組播通信

soqsoq

組播通信
　　摘要：
　　
　　本文可做為TCP/IP組播技術(shù)的入門材料,文中介紹了組播通信的概念及原理，以及用于組播應用編程的Linux API的詳細資料。為了使讀者更加完整的了解Linux 組播的整體概念，文中對實現(xiàn)該技術(shù)的核心函數(shù)也做了介紹。在文章的最后給出了一個簡單的C語言套接字編程例子，說明如何創(chuàng)建組播應用程序。
　　
　　一、導言
　　
　　在網(wǎng)絡中，主機間可以用三種不同的地址進行通信：
　　
　　單播地址（unicast）：即在子網(wǎng)中主機的唯一地址（接口）。如IP地址：192.168.100.9或MAC地址：80:C0:F6:A0:4A:B1。
　　
　　廣播地址：這種類型的地址用來向子網(wǎng)內(nèi)的所有主機（接口）發(fā)送數(shù)據(jù)。如廣播IP地址是192.168.100.255，MAC廣播地址：FF:FF:FF:FF:FF。
　　
　　組播地址：通過該地址向子網(wǎng)內(nèi)的多個主機即主機群（接口）發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　
　　如果只是向子網(wǎng)內(nèi)的部分主機發(fā)送報文，組播地址就很有用處了；在需要向多個主機發(fā)送多媒體信息（如實時音頻、視頻）的情況下，考慮到其所需的帶寬，分別向每一客戶端主機發(fā)送數(shù)據(jù)并不是個好辦法，如果發(fā)送主機與某些接收端的客戶主機不在子網(wǎng)之內(nèi)，采用廣播方式也不是一個好的解決方案。
　　
　　二、組播地址
　　
　　大家知道，IP地址空間被劃分為A、B、C三類。第四類即D類地址被保留用做組播地址。在第四版的IP
協(xié)議
（IPv4）中，從224.0.0.0到239.255.255.255間的所有IP地址都屬于D類地址。
　　
　　組播地址中最重要的是第24位到27位間的這四位，對應到十進制是224到239，其它28位保留用做組播的組標識，如下圖所示：
　　　
　　圖1 組播地址示意圖
　　
　　IPv4的組播地址在網(wǎng)絡層要轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡物理地址。對一個單播的網(wǎng)絡地址，通過ARP
協(xié)議
可以獲取與IP地址對應的物理地址。但在組播方式下ARP
協(xié)議
無法完成類似功能，必須得用其它的方法獲取物理地址。在下面列出的RFC文檔中提出了完成這個轉(zhuǎn)換過程的方法：
　　
　　RFC1112：Multicast IPv4 to Ethernet physical address correspondence
　　RFC1390：Correspondence to FDDI
　　RFC1469：Correspondence to Token-Ring networks
　　
　　在最大的以太網(wǎng)地址范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換過程是這樣的：將以太網(wǎng)地址的前24位最固定為01:00:5E，這幾位是重要的標志位。緊接著的一位固定為0，其它23位用IPv4組播地址中的低23位來填充。該轉(zhuǎn)換過程如下圖所示：
　　
　　圖2 地址轉(zhuǎn)換示意圖
　　
　　例如，組播地址為224.0.0.5其以太網(wǎng)物理地址為01:00:5E:00:00:05。
　　
　　還有一些特殊的IPv4組播地址：
　　
　　224.0.0.1：標識子網(wǎng)中的所有主機。同一個子網(wǎng)中具有組播功能的主機都是這個組的成員。
　　
　　224.0.0.2：該地址用來標識網(wǎng)絡中每個具有組播功有的
路由
器。
　　
　　224.0.0.0----224.0.0.255范圍內(nèi)的地址被分配給了低層次的協(xié)議。向這些范圍內(nèi)的地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，有組播功能的路由器將不會為其提供路由。
　　
　　239.0.0.0----239.255.255.255間的地址分配用做管理用途。這些地址被分配給局部的每一個組織，但不可以分配到組織外部，組織內(nèi)的路由器不向在組織外的地址提供路由。
　　
　　除了上面列出的部分組播地址外，還有許多的組播地址。在最新版本的RFC文檔“Assinged Numbers”中有完整的介紹。
　　
