如何创建组播应用程序(一)

本文试图成为学习TCP/IP网络组播技术的入门材料。文中介绍了组播通信的概念及原理，以及用于组播应 用编程的 Linux API的详细资料。为了使读者更加完整的了解Linux 组播的整体概念，文中对实现该技术的核 心函数也做了介绍。在文章的最后给出了一个简单的C语言套接字编程例子，说明如何创建组播应用程序。 　　 　　　　一、导言 　　 　　　　在网络中，主机间可以用三种不同的地址进行通信： 　　 　　　　单播地址（unicast）：即在子网中主机的唯一地址（接口）。如IP地址：192.168.100.9或MAC地址： 80:C0:F6:A0:4A:B1。 　　 　　　　广播地址：这种类型的地址用来向子网内的所有主机（接口）发送数据。如广播IP地址是192.168.100.255 ，MAC广播地址：FF:FF:FF:FF:FF。 　　 　　　　组播地址：通过该地址向子网内的多个主机即主机群（接口）发送数据。 　　 　　　　如果只是向子网内的部分主机发送报文，组播地址就很有用处了；在需要向多个主机发送多媒体信息 （如实时音频、视频）的情况下，考虑到其所需的带宽，分别向每一客户端主机发送数据并不是个好办法，如 果发送主机与某些接收端的客户主机不在子网之内，采用广播方式也不是一个好的解决方案。 　　 　　　　二、组播地址 　　 　　　　大家知道，IP地址空间被划分为A、B、C三类。第四类即D类地址被保留用做组播地址。在第四版的IP 协议（IPv4）中，从224.0.0.0到239.255.255.255间的所有IP地址都属于D类地址。 　　 　　　　组播地址中最重要的是第24位到27位间的这四位，对应到十进制是224到239，其它28位保留用做组 播的组标识，如下图所示： 　　　  　　图1 组播地址示意图 　　 　　　　IPv4的组播地址在网络层要转换成网络物理地址。对一个单播的网络地址，通过ARP协议可以获取 与IP地址对应的物理地址。但在组播方式下ARP协议无法完成类似功能，必须得用其它的方法获取物理地址。 在下面列出的RFC文档中提出了完成这个转换过程的方法： 　　 　　RFC1112：Multicast IPv4 to Ethernet physical address correspondence  　　RFC1390：Correspondence to FDDI  　　RFC1469：Correspondence to Token-Ring networks 　　 　　　　在最大的以太网地址范围内，转换过程是这样的：将以太网地址的前24位最固定为01:00:5E，这几位 是重要的标志位。紧接着的一位固定为0，其它23位用IPv4组播地址中的低23位来填充。该转换过程如下图所示： 　　  　　图2 地址转换示意图 　　 　　　　例如，组播地址为224.0.0.5其以太网物理地址为01:00:5E:00:00:05。 　　 　　　　还有一些特殊的IPv4组播地址： 　　 　　　　224.0.0.1：标识子网中的所有主机。同一个子网中具有组播功能的主机都是这个组的成员。 　　 　　　　224.0.0.2：该地址用来标识网络中每个具有组播功有的路由器。 　　 　　　　224.0.0.0----224.0.0.255范围内的地址被分配给了低层次的协议。向这些范围内的地址发送数据包， 有组播功能的路由器将不会为其提供路由。 　　 　　　　239.0.0.0----239.255.255.255间的地址分配用做管理用途。这些地址被分配给局部的每一个组织， 但不可以分配到组织外部，组织内的路由器不向在组织外的地址提供路由。 　　 　　　　除了上面列出的部分组播地址外，还有许多的组播地址。在最新版本的RFC文档“Assinged Numbers” 中有完整的介绍。 　　 　　　　下面的表中列出了全部的组播地址空间，同时还列出了相应的地址段的常用名称及其TTL（IP包的 活时间）。在IPv4组播方式下，TTL有双重意义：正如大家所知的，TTL原本用来控制数据包在网络中的存活时 间，防止由于路由器配置错误导致出现数据包传播的死循环；在组播方式下，它还代表了数据包的活动范 围，如：数据包在网络中能够传送多远？这样就可以基于数据包的分类来定义其传送范围。 　　 　　　　范围 TTL 地址区间 描述 　　 　　　　节点(Node) 0 只能向本机发送的数据包，不能向网络中的其它接口传送 　　 　　　　链路(Link) 1 224.0.0.0-224.0.0.255 只能在发送主机所在的一个子网内的传送，不会通过路由器转发。 　　 　　　　部门 32 239.255.0.0-239.255.255.255 只在整个组织下的一个部门内(Department) 传送 　　 　　　　组织 64 239.192.0.0--239.195.255.255 在整个组织内传送(Organization) 　　 　　　　全局(Global)255 224.0.1.0--238.255.255.255 没有限制，可全局范围内传送 　　 　　　　三、组播的工作过程 　　 　　　　在局域网内，主机的网络接口将到目的主机的数据包发送到高层，这些数据包中的目的地址是物理接口地 址或广播地址。 　　 　　　　如果主机已经加入到一个组播组中，主机的网络接口就会识别出发送到该组成员的数据包。 　　 　　　　因此，如果主机接口的物理地址为80:C0:F6:A0:4A:B1，其加入的组播组为224.0.1.10，则发送给主机的数 据包中的目的地址必是下面三种类型之一： 　　 　　　　接口地址：80:C0:F6:A0:4A:B1 　　 　　　　广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF:FF:FF 　　 　　　　组播地址：01:00:5E:00:01:0A 　　 　　　　广域网中，路由器必须支持组播路由。