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#include #include #include #include #include #include #include #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，224.0.0.1~239.255.255.254 printf("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#include #include #include #include #include #include #include #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IP struct 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IP strcpy(ip, inet_ntoa(send_addr.sin_addr)); // 网络IP转主机IP port = 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。