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完成了第 14 章 多播与广播

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2019-01-28 13:48:03 +08:00
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142
README.md
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@@ -3702,9 +3702,149 @@ gcc readv.c -o rv
![](https://i.loli.net/2019/01/27/5c4d3960001eb.png)
接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第九章的套接字可选项完成的。
接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第九章的套接字可选项完成的。与设置 TTL 相关的协议层为 IPPROTO_IP ，选项名为 IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把 TTL 设置为 64
```c
int send_sock;
int time_live = 64;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live);
...
```
加入多播组也通过设置设置套接字可选项来完成。加入多播组相关的协议层为 IPPROTO_IP，选项名为 IP_ADD_MEMBERSHIP 。可通过如下代码加入多播组：
```c
int recv_sock;
struct ip_mreq join_adr;
...
recv_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
join_adr.imr_multiaddr.s_addr="多播组地址信息";
join_adr.imr_interface.s_addr="加入多播组的主机地址信息";
setsockopt(recv_sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&join_adr,sizeof(time_live);
...
```
下面是 ip_mreq 结构体的定义：
```c
struct ip_mreq
{
struct in_addr imr_multiaddr; //写入加入组的IP地址
struct in_addr imr_interface; //加入该组的套接字所属主机的IP地址
};
```
#### 14.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver
多播中用「发送者」（以下称为 Sender） 和「接收者」（以下称为 Receiver）替代服务器端和客户端。顾名思义，此处的 Sender 是多播数据的发送主体，Receiver 是需要多播组加入过程的数据接收主体。下面是示例，示例的运行场景如下：
- Sender : 向 AAA 组广播（Broadcasting）文件中保存的新闻信息
- Receiver : 接收传递到 AAA 组的新闻信息。
下面是两个代码：
- [news_sender.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_sender.c)
- [news_receiver.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_receiver.c)
编译运行：
```
gcc news_sender.c -o sender
gcc news_receiver.c -o receiver
./sender 224.1.1.2 9190
./receiver 224.1.1.2 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/28/5c4e85a9aabcc.png)
通过结果可以看出，使用 sender 多播信息，通过 receiver 接收广播，如果延迟运行 receiver 将无法接受之前发送的信息。
### 14.2 广播
广播（Broadcast）在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输数据的范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接受数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。
#### 14.2.1 广播的理解和实现方法
广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法。与多播相同，广播也是通过 UDP 来完成的。根据传输数据时使用的IP地址形式，广播分为以下两种：
- 直接广播（Directed Broadcast）
- 本地广播（Local Broadcast）
二者在实现上的差别主要在于IP地址。直接广播的IP地址中除了网络地址外，其余主机地址全部设置成 1。例如，希望向网络地址 192.12.34 中的所有主机传输数据时，可以向 192.12.34.255 传输。换言之，可以采取直接广播的方式向特定区域内所有主机传输数据。
反之，本地广播中使用的IP地址限定为 255.255.255.255 。例如，192.32.24 网络中的主机向 255.255.255.255 传输数据时，数据将传输到 192.32.24 网络中所有主机。
**数据通信中使用的IP地址是与 UDP 示例的唯一区别。默认生成的套接字会阻止广播，因此，只需通过如下代码更改默认设置。**
```c
int send_sock;
int bcast;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));
...
```
### 14.2.2 实现广播数据的 Sender 和 Receiver
下面是广播数据的 Sender 和 Receiver的代码：
- [news_sender_brd.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_sender_brd.c)
- [news_receiver_brd.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_receiver_brd.c)
编译运行：
```
gcc news_receiver_brd.c -o receiver
gcc news_sender_brd.c -o sender
./sender 255.255.255.255 9190
./receiver 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/28/5c4e9113368dd.png)
### 14.3 基于 Windows 的实现
暂略
### 14.4 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
1. **TTL 的含义是什么？请从路由器的角度说明较大的 TTL 值与较小的 TTL 值之间的区别及问题。**
答：TTL 是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL设置过大会影响网络流量。当然，设置过小无法传递到目标。
2. **多播与广播的异同点是什么？请从数据通信的角度进行说明**。
答：在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输的数据范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接受数据。相反，广播只能向同意网络中的主机传输数据。
3. **下面关于多播的说法描述错误的是**？
答：以下内容加粗的为描述正确
1. 多播是用来加入多播组的所有主机传输数据的协议
2. 主机连接到同一网络才能加入到多播组，也就是说，多播组无法跨越多个网络
3. **能够加入多播组的主机数并无限制，但只能有 1个主机（Sender）向该组发送数据**
4. **多播时使用的套接字是 UDP 套接字，因为多播是基于 UDP 进行数据通信的。**
4. **多播也对网络流量有利，请比较 TCP 交换方式解释其原因**
答：TCP 是必须建立一对一的连接，如果要向1000个主机发送文件，就得传递1000次。但是此时用多播方式传输数据，就只需要发送一次。
5. **多播方式的数据通信需要 MBone 虚拟网络。换言之，MBone 是用于多播的网络，但它是虚拟网络。请解释此处的「虚拟网络」**
答：可以理解为「通过网络中的特殊协议工作的软件概念上的网络」。也就是说， MBone 并非可以触及的物理网络。他是以物理网络为基础，通过软件方法实现的多播通信必备虚拟网络。
## 第 15 章 套接字和标准I/O