当主机中运行的进程加入到某个组播组中时，主机向子网中的所 有组播路由器发送IGMP（Internet分组管理协议）报文，告诉路由器凡是发送到这个组播组的组播报文都必须发 送到本地的子网中，这样主机的进程就可以接收到报文了。子网中的路由器再通知其它的路由器，这些路由器就 知道该将组播报文转发到哪些子网中去。 　　 　　　　子网中的路由器也向224.0.0.1发送一个IGMP报文（224.0.0.1代表组中的全部主机），要求组中的主 机提供组的相关信息。组中的主机收到这个报文后，都各将计数器的值设为随机值，当计数器递减为0 时再向路 由器发送应答。这样就防止了组中所有的主机同时向路由器发送应答，造成网络拥塞。主机向组播地址发送一 个报文做为对路由器的应答，组中的其它主机一旦看到这个应答报文，就不再发送应答报文了，因为组中的主 机向路由器提供的都是相同的信息，所以子网路由器只需得到组中一个主机提供的信息就可以了。 　　 　　　　如果组中的主机都退出了，路由器就收不到应答，因此路由器认为该组目前没有主机加入，遂停止到 该子网报文的路由。IGMPv2的解决方案是：组中的主机在退出时向224.0.0.2 发送报文通知组播路由器。 　　 　　　　四、应用编程接口（API） 　　 　　　　如果你有套接字编程的经验，就会发现，对组播选项所进行的操作只需五个新的套接字操作。函数 setsockopt()及getsockopt()用来建立和读取这五个选项的值。下表中列出了组播的可选项，并列出其数据类型和描述： 　　 　　　　IPv4 选项 数据类型 描 述 　　 　　　　IP_ADD_MEMBERSHIP struct ip_mreq 加入到组播组中 　　 　　　　IP_ROP_MEMBERSHIP struct ip_mreq 从组播组中退出 　　 　　　　IP_MULTICAST_IF struct ip_mreq 指定提交组播报文的接口 　　 　　　　IP_MULTICAST_TTL u_char 指定提交组播报文的TTL 　　 　　　　IP_MULTICAST_LOOP u_char 使组播报文环路有效或无效 　　 　　　　在头文件中定义了ip_mreq结构： 　　 　　struct ip_mreq { 　　struct in_addr imr_multiaddr; /* IP multicast address of group */ 　　struct in_addr imr_interface; /* local IP address of interface */ 　　}; 　　 　　　　在头文件中组播选项的值为： 　　 　　#define IP_MULTICAST_IF 32 　　#define IP_MULTICAST_TTL 33 　　#define IP_MULTICAST_LOOP 34 　　#define IP_ADD_MEMBERSHIP 35 　　#define IP_DROP_MEMBERSHIP 36 　　IP_ADD_MEMBERSHIP 　　 　　　　若进程要加入到一个组播组中，用soket的setsockopt()函数发送该选项。该选项类型是ip_mreq 结构，它的第一个字段imr_multiaddr指定了组播组的地址，第二个字段imr_interface指定了接口的IPv4地址。 　　 　　　　IP_DROP_MEMBERSHIP 　　 　　　　该选项用来从某个组播组中退出。数据结构ip_mreq的使用方法与上面相同。 　　 　　　　IP_MULTICAST_IF 　　 　　　　该选项可以修改网络接口，在结构ip_mreq中定义新的接口。 　　 　　　　IP_MULTICAST_TTL 　　 　　　　设置组播报文的数据包的TTL（生存时间）。默认值是1，表示数据包只能在本地的子网中传送。 　　 　　　　IP_MULTICAST_LOOP 　　 　　　　组播组中的成员自己也会收到它向本组发送的报文。这个选项用于选择是否激活这种状态。 　　 　　　　五、一个组播通信的例子 　　 　　　　下面给出一个简单的例子实现文中阐述的思想：由一个进程向一个组播组发送报文，组播组中 的相关进程接收报文，并将报文显示到屏幕上。 　　 　　　　下面的代码实现了一个服务进程，它将标准输入接口输入的信息全部发送到组播组224.0.1.1。 你会发现，将信息发送到组播组不需要特别的操作，只要设置好组播组的目的地址就足够了。若在开发过 程中，Loopback和TTL这两个选项的默认值不适合应用程序，可以加以调整。 　　 　　　　服务程序 　　 　　　　将标准输入端口的输入发送到组播组224.0.1.1。 　　 　　