　　下面的表中列出了全部的組播地址空間，同時還列出了相應的地址段的常用名稱及其TTL（IP包的存活時間）。在IPv4組播方式下，TTL有雙重意義：正如大家所知的，TTL原本用來控制數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的存活時間，防止由于路由器配置錯誤導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳播的死循環(huán)；在組播方式下，它還代表了數(shù)據(jù)包的活動范圍，如：數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中能夠傳送多遠？這樣就可以基于數(shù)據(jù)包的分類來定義其傳送范圍。
　　
　　范圍 TTL 地址區(qū)間 描述
　　
　　節(jié)點(Node) 0 只能向本機發(fā)送的數(shù)據(jù)包，不能向網(wǎng)絡中的其它接口傳送
　　
　　鏈路(Link) 1 224.0.0.0-224.0.0.255 只能在發(fā)送主機所在的一個子網(wǎng)內(nèi)的傳送，不會通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)。
　　
　　部門 32 239.255.0.0-239.255.255.255 只在整個組織下的一個部門內(nèi)(Department) 傳送
　　
　　組織 64 239.192.0.0--239.195.255.255 在整個組織內(nèi)傳送(Organization)
　　
　　全局(Global)255 224.0.1.0--238.255.255.255 沒有限制，可全局范圍內(nèi)傳送
　　
　　三、組播的工作過程
　　
　　在局域網(wǎng)內(nèi)，主機的網(wǎng)絡接口將到目的主機的數(shù)據(jù)包發(fā)送到高層，這些數(shù)據(jù)包中的目的地址是物理接口地址或廣播地址。
　　
　　如果主機已經(jīng)加入到一個組播組中，主機的網(wǎng)絡接口就會識別出發(fā)送到該組成員的數(shù)據(jù)包。
　　
　　因此，如果主機接口的物理地址為80:C0:F6:A0:4A:B1，其加入的組播組為224.0.1.10，則發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)包中的目的地址必是下面三種類型之一：
　　
　　接口地址：80:C0:F6:A0:4A:B1
　　
　　廣播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF:FF:FF
　　
　　組播地址：01:00:5E:00:01:0A
　　
　　廣域網(wǎng)中，路由器必須支持組播路由。當主機中運行的進程加入到某個組播組中時，主機向子網(wǎng)中的所有組播路由器發(fā)送IGMP（Internet分組管理協(xié)議）報文，告訴路由器凡是發(fā)送到這個組播組的組播報文都必須發(fā)送到本地的子網(wǎng)中，這樣主機的進程就可以接收到報文了。子網(wǎng)中的路由器再通知其它的路由器，這些路由器就知道該將組播報文轉(zhuǎn)發(fā)到哪些子網(wǎng)中去。
　　
　　子網(wǎng)中的路由器也向224.0.0.1發(fā)送一個IGMP報文（224.0.0.1代表組中的全部主機），要求組中的主機提供組的相關(guān)信息。組中的主機收到這個報文后，都各將計數(shù)器的值設為隨機值，當計數(shù)器遞減為0時再向路由器發(fā)送應答。這樣就防止了組中所有的主機同時向路由器發(fā)送應答，造成網(wǎng)絡擁塞。主機向組播地址發(fā)送一個報文做為對路由器的應答，組中的其它主機一旦看到這個應答報文，就不再發(fā)送應答報文了，因為組中的主機向路由器提供的都是相同的信息，所以子網(wǎng)路由器只需得到組中一個主機提供的信息就可以了。
　　
　　如果組中的主機都退出了，路由器就收不到應答，因此路由器認為該組目前沒有主機加入，遂停止到該子網(wǎng)報文的路由。IGMPv2的解決方案是：組中的主機在退出時向224.0.0.2 發(fā)送報文通知組播路由器。
　　
　　四、應用編程接口（API）
　　
　　如果你有套接字編程的經(jīng)驗，就會發(fā)現(xiàn)，對組播選項所進行的操作只需五個新的套接字操作。函數(shù)setsockopt()及getsockopt()用來建立和讀取這五個選項的值。下表中列出了組播的可選項，并列出其數(shù)據(jù)類型和描述：
　　
　　IPv4 選項 數(shù)據(jù)類型 描 述
　　
　　IP_ADD_MEMBERSHIP struct ip_mreq 加入到組播組中
　　
　　IP_DROP_MEMBERSHIP struct ip_mreq 從組播組中退出
　　
　　IP_MULTICAST_IF struct ip_mreq 指定提交組播報文的接口
　　
　　IP_MULTICAST_TTL u_char 指定提交組播報文的TTL
　　
　　IP_MULTICAST_LOOP u_char 使組播報文環(huán)路有效或無效
　　
　　在頭文件中定義了ip_mreq結(jié)構(gòu)：
