广播与多播编程

广播与多播编程第一页，共二十九页，2022年，8月28日广播一个IP地址由网络号和主机号组成。所有主机号部分为全1的IP地址是广播地址。第二页，共二十九页，2022年，8月28日1.单播：网络节点之间的通信就好像是人们之间的对话一样。如果一个人对另外一个人说话，那么用网络技术的术语来描述就是“单播”，此时信息的接收和传递只在两个节点之间进行。单播在网络中得到了广泛的应用，网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的，只是一般网络用户不知道而已。例如，你在收发电子邮件、浏览网页时，必须与邮件服务器、Web服务器建立连接，此时使用的就是单播数据传输方式。但是通常使用“点对点通信”（PointtoPoint）代替“单播”，因为“单播”一般与“多播”和“广播”相对应使用。第三页，共二十九页，2022年，8月28日2.多播“多播”也可以称为“组播”，在网络技术的应用并不是很多，网上视频会议、网上视频点播特别适合采用多播方式。因为如果采用单播方式，逐个节点传输，有多少个目标节点，就会有多少次传送过程，这种方式显然效率极低，是不可取的；如果采用不区分目标、全部发送的广播方式，虽然一次可以传送完数据，但是显然达不到区分特定数据接收对象的目的。采用多播方式，既可以实现一次传送所有目标节点的数据，也可以达到只对特定对象传送数据的目的。IP网络的多播一般通过多播IP地址来实现。多播IP地址就是D类IP地址，即至之间的IP地址。第四页，共二十九页，2022年，8月28日3.广播“广播”在网络中的应用较多，如客户机通过DHCP自动获得IP地址的过程就是通过广播来实现的。但是同单播和多播相比，广播几乎占用了子网内网络的所有带宽。拿开会打一个比方吧，在会场上只能有一个人发言，想象一下如果所有的人同时都用麦克风发言，那会场上就会乱成一锅粥。集线器由于其工作原理决定了不可能过滤广播风暴，一般的交换机也没有这一功能，不过现在有的网络交换机（如全向的QS系列交换机）也有过滤广播风暴功能了，路由器本身就有隔离广播风暴的作用。广播风暴不能完全杜绝，但是只能在同一子网内传播，就好像喇叭的声音只能在同一会场内传播一样，因此在由几百台甚至上千台电脑构成的大中型局域网中，一般进行子网划分，就像将一个大厅用墙壁隔离成许多小厅一样，以达到隔离广播风暴的目的。在IP网络中，广播地址用IP地址“255.255.255.255”来表示，这个IP地址代表同一子网内所有的IP地址。第五页，共二十九页，2022年，8月28日单播优缺点：主机之间一对一的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式，具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。第六页，共二十九页，2022年，8月28日单播优缺点：单播的优点：

1）服务器及时响应客户机的请求

2）服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。

单播的缺点：

1）服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。

2）现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞。而将主干扩展20倍几乎是不可能。第七页，共二十九页，2022年，8月28日广播优缺点：主机之间一对所有的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。第八页，共二十九页，2022年，8月28日广播优缺点：广播的优点：

1）网络设备简单，维护简单，布网成本低廉

2）由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

广播的缺点：

1）无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。

2）网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。

3）广播禁止允许在Internet宽带网上传输。第九页，共二十九页，2022年，8月28日组播优缺点：主机之间一对一组的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。第十页，共二十九页，2022年，8月28日组播优缺点：组播的优点：

1）需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。

2）由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个组播，所以其提供的服务可以非常丰富。

3）此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

组播的缺点：

1）与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。

2）现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。第十一页，共二十九页，2022年，8月28日一些常用IP地址一、严格说来，已经不是一个真正意义上的IP地址了。它表示的是这样一个集合：所有不清楚的主机和目的网络。这里的“不清楚”是指在本机的路由表里没有特定条目指明如何到达。对本机来说，它就是一个“收容所”，所有不认识的“三无”人员，一律送进去。如果你在网络设置中设置了缺省网关，那么Windows系统会自动产生一个目的地址为的缺省路由。二、

限制广播地址。对本机来说，这个地址指本网段内(同一广播域)的所有主机。如果翻译成人类的语言，应该是这样：“这个房间里的所有人都注意了！”这个地址不能被路由器转发。第十二页，共二十九页，2022年，8月28日一些常用IP地址三、本机地址，主要用于测试。用汉语表示，就是“我自己”。在Windows系统中，这个地址有一个别名“Localhost”。寻址这样一个地址，是不能把它发到网络接口的。除非出错，否则在传输介质上永远不应该出现目的地址为“127.0.0.1”的数据包。四、

组播地址，注意它和广播的区别。从到都是这样的地址。特指所有主机，特指所有路由器。这样的地址多用于一些特定的程序以及多媒体程序。如果你的主机开启了IRDP(Internet路由发现协议，使用组播功能)功能，那么你的主机路由表中应该有这样一条路由。第十三页，共二十九页，2022年，8月28日一些常用IP地址五、

如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，那么当你的DHCP服务器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Wingdows系统会为你分配这样一个地址。如果你发现你的主机IP地址是一个诸如此类的地址，很不幸，十有八九是你的网络不能正常运行了。六、；