#include  　　#include  　　#include  　　#include  　　#include  　　#include  　　#define MAXBUF 256 　　#define PUERTO 5000 　　#define GRUPO "224.0.1.1" 　　int main(void) { 　　int s; 　　struct sockaddr_in srv; 　　char buf; 　　bzero(&srv, sizeof(srv)); 　　srv.sin_family = AF_INET; 　　srv.sin_port = htons(PUERTO); 　　if (inet_aton(GRUPO, &srv.sin_addr) < 0) { 　　perror("inet_aton"); 　　return 1; 　　} 　　if ((s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) { 　　perror("socket"); 　　return 1; 　　} 　　while (fgets(buf, MAXBUF, stdin)) { 　　if (sendto(s, buf, strlen(buf), 0, 　　(struct sockaddr *)&srv, sizeof(srv)) < 0) { 　　perror("recvfrom"); 　　} else { 　　fprintf(stdout, "Enviado a %s: %s 　　", GRUPO, buf); 　　} 　　} 　　} 　　 　　　　客户端程序 　　 　　　　下面的代码是客户端程序，它负责接收由服务程序发送到组播组中的信息，将收到的报文在标准 输出设备中显示。程序中唯一与接收UDP报文过程不同是它设置了IP_ADD_MEMBERSHIP选项。 　　 　　#include  　　#include  　　#include  　　#include  　　#include  　　#define MAXBUF 256 　　#define PUERTO 5000 　　#define GRUPO "224.0.1.1" 　　int main(void) { 　　int s, n, r; 　　struct sockaddr_in srv, cli; 　　struct ip_mreq mreq; 　　char buf; 　　bzero(&srv, sizeof(srv)); 　　srv.sin_family = AF_INET; 　　srv.sin_port = htons(PUERTO); 　　if (inet_aton(GRUPO, &srv.sin_addr) < 0) { 　　perror("inet_aton"); 　　return 1; 　　} 　　if ((s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) { 　　perror("socket"); 　　return 1; 　　} 　　if (bind(s, (struct sockaddr *)&srv, sizeof(srv)) < 0) { 　　perror("bind"); 　　return 1; 　　} 　　if (inet_aton(GRUPO, &mreq.imr_multiaddr) < 0) { 　　perror("inet_aton"); 　　return 1; 　　} 　　mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 　　if (setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq)) 　　< 0) { 　　perror("setsockopt"); 　　return 1; 　　} 　　n = sizeof(cli); 　　while (1) { 　　if ((r = recvfrom(s, buf, MAXBUF, 0, (struct sockaddr *) 　　&cli, &n)) < 0) { 　　perror("recvfrom"); 　　} else { 　　buf = 0; 　　fprintf(stdout, "Mensaje desde %s: %s 　　", 　　inet_ntoa(cli.sin_addr), buf); 　　} 　　} 　　} 　　 　　　　六、内核与组播 　　 　　　　在上面的例子中我们看到：如果一个进程要加入到组播组中，就要使用setsockopt（）函数在IP 层设置IP_ADD_MEMBERSHIP。  　　 　　在/usr/src/linux/net/ipv4/ip_sockglue.c文件中可以找见该函数的源代码。 其中设置IP_ADD_MEMBERSHIP 和IP_DROP_MEMBERSHIP的部分代码如下： 　　 　　struct ip_mreqn mreq; 　　if (optlen < sizeof(struct ip_mreq)) 　　return -EINVAL; 　　if (optlen >= sizeof(struct ip_mreqn)) { 　　if(copy_from_user(&mreq,optval,sizeof(mreq))) 　　return -EFAULT; 　　} else { 　　memset(&mreq, 0, sizeof(mreq)); 　　if (copy_from_user(&mreq,optval,sizeof(struct ip_mreq))) 　　return -EFAULT; 　　} 　　if (optname == IP_ADD_MEMBERSHIP) 　　return ip_mc_join_group(sk,&mreq); 　　else 　　return ip_mc_leave_group(sk,&mreq); 　　 　　　　程序一开始先检查输入参数ip_mreq结构的长度是否正确，并将其从用户区复制到内核区。在得到参数 的值后，接着调用ip_mc_join_group()加入到组 播组或调用ip_mc_leave_group()退出组播组。 　　 　　在/usr/src/linux/net/ipv4/igmp.c中可以找到这些函数的代码。