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UDP 单播、多播、广播：原理、实践

一、引言

在计算机网络通信领域，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种重要的传输层协议。它以无连接、低开销的特点，在众多实时性要求高的应用场景中发挥关键作用。UDP 支持单播、多播和广播三种通信模式，每种模式都有其独特的应用场景和工作原理。深入理解这些通信模式，对于开发高效的网络应用程序至关重要。

二、UDP 基础概述

UDP 是一种无连接的传输层协议，它在网络层 IP 协议的基础上，为应用层提供了简单的数据传输服务。与面向连接的 TCP（Transmission Control Protocol）协议不同，UDP 不保证数据的可靠传输、顺序交付以及数据的完整性。然而，UDP 的这些特性使得它在一些对实时性要求较高，对数据准确性要求相对较低的场景中具有显著优势，如实时音频和视频流、在线游戏、网络管理等。

UDP 数据报由首部和数据两部分组成。首部长度固定为 8 字节，包含四个字段：

源端口号（16 位）：标识发送端应用程序的端口，用于接收端回发数据。
目的端口号（16 位）：标识接收端应用程序的端口，用于确定数据的接收方。
长度（16 位）：UDP 数据报的总长度，包括首部和数据部分，最小值为 8 字节（仅首部）。
校验和（16 位）：用于检测数据报在传输过程中是否发生错误，但校验和是可选的，若不使用则该字段设为全零。

三、UDP 单播

3.1 概念描述

UDP 单播是一种一对一的通信方式，发送端向特定的一个接收端发送数据。在这种通信模式下，发送端在 UDP 数据报的首部中明确指定接收端的 IP 地址和端口号。网络设备根据数据报中的目的 IP 地址，通过路由算法将数据报转发到目标接收端。单播通信的特点是数据传输的针对性强，只有目标接收端能够接收到数据，适用于大多数需要精确通信的场景，如客户端 - 服务器模型的应用程序。

3.2 示例代码实现

3.2.1 发送端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

    // 设置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

    char *msg = "Hello, Server!";
    sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("Message sent to server: %s\n", msg);

    close(sockfd);
    return 0;
}

3.2.2 接收端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    // 设置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到地址
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
    buffer[n] = '\0';
    printf("Message received from client: %s\n", buffer);

    close(sockfd);
    return 0;
}

3.3 编译和测试过程

编译
- 在终端中，切换到包含 udp_unicast_sender.c 和 udp_unicast_receiver.c 文件的目录。
- 编译发送端代码：gcc -o udp_unicast_sender udp_unicast_sender.c
- 编译接收端代码：gcc -o udp_unicast_receiver udp_unicast_receiver.c
测试
- 首先在一个终端中运行接收端程序：./udp_unicast_receiver
- 然后在另一个终端中运行发送端程序：./udp_unicast_sender
- 接收端将显示接收到的消息：Message received from client: Hello, Server!

四、UDP 广播

4.1 概念描述

UDP 广播是一种一对所有的通信方式，发送端向网络中的所有设备发送数据。广播地址分为两种类型：有限广播和直接广播。

有限广播：使用地址 255.255.255.255，它是一种受限的广播地址，仅在本地网络内进行广播，路由器不会转发以有限广播地址为目的地址的数据包。
直接广播：网络地址的主机位全为 1 的地址。例如，对于网络 192.168.1.0/24，其直接广播地址为 192.168.1.255。直接广播数据包可以被路由器转发到指定网络的所有主机。

4.2 原理

4.2.1 有限广播原理

发送端
- 发送端创建 UDP 套接字，并设置套接字选项以允许广播（setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable))），其中 broadcastEnable 为一个非零值，通常设为 1。
- 构造 UDP 数据报，将目的 IP 地址设置为 255.255.255.255，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数发送数据报，数据报将在本地网络内广播，所有监听该端口的设备都能接收。
接收端
- 接收端创建 UDP 套接字，并绑定到指定的端口号。
- 使用 recvfrom 函数接收数据报，当有广播数据到达时，接收端就能接收到。

4.2.2 直接广播原理

发送端
- 同样，发送端先创建 UDP 套接字并设置允许广播选项。
- 构造 UDP 数据报时，将目的 IP 地址设置为目标网络的直接广播地址，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数发送数据报，路由器会将该数据报转发到目标网络的所有主机。
接收端
- 接收端在目标网络内，创建 UDP 套接字并绑定到指定端口号。
- 使用 recvfrom 函数接收数据报，接收来自发送端的广播数据。