～；

私有地址，这些地址被大量用于企业内部网络中。一些宽带路由器，也往往使用作为缺省地址。私有网络由于不与外部互连，因而可能使用随意的IP地址。保留这样的地址供其使用是为了避免以后接入公网时引起地址混乱。使用私有地址的私有网络在接入Internet时，要使用地址翻译(NAT)，将私有地址翻译成公用合法地址。在Internet上，这类地址是不能出现的。第十四页，共二十九页，2022年，8月28日发送应用进程UDPIPv4数据链路UDPIPv4数据链路数据链路IPv4UDP接收应用进程以太网头部IPv4头部UDP头部UDP数据子网目的以太网=ff:ff:ff:ff:ff:ff帧类型=0800目的协议=UDP目的端口=520Sendto目的IP=128.7.6.255目的端口=520丢弃协议=UDP帧类型0800128.7.6.99=单播128.7.6.255=广播128.7.6.5=单播128.7.6.255=广播协议=UDP端口=520第十五页，共二十九页，2022年，8月28日广播的实现应用程序只能通过UDP方式发送广播。一般情况下，如果调用sendto，只能向非广播地址发送数据报。如果要发送广播数据报，必须告诉内核，可以通过设置SO_BROADCAST套接口选项来做到这一点。inton=1;setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&on,sizeof(int));第十六页，共二十九页，2022年，8月28日广播实例服务端为tserv.c，运行时需指定广播地址和端口号，运行后每3秒发送一次广播，将本机时间通知本子网内所有主机。第十七页，共二十九页，2022年，8月28日服务器端程序tserv.c#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/ioctl.h>#include<stdio.h>#defineBUFLEN255voidgetcurtime(char*curtime){time_ttm;time(&tm);snprintf(curtime,BUFLEN,"%s\n",ctime(&tm));}intmain(intargc,char**argv){structsockaddr_inpeeraddr;intsockfd,on=1;intnum,i;charmsg[BUFLEN+1];if(argc!=3){printf("usage:%s<ipaddress><port>\n",argv[0]);exit(0);}sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){fprintf(stderr,"socketcreatingerrorintserv.c\n");exit(1);}第十八页，共二十九页，2022年，8月28日setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&on,sizeof(int));memset(&peeraddr,0,sizeof(structsockaddr_in));peeraddr.sin_family=AF_INET;if(inet_pton(AF_INET,argv[1],&peeraddr.sin_addr)<=0){printf("WrongdestIPaddress\n");exit(0);}peeraddr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));for(;;){getcurtime(msg);inta;a=sendto(sockfd,msg,strlen(msg),0,(structsockaddr*)&peeraddr,sizeof(structsockaddr_in));printf("%d",a);fflush(stdout);sleep(3);}第十九页，共二十九页，2022年，8月28日客户端程序tcli.c(只需侦听某一固定端口的数据报,接收一个数据报就返回。)#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<stdio.h>#defineBUFLEN255intmain(intargc,char**argv){structsockaddr_inlocaladdr;intsockfd,n;charmsg[BUFLEN+1];if(argc!=2){printf("usage:%s<port>\n",argv[0]);exit(0);}sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){fprintf(stderr,"socketcreatingerrorintcli.c\n");exit(1);}第二十页，共二十九页，2022年，8月28日memset(&localaddr,0,sizeof(structsockaddr_in));localaddr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));localaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);intopt=SO_REUSEADDR;setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));if(bind(sockfd,(structsockaddr*)&localaddr,sizeof(structsockaddr_in))<0){fprintf(stderr,"binderrorintcli.c\n");exit(2);}n=read(sockfd,msg,BUFLEN);if(n==-1){fprintf(stderr,"readerrorintcli.c\n");exit(3);}else{msg[n]=0;printf("%s",msg);}}第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日程序运行结果如果在服务器端输入./serv222.18.113.1711234则两个客户不会同时收到数据报。第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日多播多播是通过D类地址进行的，D类地址的前4位为1110，后面28位为群播的组标识。地址范围224.0.0.0到特殊的IPv4多播地址：224.0.0.0保留224.0.0.1本子网上所有主机224.0.0.2本子网上所有网关224.0.1.1NTP(网络时间协议)组第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日多播的原理当一个多播分组到达一个以太网时，形成帧后它的MAC地址为01:00:5e:xx:xx:xx，其后23位由多播组标识的后23位映射而成。例如目的地址为的多播分组，在以太网上帧的MAC地址就为01:00:5e:00:01:01，如下图示。11100000000000000000000100000001000000010000000001011110000000000000000100000001IP地址MAC地址第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日由于多播IP地址中组标识有28位，而映射到MAC地址的只有23位，还差5位，所以有32个组将映射成相同的MAC地址，例如，都映射到MAC地址01:00:5e:00:01:01。因此要由IP层来检验到达的多播分组是否是自已所加入的多播组。如果不是，则抛弃该分组。第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日应用程序UDPIP层数据链路层52:37:4a:6d:7f:5e应用程序UDPIP层应用程序UDPIP层数据链路层52:23:4e:6f:2c:35数据链路层00:2e:2c:5f:ae:3f发送数据报端口1234通过ARP解析对应01:00:5e:00:01:01接收数据报端口1234应用程序指定加入多播组IP层指示接收MAC地址为01:00:5e:00:01:01的帧加入丢弃多播数据报在子网中的发送接收第二十六页，共二十九页，2022年，8月28日多播的实现

应用程序只需向多播组地址发送数据报，接收应用程序加入这个多播组。在指定端口上进行侦听。加入多播组的方法是设置套接口选项IP_ADD_MEMBERSHIP.它要用要如下结构：Structip_mreq{structin_addrimr_multiaddr;/*IPv4的D类多播地址*/Structin_addrimr_interfa