14.5 Socket 应用组播通信

组播通信是一种基于UDP协议的网络通信方式,它允许发送方将消息同时传递给多个接收方。在组播通信中,发送方和接收方都会加入一个共同的组播组,这个组播组对应一个特定的IP地址,所有加入该组播组的主机都能够接收到发送方发送的消息。组播通信可以有效地减少网络流量和网络负载,因为在传统的点对点通信方式下,每个消息都需要单独传输到每个接收方,而在组播通信中,每个消息只需要传输一次,就可以同时传递给多个接收方。

在使用组播模式时,需要在套接字上使用setsockopt()函数来设置套接字的IP_MULTICAST_IF选项,指定本地主机的出站接口地址,用于发送组播数据包。此外,还可以设置IP_ADD_MEMBERSHIP选项,将套接字加入到一个特定的组播组中,以便接收该组播组中的数据包。

在使用组播模式时需要读者注意,组播模式需要使用特定的IP地址范围,如224.0.0.0~239.255.255.255,且需要确保组播组内的所有成员都在同一个网络中。同时,组播模式也不保证数据传输的可靠性,因为UDP本身就是无连接的协议,所以需要在应用程序中自行处理数据丢失或重复的情况。

14.5.1 服务端实现

先来实现服务端代码,首先我们定义一个端口号PORT=9999并定义好组名GROUP="225.1.2.3",接着通过调用两次setsockopt函数,第一次调用指定传入SO_REUSEADDR参数设置为组播模式,第二次调用指定传入IP_ADD_MEMBERSHIP用于设置组,经过两次设置服务端将被绑定到GROUP指定的组名上面,并在底部recvfrom循环等待数据包的到达,当数据包到达后则直接通过sendto发送一个消息给上线客户端。

#include <winsock.h>
#include <iostream>

#pragma comment(lib, "wsock32.lib")
#define PORT 9999
#define GROUP "225.1.2.3"

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
WSADATA wsaData;
struct sockaddr_in addr;
int fd;
struct ip_mreq mreq;

// 初始化套接字
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
std::cout << "初始化失败" << std::endl;
return 0;
}

// 创建套接字 SOCK_DGRAM 采用UDP
if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
{
std::cout << "套接字创建失败" << std::endl;
return 0;
}

// 设置套接字为组播模式
u_int yes = 1;
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&yes, sizeof(yes)) < 0)
{
std::cout << "设置组播模式失败" << std::endl;
return 0;
}

memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(PORT);

// 绑定套接字
if (bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) < 0)
{
std::cout << "绑定失败" << std::endl;
return 0;
}

// 设置组播模式中的组信息
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(GROUP);
mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

// 设置组
if (setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (char *)&mreq, sizeof(mreq)) < 0)
{
int err = GetLastError();
std::cout << "设置组失败: " << err << std::endl;
return 0;
}

// 循环手法数据
while (1)
{
char recv_buffer[4096];
int addrlen = sizeof(addr);
int nbytes;

// 接收组播数据
if ((nbytes = recvfrom(fd, recv_buffer, 4096, 0, (struct sockaddr *) &addr, (int *)&addrlen)) < 0)
{
std::cout << "接收数据包失败" << std::endl;
return 0;
}
recv_buffer[nbytes] = '\0';
std::cout << "接收组播数据包: " << recv_buffer << std::endl;

// 发送组播数据包
char send_buffer[4096] = "server mesage";
sendto(fd, send_buffer, strlen(send_buffer), 0, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
}

return 0;
}

14.5.2 客户端实现

在组播模式中客户端的修改部分很简单,仅仅只需通过socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)函数设置套接字为UDP模式,并填充组名即可,其他通信模式与UDP保持一致。

#include <winsock.h>
#include <iostream>

#pragma comment(lib, "wsock32.lib")
#define PORT 9999
#define GROUP "225.1.2.3"

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
WSADATA wsaData;
struct sockaddr_in addr;
int fd;

// 初始化套接字
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
std::cout << "初始化失败" << std::endl;
return 0;
}

// 创建套接字 SOCK_DGRAM 采用UDP
if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
{
std::cout << "套接字创建失败" << std::endl;
return 0;
}

// 设置组播模式组信息
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(GROUP);
addr.sin_port = htons(PORT);

// 循环
while (1)
{
// 发送组播数据包
char send_buffer[4096] = "Hello, World!";
if (sendto(fd, send_buffer, strlen(send_buffer), 0, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) < 0)
{
std::cout << "发送失败" << std::endl;
return 0;
}

// 接收组播数据
int addrlen = sizeof(addr);
char recv_buffer[4096] = { 0 };
recvfrom(fd, recv_buffer, 4096, 0, (struct sockaddr *) &addr, (int *)&addrlen);
std::cout << "接收组播数据包: " << recv_buffer << std::endl;
Sleep(1000);
}
return 0;
}

读者可自行编译上述代码,运行一个服务端并运行多个客户端即可观察组播收发情况,如下图所示;