176
ch14/README.md
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@@ -1 +1,175 @@
14.
## 第 14 章 多播与广播
本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
### 14.1 多播
多播（Multicast）方式的数据传输是基于 UDP 完成的。因此 ，与 UDP 服务器端/客户端的实现方式非常接近。区别在于，UDP 数据传输以单一目标进行，而多播数据同时传递到加入（注册）特定组的大量主机。换言之，采用多播方式时，可以同时向多个主机传递数据。
#### 14.1.1 多播的数据传输方式以及流量方面的优点
多播的数据传输特点可整理如下：
- 多播服务器端针对特定多播组，只发送 1 次数据。
- 即使只发送 1 次数据，但该组内的所有客户端都会接收数据
- 多播组数可以在 IP 地址范围内任意增加
多播组是 D 类IP地址（224.0.0.0~239.255.255.255），「加入多播组」可以理解为通过程序完成如下声明：
> 在 D 类IP地址中，我希望接收发往目标 239.234.218.234 的多播数据
多播是基于 UDP 完成的，也就是说，多播数据包的格式与 UDP 数据包相同。只是与一般的 UDP 数据包不同。向网络传递 1 个多播数据包时，路由器将复制该数据包并传递到多个主机。像这样，多播需要借助路由器完成。如图所示：
![](https://i.loli.net/2019/01/27/5c4d310daa6be.png)
若通过 TCP 或 UDP 向 1000 个主机发送文件，则共需要传递 1000 次。但是此时如果用多播网络传输文件，则只需要发送一次。这时由 1000 台主机构成的网络中的路由器负责复制文件并传递到主机。就因为这种特性，多播主要用于「多媒体数据实时传输」。
另外，理论上可以完成多播通信，但是不少路由器并不支持多播，或即便支持也因网络拥堵问题故意阻断多播。因此，为了在不支持多播的路由器中完成多播通信，也会使用隧道（Tunneling）技术。
#### 14.1.2 路由（Routing）和 TTL（Time to Live,生存时间），以及加入组的办法
为了传递多播数据包，必须设置 TTL 。TTL 是 Time to Live的简写，是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 用整数表示，并且每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，该数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL 的值设置过大将影响网络流量。当然，设置过小，也无法传递到目标。
![](https://i.loli.net/2019/01/27/5c4d3960001eb.png)
接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第九章的套接字可选项完成的。与设置 TTL 相关的协议层为 IPPROTO_IP ，选项名为 IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把 TTL 设置为 64
```c
int send_sock;
int time_live = 64;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
setsockopt(send_sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,(void*)&time_live,sizeof(time_live);
...
```
加入多播组也通过设置设置套接字可选项来完成。加入多播组相关的协议层为 IPPROTO_IP，选项名为 IP_ADD_MEMBERSHIP 。可通过如下代码加入多播组：
```c
int recv_sock;
struct ip_mreq join_adr;
...
recv_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
join_adr.imr_multiaddr.s_addr="多播组地址信息";
join_adr.imr_interface.s_addr="加入多播组的主机地址信息";
setsockopt(recv_sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(void*)&join_adr,sizeof(time_live);
...
```
下面是 ip_mreq 结构体的定义：
```c
struct ip_mreq
{
struct in_addr imr_multiaddr; //写入加入组的IP地址
struct in_addr imr_interface; //加入该组的套接字所属主机的IP地址
};
```
#### 14.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver
多播中用「发送者」（以下称为 Sender） 和「接收者」（以下称为 Receiver）替代服务器端和客户端。顾名思义，此处的 Sender 是多播数据的发送主体，Receiver 是需要多播组加入过程的数据接收主体。下面是示例，示例的运行场景如下：
- Sender : 向 AAA 组广播（Broadcasting）文件中保存的新闻信息
- Receiver : 接收传递到 AAA 组的新闻信息。
下面是两个代码：
- [news_sender.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_sender.c)
