廣播與多播編程

廣播與多播編程第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日廣播一個IP地址由網(wǎng)絡號和主機號組成。所有主機號部分為全1的IP地址是廣播地址。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.單播：網(wǎng)絡節(jié)點之間的通信就好像是人們之間的對話一樣。如果一個人對另外一個人說話，那么用網(wǎng)絡技術(shù)的術(shù)語來描述就是“單播”，此時信息的接收和傳遞只在兩個節(jié)點之間進行。單播在網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用，網(wǎng)絡上絕大部分的數(shù)據(jù)都是以單播的形式傳輸?shù)?，只是一般網(wǎng)絡用戶不知道而已。例如，你在收發(fā)電子郵件、瀏覽網(wǎng)頁時，必須與郵件服務器、Web服務器建立連接，此時使用的就是單播數(shù)據(jù)傳輸方式。但是通常使用“點對點通信”（PointtoPoint）代替“單播”，因為“單播”一般與“多播”和“廣播”相對應使用。第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.多播“多播”也可以稱為“組播”，在網(wǎng)絡技術(shù)的應用并不是很多，網(wǎng)上視頻會議、網(wǎng)上視頻點播特別適合采用多播方式。因為如果采用單播方式，逐個節(jié)點傳輸，有多少個目標節(jié)點，就會有多少次傳送過程，這種方式顯然效率極低，是不可取的；如果采用不區(qū)分目標、全部發(fā)送的廣播方式，雖然一次可以傳送完數(shù)據(jù)，但是顯然達不到區(qū)分特定數(shù)據(jù)接收對象的目的。采用多播方式，既可以實現(xiàn)一次傳送所有目標節(jié)點的數(shù)據(jù)，也可以達到只對特定對象傳送數(shù)據(jù)的目的。IP網(wǎng)絡的多播一般通過多播IP地址來實現(xiàn)。多播IP地址就是D類IP地址，即至之間的IP地址。第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.廣播“廣播”在網(wǎng)絡中的應用較多，如客戶機通過DHCP自動獲得IP地址的過程就是通過廣播來實現(xiàn)的。但是同單播和多播相比，廣播幾乎占用了子網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡的所有帶寬。拿開會打一個比方吧，在會場上只能有一個人發(fā)言，想象一下如果所有的人同時都用麥克風發(fā)言，那會場上就會亂成一鍋粥。集線器由于其工作原理決定了不可能過濾廣播風暴，一般的交換機也沒有這一功能，不過現(xiàn)在有的網(wǎng)絡交換機（如全向的QS系列交換機）也有過濾廣播風暴功能了，路由器本身就有隔離廣播風暴的作用。廣播風暴不能完全杜絕，但是只能在同一子網(wǎng)內(nèi)傳播，就好像喇叭的聲音只能在同一會場內(nèi)傳播一樣，因此在由幾百臺甚至上千臺電腦構(gòu)成的大中型局域網(wǎng)中，一般進行子網(wǎng)劃分，就像將一個大廳用墻壁隔離成許多小廳一樣，以達到隔離廣播風暴的目的。在IP網(wǎng)絡中，廣播地址用IP地址“255.255.255.255”來表示，這個IP地址代表同一子網(wǎng)內(nèi)所有的IP地址。第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日單播優(yōu)缺點：主機之間一對一的通訊模式，網(wǎng)絡中的交換機和路由器對數(shù)據(jù)只進行轉(zhuǎn)發(fā)不進行復制。如果10個客戶機需要相同的數(shù)據(jù)，則服務器需要逐一傳送，重復10次相同的工作。但由于其能夠針對每個客戶的及時響應，所以現(xiàn)在的網(wǎng)頁瀏覽全部都是采用單播模式，具體的說就是IP單播協(xié)議。網(wǎng)絡中的路由器和交換機根據(jù)其目標地址選擇傳輸路徑，將IP單播數(shù)據(jù)傳送到其指定的目的地。第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日單播優(yōu)缺點：單播的優(yōu)點：

1）服務器及時響應客戶機的請求

2）服務器針對每個客戶不通的請求發(fā)送不通的數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)個性化服務。

單播的缺點：

1）服務器針對每個客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)流，服務器流量＝客戶機數(shù)量×客戶機流量；在客戶數(shù)量大、每個客戶機流量大的流媒體應用中服務器不堪重負。