4.3 流程示意图

4.3.1 有限广播流程示意图

设置套接字为广播模式

发送有限广播数据报

广播数据

发送端

构造有限广播数据报目的地址255.255.255.255

本地网络

接收端1

接收端2

接收端3

4.3.2 直接广播流程示意图

设置套接字为广播模式

发送直接广播数据报

路由器转发数据报

广播数据

发送端

构造直接广播数据报目的地址目标网络广播地址

网络含路由器

目标网络

接收端1

接收端2

接收端3

4.4 示例代码实现

4.4.1 有限广播发送端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define LIMITED_BROADCAST_IP "255.255.255.255"
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int broadcastEnable = 1;
    // 设置套接字选项以允许广播
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {
        perror("setsockopt failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

    // 设置有限广播地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(LIMITED_BROADCAST_IP);

    char *msg = "Hello, Local Network!";
    sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("Limited broadcast message sent: %s\n", msg);

    close(sockfd);
    return 0;
}

4.4.2 有限广播接收端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    // 设置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到地址
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
    buffer[n] = '\0';
    printf("Limited broadcast message received: %s\n", buffer);

    close(sockfd);
    return 0;
}

4.4.3 直接广播发送端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define DIRECT_BROADCAST_IP "192.168.1.255"
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int broadcastEnable = 1;
    // 设置套接字选项以允许广播
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {
        perror("setsockopt failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

    // 设置直接广播地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DIRECT_BROADCAST_IP);

    char *msg = "Hello, 192.168.1.0 Network!";
    sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("Direct broadcast message sent: %s\n", msg);

    close(sockfd);
    return 0;
}

4.4.4 直接广播接收端代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    // 设置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到地址
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
    buffer[n] = '\0';
    printf("Direct broadcast message received: %s\n", buffer);
	close(sockfd);
	return 0;
}

4.5 编译和测试过程

编译
- 有限广播
  - 在终端中，切换到包含 udp_limited_broadcast_sender.c 和 udp_limited_broadcast_receiver.c 文件的目录。
  - 编译发送端代码：gcc -o udp_limited_broadcast_sender udp_limited_broadcast_sender.c
  - 编译接收端代码：gcc -o udp_limited_broadcast_receiver udp_limited_broadcast_receiver.c
- 直接广播
  - 切换到包含 udp_direct_broadcast_sender.c 和 udp_direct_broadcast_receiver.c 文件的目录。
  - 编译发送端代码：gcc -o udp_direct_broadcast_sender udp_direct_broadcast_sender.c
  - 编译接收端代码：gcc -o udp_direct_broadcast_receiver udp_direct_broadcast_receiver.c
测试
- 有限广播
  - 首先在本地网络内的多个终端中运行接收端程序：./udp_limited_broadcast_receiver
  - 然后在另一个终端中运行发送端程序：./udp_limited_broadcast_sender
  - 每个接收端都将显示接收到的有限广播消息：Limited broadcast message received: Hello, Local Network!
- 直接广播
  - 在目标网络（192.168.1.0/24 为例）内的多个终端中运行接收端程序：./udp_direct_broadcast_receiver
  - 在可以向该目标网络发送直接广播的设备上运行发送端程序：./udp_direct_broadcast_sender
  - 目标网络内的每个接收端都将显示接收到的直接广播消息：Direct broadcast message received: Hello, 192.168.1.0 Network!

五、UDP 多播

5.1 概念描述

UDP 多播（也称为组播）是一种一对多的通信方式，发送端向一组特定的接收端发送数据。这组接收端通过加入同一个多播组来接收数据。多播使用 D 类 IP 地址（范围是 224.0.0.0 到 239.255.255.255）来标识多播组。发送端将数据发送到多播组的 IP 地址，网络会将数据转发给组内的所有成员。多播适用于一些需要向特定的一组设备发送相同数据的场景，如在线视频会议、流媒体分发等。与广播不同，多播不会向网络中的所有设备发送数据，只有加入了相应多播组的设备才会接收数据，这样可以减少网络流量，提高传输效率。

5.2 原理

发送端
- 发送端创建 UDP 套接字。
- 构造 UDP 数据报时，将目的 IP 地址设置为多播组的 IP 地址，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数将数据报发送出去，网络会根据多播路由协议将数据转发到多播组的成员。发送端不需要关心组内成员的具体 IP 地址，只需要知道多播组的地址。
接收端
- 接收端创建 UDP 套接字，并绑定到指定的端口号。
- 为了加入多播组，接收端需要使用 setsockopt 函数设置套接字选项。具体来说，需要设置 IP_ADD_MEMBERSHIP 选项，代码如下：

struct ip_mreq mreq;
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);
mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;
if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {
    perror("setsockopt failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

这里，mreq 结构体包含多播组的 IP 地址和本地接口地址。通过设置 IP_ADD_MEMBERSHIP 选项，接收端通知操作系统将该套接字加入指定的多播组。之后，接收端使用 recvfrom 函数接收数据报，就能接收到发往该多播组的所有数据。

5.3 流程示意图

构造多播数据报

多播数据

转发多播数据