　　
　　struct ip_mreq {
　　struct in_addr imr_multiaddr; /* IP multicast address of group */
　　struct in_addr imr_interface; /* local IP address of interface */
　　};
　　
　　在頭文件中組播選項的值為：
　　
　　#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
　　
　　若進程要加入到一個組播組中，用soket的setsockopt()函數(shù)發(fā)送該選項。該選項類型是ip_mreq結(jié)構(gòu)，它的第一個字段imr_multiaddr指定了組播組的地址，第二個字段imr_interface指定了接口的IPv4地址。
　　
　　IP_DROP_MEMBERSHIP
　　
　　該選項用來從某個組播組中退出。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ip_mreq的使用方法與上面相同。
　　
　　IP_MULTICAST_IF
　　
　　該選項可以修改網(wǎng)絡接口，在結(jié)構(gòu)ip_mreq中定義新的接口。
　　
　　IP_MULTICAST_TTL
　　
　　設置組播報文的數(shù)據(jù)包的TTL（生存時間）。默認值是1，表示數(shù)據(jù)包只能在本地的子網(wǎng)中傳送。
　　
　　IP_MULTICAST_LOOP
　　
　　組播組中的成員自己也會收到它向本組發(fā)送的報文。這個選項用于選擇是否激活這種狀態(tài)。
　　
　　五、一個組播通信的例子
　　
　　下面給出一個簡單的例子實現(xiàn)文中闡述的思想：由一個進程向一個組播組發(fā)送報文，組播組中的相關(guān)進程接收報文，并將報文顯示到屏幕上。
　　
　　下面的代碼實現(xiàn)了一個服務進程，它將標準輸入接口輸入的信息全部發(fā)送到組播組224.0.1.1。你會發(fā)現(xiàn)，將信息發(fā)送到組播組不需要特別的操作，只要設置好組播組的目的地址就足夠了。若在開發(fā)過程中，Loopback和TTL這兩個選項的默認值不適合應用程序，可以加以調(diào)整。
　　
　　服務程序
　　
　　將標準輸入端口的輸入發(fā)送到組播組224.0.1.1。
　　
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#define MAXBUF 256
　　#define PUERTO 5000
　　#define GROUP "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) 　　perror("inet_aton");
　　return 1;
　　}
　　if ((s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) 　　perror("socket");
　　return 1;
　　}
　　while (fgets(buf, MAXBUF, stdin)) {
　　if (sendto(s, buf, strlen(buf), 0,
　　(struct sockaddr *)&srv, sizeof(srv)) 　　perror("recvfrom");
　　} else {
　　fprintf(stdout, "Enviado a %s: %s", GRUPO, buf);
　　}
　　}
　　}
   客戶端程序
    #include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#include  
　　#define MAXBUF 256
　　#define PUERTO 5000
　　#define GROUP "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) 　　perror("inet_aton");
　　return 1;
　　}
　　if ((s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) 　　perror("socket");
　　return 1;
　　}
　　if (bind(s, (struct sockaddr *)&srv, sizeof(srv)) 　　perror("bind");
　　return 1;
　　}
　　if (inet_aton(GRUPO, &mreq.imr_multiaddr) 　　perror("inet_aton");
　　return 1;
　　}
　　mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