2）現(xiàn)有的網(wǎng)絡帶寬是金字塔結(jié)構(gòu)，城際省際主干帶寬僅僅相當于其所有用戶帶寬之和的5％。如果全部使用單播協(xié)議，將造成網(wǎng)絡主干不堪重負?，F(xiàn)在的P2P應用就已經(jīng)使主干經(jīng)常阻塞。而將主干擴展20倍幾乎是不可能。第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日廣播優(yōu)缺點：主機之間一對所有的通訊模式，網(wǎng)絡對其中每一臺主機發(fā)出的信號都進行無條件復制并轉(zhuǎn)發(fā)，所有主機都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路徑選擇，所以其網(wǎng)絡成本可以很低廉。有線電視網(wǎng)就是典型的廣播型網(wǎng)絡，我們的電視機實際上是接受到所有頻道的信號，但只將一個頻道的信號還原成畫面。在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中也允許廣播的存在，但其被限制在二層交換機的局域網(wǎng)范圍內(nèi)，禁止廣播數(shù)據(jù)穿過路由器，防止廣播數(shù)據(jù)影響大面積的主機。第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日廣播優(yōu)缺點：廣播的優(yōu)點：

1）網(wǎng)絡設備簡單，維護簡單，布網(wǎng)成本低廉

2）由于服務器不用向每個客戶機單獨發(fā)送數(shù)據(jù)，所以服務器流量負載極低。

廣播的缺點：

1）無法針對每個客戶的要求和時間及時提供個性化服務。

2）網(wǎng)絡允許服務器提供數(shù)據(jù)的帶寬有限，客戶端的最大帶寬＝服務總帶寬。例如有線電視的客戶端的線路支持100個頻道（如果采用數(shù)字壓縮技術(shù)，理論上可以提供500個頻道），即使服務商有更大的財力配置更多的發(fā)送設備、改成光纖主干，也無法超過此極限。也就是說無法向眾多客戶提供更多樣化、更加個性化的服務。

3）廣播禁止允許在Internet寬帶網(wǎng)上傳輸。第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日組播優(yōu)缺點：主機之間一對一組的通訊模式，也就是加入了同一個組的主機可以接受到此組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡中的交換機和路由器只向有需求者復制并轉(zhuǎn)發(fā)其所需數(shù)據(jù)。主機可以向路由器請求加入或退出某個組，網(wǎng)絡中的路由器和交換機有選擇的復制并傳輸數(shù)據(jù)，即只將組內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸給那些加入組的主機。這樣既能一次將數(shù)據(jù)傳輸給多個有需要（加入組）的主機，又能保證不影響其他不需要（未加入組）的主機的其他通訊。第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日組播優(yōu)缺點：組播的優(yōu)點：

1）需要相同數(shù)據(jù)流的客戶端加入相同的組共享一條數(shù)據(jù)流，節(jié)省了服務器的負載。具備廣播所具備的優(yōu)點。

2）由于組播協(xié)議是根據(jù)接受者的需要對數(shù)據(jù)流進行復制轉(zhuǎn)發(fā)，所以服務端的服務總帶寬不受客戶接入端帶寬的限制。IP協(xié)議允許有2億6千多萬個組播，所以其提供的服務可以非常豐富。

3）此協(xié)議和單播協(xié)議一樣允許在Internet寬帶網(wǎng)上傳輸。

組播的缺點：

1）與單播協(xié)議相比沒有糾錯機制，發(fā)生丟包錯包后難以彌補，但可以通過一定的容錯機制和QOS加以彌補。

2）現(xiàn)行網(wǎng)絡雖然都支持組播的傳輸，但在客戶認證、QOS等方面還需要完善，這些缺點在理論上都有成熟的解決方案，只是需要逐步推廣應用到現(xiàn)存網(wǎng)絡當中。第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日一些常用IP地址一、嚴格說來，已經(jīng)不是一個真正意義上的IP地址了。它表示的是這樣一個集合：所有不清楚的主機和目的網(wǎng)絡。這里的“不清楚”是指在本機的路由表里沒有特定條目指明如何到達。對本機來說，它就是一個“收容所”，所有不認識的“三無”人員，一律送進去。如果你在網(wǎng)絡設置中設置了缺省網(wǎng)關，那么Windows系統(tǒng)會自動產(chǎn)生一個目的地址為的缺省路由。二、

限制廣播地址。對本機來說，這個地址指本網(wǎng)段內(nèi)(同一廣播域)的所有主機。如果翻譯成人類的語言，應該是這樣：“這個房間里的所有人都注意了！”這個地址不能被路由器轉(zhuǎn)發(fā)。第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日一些常用IP地址三、本機地址，主要用于測試。用漢語表示，就是“我自己”。在Windows系統(tǒng)中，這個地址有一個別名“Localhost”。尋址這樣一個地址，是不能把它發(fā)到網(wǎng)絡接口的。除非出錯，否則在傳輸介質(zhì)上永遠不應該出現(xiàn)目的地址為“127.0.0.1”的數(shù)據(jù)包。四、

組播地址，注意它和廣播的區(qū)別。從到都是這樣的地址。特指所有主機，特指所有路由器。這樣的地址多用于一些特定的程序以及多媒體程序。如果你的主機開啟了IRDP(Internet路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議，使用組播功能)功能，那么你的主機路由表中應該有這樣一條路由。第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日一些常用IP地址五、