- [news_receiver.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_receiver.c)
编译运行：
```
gcc news_sender.c -o sender
gcc news_receiver.c -o receiver
./sender 224.1.1.2 9190
./receiver 224.1.1.2 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/28/5c4e85a9aabcc.png)
通过结果可以看出，使用 sender 多播信息，通过 receiver 接收广播，如果延迟运行 receiver 将无法接受之前发送的信息。
### 14.2 广播
广播（Broadcast）在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输数据的范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接受数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。
#### 14.2.1 广播的理解和实现方法
广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法。与多播相同，广播也是通过 UDP 来完成的。根据传输数据时使用的IP地址形式，广播分为以下两种：
- 直接广播（Directed Broadcast）
- 本地广播（Local Broadcast）
二者在实现上的差别主要在于IP地址。直接广播的IP地址中除了网络地址外，其余主机地址全部设置成 1。例如，希望向网络地址 192.12.34 中的所有主机传输数据时，可以向 192.12.34.255 传输。换言之，可以采取直接广播的方式向特定区域内所有主机传输数据。
反之，本地广播中使用的IP地址限定为 255.255.255.255 。例如，192.32.24 网络中的主机向 255.255.255.255 传输数据时，数据将传输到 192.32.24 网络中所有主机。
**数据通信中使用的IP地址是与 UDP 示例的唯一区别。默认生成的套接字会阻止广播，因此，只需通过如下代码更改默认设置。**
```c
int send_sock;
int bcast;
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
setsockopt(send_sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(void*)&bcast,sizeof(bcast));
...
```
### 14.2.2 实现广播数据的 Sender 和 Receiver
下面是广播数据的 Sender 和 Receiver的代码：
- [news_sender_brd.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_sender_brd.c)
- [news_receiver_brd.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch14/news_receiver_brd.c)
编译运行：
```
gcc news_receiver_brd.c -o receiver
gcc news_sender_brd.c -o sender
./sender 255.255.255.255 9190
./receiver 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/28/5c4e9113368dd.png)
### 14.3 基于 Windows 的实现
暂略
### 14.4 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
1. **TTL 的含义是什么？请从路由器的角度说明较大的 TTL 值与较小的 TTL 值之间的区别及问题。**
答：TTL 是决定「数据包传递距离」的主要因素。TTL 每经过一个路由器就减一。TTL 变为 0 时，数据包就无法再被传递，只能销毁。因此，TTL设置过大会影响网络流量。当然，设置过小无法传递到目标。
2. **多播与广播的异同点是什么？请从数据通信的角度进行说明**。
答：在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输的数据范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接受数据。相反，广播只能向同意网络中的主机传输数据。
3. **下面关于多播的说法描述错误的是**？
答：以下内容加粗的为描述正确
1. 多播是用来加入多播组的所有主机传输数据的协议
2. 主机连接到同一网络才能加入到多播组，也就是说，多播组无法跨越多个网络
3. **能够加入多播组的主机数并无限制，但只能有 1个主机（Sender）向该组发送数据**
4. **多播时使用的套接字是 UDP 套接字，因为多播是基于 UDP 进行数据通信的。**
4. **多播也对网络流量有利，请比较 TCP 交换方式解释其原因**
答：TCP 是必须建立一对一的连接，如果要向1000个主机发送文件，就得传递1000次。但是此时用多播方式传输数据，就只需要发送一次。
5. **多播方式的数据通信需要 MBone 虚拟网络。换言之，MBone 是用于多播的网络，但它是虚拟网络。请解释此处的「虚拟网络」**
答：可以理解为「通过网络中的特殊协议工作的软件概念上的网络」。也就是说， MBone 并非可以触及的物理网络。他是以物理网络为基础，通过软件方法实现的多播通信必备虚拟网络。