　　if (setsockopt(s,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq))
　　　　perror("setsockopt");
　　return 1;
　　}
　　n = sizeof(cli);
　　while (1) {
　　if ((r = recvfrom(s, buf, MAXBUF, 0, (struct sockaddr *)
　　&cli, &n)) 　　perror("recvfrom");
　　} else {
　　buf = 0;
　　fprintf(stdout, "Mensaje desde %s: %s
　　",
　　inet_ntoa(cli.sin_addr), buf);
　　}
　　}
　　}
　　
　　　　六、內(nèi)核與組播
　　
　　　　在上面的例子中我們看到：如果一個進程要加入到組播組中，就要使用setsockopt（）函數(shù)在IP層設置IP_ADD_MEMBERSHIP。
　　
　　在/usr/src/
linux
/net/ipv4/ip_sockglue.c文件中可以找見該函數(shù)的源代碼。 其中設置IP_ADD_MEMBERSHIP和IP_DROP_MEMBERSHIP的部分代碼如下：
　　
　　struct ip_mreqn mreq;
　　if (optlen 　　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);
　　
　　　　程序一開始先檢查輸入?yún)��?shù)ip_mreq結(jié)構(gòu)的長度是否正確，并將其從用戶區(qū)復制到內(nèi)核區(qū)。在得到參數(shù)的值后，接著調(diào)用ip_mc_join_group()加入到組播組或調(diào)用ip_mc_leave_group()退出組播組。
　　
　　在/usr/src/
linux
/net/ipv4/igmp.c中可以找到這些函數(shù)的代碼。加入組播組的源程序代碼如下：
　　
　　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;
　　
　　　　在開始部分用MULTICAST宏檢查組的地址，確認其在保留的組播組地址范圍內(nèi)。只要檢查IP地址的第一部分是不是224就可以確認地址是否有效：
　　
　　if (!MULTICAST(addr))
　　return -EINVAL;
　　rtnl_shlock();
　　
　　　　檢查完組播地址后，接著就要設置網(wǎng)絡接口了。如果不能通過接口索引獲得網(wǎng)絡接口（如在IPv6下），在這種情況下可以調(diào)用函數(shù)ip_mc_find_dev()獲取網(wǎng)絡接口。在本文中不存在這個問題，因為我們的工作都是在IPv4下進行的。若地址的格式是INADDR_ANY，內(nèi)核就依照路由表的定義，按照組地址在路由表中查找網(wǎng)絡接口。
　　
　　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;
　　}
　　
　　　　接著給ip_mc_socklist結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存，然后比較套接字的每個組地址和接口。只要發(fā)現(xiàn)了一個匹配項就跳出該函數(shù)，因為有一個匹配項就可以了。若網(wǎng)絡接口地址不是INADDR_ANY，相應的計數(shù)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;
　　
　　　　到這里，就可以用新創(chuàng)建的套接字與組播組建立鏈接了，這時還必須創(chuàng)建一個新的記錄，記錄下屬于該套接字的組的列表。首先還是要預先分配內(nèi)存，然后只要給相關(guān)結(jié)構(gòu)中的幾個字段賦值，就完成了這個操作：
　　
　　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;
　　}
　　
　　　　用函數(shù)ip_mc_leave_group()從一個組播組中退出，它的工作過程比前面的函數(shù)要來得簡單。首先在套接字記錄中查找組播組及接口地址，找到后，將調(diào)用這個接口地址的進程數(shù)的值遞減，若該值為0，就刪除該計數(shù)器，因為與組播組相關(guān)的進程至少要有一個。
　　
　　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;
　　}
　　
　　　　其它的組播選項都很簡單，只要給當前套接字內(nèi)的字段賦值就可以了，賦值的過程由ip_setsockopt()函數(shù)完成。



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