如果你的主機使用了DHCP功能自動獲得一個IP地址，那么當你的DHCP服務器發(fā)生故障，或響應時間太長而超出了一個系統(tǒng)規(guī)定的時間，Wingdows系統(tǒng)會為你分配這樣一個地址。如果你發(fā)現(xiàn)你的主機IP地址是一個諸如此類的地址，很不幸，十有八九是你的網(wǎng)絡不能正常運行了。六、；

～；

私有地址，這些地址被大量用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡中。一些寬帶路由器，也往往使用作為缺省地址。私有網(wǎng)絡由于不與外部互連，因而可能使用隨意的IP地址。保留這樣的地址供其使用是為了避免以后接入公網(wǎng)時引起地址混亂。使用私有地址的私有網(wǎng)絡在接入Internet時，要使用地址翻譯(NAT)，將私有地址翻譯成公用合法地址。在Internet上，這類地址是不能出現(xiàn)的。第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日發(fā)送應用進程UDPIPv4數(shù)據(jù)鏈路UDPIPv4數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路IPv4UDP接收應用進程以太網(wǎng)頭部IPv4頭部UDP頭部UDP數(shù)據(jù)子網(wǎng)目的以太網(wǎng)=ff:ff:ff:ff:ff:ff幀類型=0800目的協(xié)議=UDP目的端口=520Sendto目的IP=128.7.6.255目的端口=520丟棄協(xié)議=UDP幀類型0800128.7.6.99=單播128.7.6.255=廣播128.7.6.5=單播128.7.6.255=廣播協(xié)議=UDP端口=520第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日廣播的實現(xiàn)應用程序只能通過UDP方式發(fā)送廣播。一般情況下，如果調(diào)用sendto，只能向非廣播地址發(fā)送數(shù)據(jù)報。如果要發(fā)送廣播數(shù)據(jù)報，必須告訴內(nèi)核，可以通過設置SO_BROADCAST套接口選項來做到這一點。inton=1;setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&on,sizeof(int));第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日廣播實例服務端為tserv.c，運行時需指定廣播地址和端口號，運行后每3秒發(fā)送一次廣播，將本機時間通知本子網(wǎng)內(nèi)所有主機。第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日服務器端程序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);}第十八頁，共二十九頁，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);}第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日客戶端程序tcli.c(只需偵聽某一固定端口的數(shù)據(jù)報,接收一個數(shù)據(jù)報就返回。)#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);}第二十頁，共二十九頁，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);}}第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日程序運行結(jié)果如果在服務器端輸入./serv222.18.113.1711234則兩個客戶不會同時收到數(shù)據(jù)報。第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日多播多播是通過D類地址進行的，D類地址的前4位為1110，后面28位為群播的組標識。地址范圍224.0.0.0到特殊的IPv4多播地址：224.0.0.0保留224.0.0.1本子網(wǎng)上所有主機224.0.0.2本子網(wǎng)上所有網(wǎng)關224.0.1.1NTP(網(wǎng)絡時間協(xié)議)組第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日多播的原理當一個多播分組到達一個以太網(wǎng)時，形成幀后它的MAC地址為01:00:5e:xx:xx:xx，其后23位由多播組標識的后23位映射而成。例如目的地址為的多播分組，在以太網(wǎng)上幀的MAC地址就為01:00:5e:00:01:01，如下圖示。11100000000000000000000100000001000000010000000001011110000000000000000100000001IP地址MAC地址第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日由于多播IP地址中組標識有28位，而映射到MAC地址的只有23位，還差5位，所以有32個組將映射成相同的MAC地址，例如，都映射到MAC地址01:00:5e:00:01:01。因此要由IP層來檢驗到達的多播分組是否是自已所加入的多播組。如果不是，則拋棄該分組。第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日應用程序UDPIP層數(shù)據(jù)鏈路層52:37:4a:6d:7f:5e應用程序UDPIP層應用程序UDPIP層數(shù)據(jù)鏈路層52:23:4e:6f:2c:35數(shù)據(jù)鏈路層00:2e:2c:5f:ae:3f發(fā)送數(shù)據(jù)報端口1234通過ARP解析對應01:00:5e:00:01:01接收數(shù)據(jù)報端口1234應用程序指定加入多播組IP層指示接收MAC地址為01:00:5e:00:01:01的幀加入丟棄多播數(shù)據(jù)報在子網(wǎng)中的發(fā)送接收第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日多播的實現(xiàn)

應用程序只需向多播組地址發(fā)送數(shù)據(jù)報，接收應用程序加入這個多播組。在指定端口上進行偵聽。加入多播組的方法是設置套接口選項IP_ADD_MEMBERSHIP.它要用要如下結(jié)構(gòu)：Structip_mreq{structin_addrimr_multiaddr;/*IPv4的D類多播地址*/Structin_addrimr_interfa