加入组播组的源程序代码如下： 　　 　　int ip_mc_join_group(struct sock *sk , struct ip_mreqn *imr) 　　{ 　　int err; 　　u32 addr = imr->imr_multiaddr.s_addr; 　　struct ip_mc_socklist, *iml, *i; 　　struct in_device *in_dev; 　　int count = 0; 　　 　　　　在开始部分用MULTICAST宏检查组的地址，确认其在保留的组播组地址范围内。只要检查IP地 址的第一部分是不是224就可以确认地址是否有效： 　　 　　if (!MULTICAST(addr)) 　　return -EINVAL; 　　rtnl_shlock(); 　　 　　　　检查完组播地址后，接着就要设置网络接口了。如果不能通过接口索引获得网络接口（如在IPv6下） ，在这种情况下可以调用函数 ip_mc_find_dev()获取网络接口。在本文中不存在这个问题，因为我们的工作 都是在IPv4下进行的。若地址的格式是INADDR_ANY，内核就依照路由表的定义，按照组地址在路由表中 查找网络接口。 　　 　　if (!imr->imr_ifindex) 　　in_dev = ip_mc_find_dev(imr); 　　else 　　in_dev = inetdev_by_index(imr->imr_ifindex); 　　if (!in_dev) { 　　iml = NULL; 　　err = -ENODEV; 　　goto done; 　　} 　　 　　　　接着给ip_mc_socklist结构分配内存，然后比较套接字的每个组地址和接口。只要发现了一个匹配项就 跳出该函数，因为有一个匹配项就可以了。若网络接口地址不是INADDR_ANY，相应的计数器值就要增加。 　　 　　iml = (struct ip_mc_socklist *)sock_kmalloc(sk, sizeof(*iml), 　　GFP_KERNEL); 　　err = -EADDRINUSE; 　　for (i=sk->ip_mc_list; i; i=i->next) { 　　if (memcmp(&i->multi, imr, sizeof(*imr)) == 0) { 　　/* New style additions are reference counted */ 　　if (imr->imr_address.s_addr == 0) { 　　i->count ; 　　err = 0; 　　} 　　goto done; 　　} 　　count ; 　　} 　　err = -ENOBUFS; 　　if (iml == NULL' 'count >= sysctl_igmp_max_memberships) 　　goto done; 　　 　　　　到这里，就可以用新创建的套接字与组播组建立链接了，这时还必须创建一个新的记录，记录下属于 该套接字的组的列表。首先还是要预先分配内存，然后只要给相关结构中的几个字段赋值，就完成了这个操作： 　　 　　memcpy(&iml->multi,imr, sizeof(*imr)); 　　iml->next = sk->ip_mc_list; 　　iml->count = 1; 　　sk->ip_mc_list = iml; 　　ip_mc_inc_group(in_dev,addr); 　　iml = NULL; 　　err = 0; 　　done: 　　rtnl_shunlock(); 　　if (iml) 　　sock_kfree_s(sk, iml, sizeof(*iml)); 　　return err; 　　} 　　 　　　　用函数ip_mc_leave_group()从一个组播组中退出，它的工作过程比前面的函数要来得简单。首先在 套接字记录中查找组播组及接口地址，找到后，将调用这个接口地址的进程数的值递减，若该值为0，就删除 该计数器，因为与组播组相关的进程至少要有一个。 　　 　　int ip_mc_leave_group(struct sock *sk, struct ip_mreqn *imr) 　　{ 　　struct ip_mc_socklist *iml, **imlp; 　　for (imlp=&sk->ip_mc_list;(iml=*imlp)!=NULL; imlp=&iml->next) { 　　if (iml->multi.imr_multiaddr.s_addr==imr->imr_multiaddr.s_addr 　　 && iml->multi.imr_address.s_addr==imr->imr_address.s_addr && 　　 (!imr->imr_ifindex' 'iml->multi.imr_ifindex==imr->imr_ifindex)) { 　　struct in_device *in_dev; 　　if (--iml->count) 　　return 0; 　　*imlp = iml->next; 　　synchronize_bh(); 　　in_dev = inetdev_by_index(iml->multi.imr_ifindex); 　　if (in_dev) 　　ip_mc_dec_group(in_dev, imr->imr_multiaddr.s_addr); 　　sock_kfree_s(sk, iml, sizeof(*iml)); 　　return 0; 　　} 　　} 　　return -EADDRNOTAVAIL; 　　} 　　 　　　　其它的组播选项都很简单，只要给当前套接字内的字段赋值就可以了，赋值的过程由ip_setsockopt()函数完成。