7
ch14/news.txt Normal file
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@@ -0,0 +1,7 @@
这是一段测试信息!
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

55
ch14/news_receiver.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,55 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int recv_sock;
int str_len;
char buf[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in adr;
struct ip_mreq join_adr;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
exit(1);
}
recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)
error_handling("bind() error");
//初始化结构体
join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //多播组地址
join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //待加入的IP地址
//利用套接字选项 IP_ADD_MEMBERSHIP 加入多播组，完成了接受指定的多播组数据的所有准备
setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (void *)&join_adr, sizeof(join_adr));
while (1)
{
//通过 recvfrom 函数接受多播数据。如果不需要知道传输数据的主机地址信息，可以向recvfrom函数的第5 6参数分贝传入 NULL 0
str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
if (str_len < 0)
break;
buf[str_len] = 0;
fputs(buf, stdout);
}
close(recv_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}

48
ch14/news_receiver_brd.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,48 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int recv_sock;
int str_len;
char buf[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in adr;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <PORT>\n", argv[0]);
exit(1);
}
recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(recv_sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr)) == -1)
error_handling("bind() error");
while (1)
{
//通过 recvfrom 函数接受数据。如果不需要知道传输数据的主机地址信息，可以向recvfrom函数的第5 6参数分贝传入 NULL 0
str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
if (str_len < 0)
break;
buf[str_len] = 0;
fputs(buf, stdout);
}
close(recv_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}

50
ch14/news_sender.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,50 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define TTL 64
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int send_sock;
struct sockaddr_in mul_adr;
int time_live = TTL;
FILE *fp;
char buf[BUF_SIZE];
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
exit(1);
}
send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建 UDP 套接字
memset(&mul_adr, 0, sizeof(mul_adr));
mul_adr.sin_family = AF_INET;
mul_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //必须将IP地址设置为多播地址
mul_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
//指定套接字中 TTL 的信息
setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (void *)&time_live, sizeof(time_live));
if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
error_handling("fopen() error");
while (!feof(fp)) //如果文件没结束就返回0
{
fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&mul_adr, sizeof(mul_adr));
sleep(2);
}
fclose(fp);
close(send_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}

48
ch14/news_sender_brd.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,48 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int send_sock;
struct sockaddr_in broad_adr;
FILE *fp;
char buf[BUF_SIZE];
int so_brd = 1;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
exit(1);
}
send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建 UDP 套接字
memset(&broad_adr, 0, sizeof(broad_adr));
broad_adr.sin_family = AF_INET;
broad_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
broad_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (void *)&so_brd, sizeof(so_brd));
if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
error_handling("fopen() error");
while (!feof(fp)) //如果文件没结束就返回0
{
fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&broad_adr, sizeof(broad_adr));
sleep(2);
}
fclose(fp);
close(send_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}