指定多播数据报能够游走的范围。下面是部分已经分配给范围字段的值：
1--接口局部（interface-local）；
2--链路局部（link-local）；
4--管区局部（admin-local）；
5--网点局部（site-local）；
8--组织机构局部（organization-local）；
14--全球（global）。
局域网IPv4多播示例图
- 右侧主机上的接收应用进程启动，并创建一个UDP套接字，捆绑端口123到该套接字上，然后加入多播组224.0.1.1。
- 左侧主机上的发送应用进程创建一个UDP套接字，往IP地址224.0.1.1的123端口发送一个数据报。（发送应用进程不必加入多播组）
多播套接字选项
IPv4多播示例：回射服务
将上述广播示例中dg_cli函数中的setsockopt调用去掉即可。如果外出接口、TTL和回馈选项的默认设置为可接受，那么发送多播数据报无需设置任何多播套接字选项。指定所有主机组为服务器地址的测试如下：
test@test:~$ ./udpcli 224.0.0.1
123456789
reply from 192.168.1.96:8755 : 123456789
reply from 192.168.1.98:8755 : 123456789
abcdefgh
reply from 192.168.1.96:8755 : abcdefgh
reply from 192.168.1.98:8755 : abcdefgh
IPv4多播示例：发送与接收
下述程序是一个既发送又接收多播数据报的程序。该程序包含两个部分：第一部分每1s发送一个目的地为指定组的多播数据报，其中含有发送进程的主机信息和进程ID；第二部分是一个无限循环，先加入由第一部分发往的多播组，再显示接收到的每个数据报。下述测试在两台主机同时启动此程序。
#include " );
/* 创建两个数据报套接字，一个用于发送，一个用于接收。 */
sendfd = udp_client(argv[1], argv[2], &sasend, &salen); // 支持主机名或服务名用作参数
recvfd = socket(sasend->sa_family, SOCK_DGRAM, 0);
/* 给接收套接字捆绑多播组和端口，例如239.255.1.2:8888 */
setsockopt(recvfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)); // 允许重用本地地址（即使存在连接也可重新绑定端口）
sarecv = malloc(salen);
memcpy(sarecv, sasend, salen);
bind(recvfd, sarecv, salen);
/* 接收套接字加入多播组 */
mcast_join(recvfd, sasend, salen, NULL, 0);
/* 禁止外出多播数据报的本地自环（回馈）。默认开启 */
mcast_set_loop(sendfd, 0);
/* 子进程不停接收数据报 */
if (fork() == 0)
recv_all(recvfd, salen);
/* 父进程不停发送数据报 */
send_all(sendfd, sasend, salen);
free(sarecv);
exit(0);
}主机1结果：
host1@host1:~$ ./multicast 239.255.1.2 8888
reply from 192.168.1.98:56962 : 3.19.0-79-generic, 11410
reply from 192.168.1.98:56962 : 3.19.0-79-generic, 11410
reply from 192.168.1.98:56962 : 3.19.0-79-generic, 11410
reply from 192.168.1.98:56962 : 3.19.0-79-generic, 11410
reply from 192.168.1.98:56962 : 3.19.0-79-generic, 11410
主机2结果：
host2@host2:~$ ./multicast 239.255.1.2 8888
reply from 192.168.1.96:44145 : 3.13.0-96-generic, 10386
reply from 192.168.1.96:44145 : 3.13.0-96-generic, 10386
reply from 192.168.1.96:44145 : 3.13.0-96-generic, 10386
reply from 192.168.1.96:44145 : 3.13.0-96-generic, 10386
reply from 192.168.1.96:44145 : 3.13.0-96-generic, 10386