C++实现局域网IP多播

转自http://www.51cto.com/specbook/17/35216.htm

在局域网中,管理员常常需要将某条信息发送给一组用户。如果使用一对一的发送方法,虽然是可行的,但是过于麻烦,也常会出现漏发、错发。为了更有效的解决这种组通信问题,出现了一种多播技术(也常称为组播通信),它是基于IP层的通信技术。为了帮助读者理解,下面将简要的介绍一下多播的概念。众所周知,普通IP通信是在一个发送者和一个接收者之间进行的,我们常把它称为点对点的通信,但对于有些应用,这种点对点的通信模式不能有效地满足实际应用的需求。例如:一个数字电话会议系统由多个会场组成,当在其中一个会场的参会人发言时,要求其它会场都能即时的得到此发言的内容,这是一个典型的一对多的通信应用,通常把这种一对多的通信称为多播通信。采用多播通信技术,不仅可以实现一个发送者和多个接收者之间进行通信的功能,而且可以有效减轻网络通信的负担,避免资源的无谓浪费。

广播也是一种实现一对多数据通信的模式,但广播与多播在实现方式上有所不同。广播是将数据从一个工作站发出,局域网内的其他所有工作站都能收到它。这一特征适用于无连接协议,因为LAN上的所有机器都可获得并处理广播消息。使用广播消息的不利之处是每台机器都必须对该消息进行处理。多播通信则不同,数据从一个工作站发出后,如果在其它LAN上的机器上面运行的进程表示对这些数据“有兴趣”,多播数据才会制给它们。

本实例由Sender和Receiver两个程序组成,Sender用户从控制台上输入多播发送数据,Receiver端都要求加入同一个多播组,完成接收Sender发送的多播数据。

一、实现方法

1、协议支持

并不是所有的协议都支持多播通信,对Win32平台而言,仅两种可从WinSock内访问的协议(IP/ATM)才提供了对多播通信的支持。因通常通信应用都建立在TCP/IP协议之上的,所以本文只针对IP协议来探讨多播通信技术。
支持多播通信的平台包括Windows CE 2.1、Windows 95、Windows 98、Windows NT 4、Windows 2000和WindowsXP。自2.1版开始,Windows CE才开始实现对IP多播的支持。本文实例建立在WindowsXP专业版平台上。

2、多播地址

IP采用D类地址来支持多播。每个D类地址代表一组主机。共有28位可用来标识小组。所以可以同时有多达25亿个小组。当一个进程向一个D类地址发送分组时,会尽最大的努力将它送给小组的所有成员,但不能保证全部送到。有些成员可能收不到这个分组。举个例子来说,假定五个节点都想通过I P多播,实现彼此间的通信,它们便可加入同一个组地址。全部加入之后,由一个节点发出的任何数据均会一模一样地复制一份,发给组内的每个成员,甚至包括始发数据的那个节点。D类I P地址范围在244.0.0.0到239.255.255.255之间。它分为两类:永久地址和临时地址。永久地址是为特殊用途而保留的。比如,244.0.0.0根本没有使用(也不能使用),244.0.0.1代表子网内的所有系统(主机),而244.0.0.2代表子网内的所有路由器。在RFC 1700文件中,提供了所有保留地址的一个详细清单。该文件是为特殊用途保留的所有资源的一个列表,大家可以找来作为参考。”Internet分配数字专家组”(I A N A)负责着这个列表的维护。在表1中,我们总结了目前标定为”保留”的一些地址。临时组地址在使用前必须先创建,一个进程可以要求其主机加入特定的组,它也能要求其主机脱离该组。当主机上的最后一个进程脱离某个组后,该组地址就不再在这台主机中出现。每个主机都要记录它的进程当前属于哪个组。表1部分永久地址说明:

地 址 说 明
244.0.0.1 基本地址(保留)
244.0.0.1 子网上的所有系统
244.0.0.2 子网上的所有路由器
244.0.0.5 子网上所有OSPF路由器
244.0.0.6 子网上所有指定的OSPF路由器
244.0.0.9 RIP第2版本组地址
244.0.1.1 网络时间协议
244.0.1.24 WINS服务器组地址

3、多播路由器

多播由特殊的多播路由器来实现,多播路由器同时也可以是普通路由器。各个多播路由器每分钟发送一个硬件多播信息给子网上的主机(目的地址为244.0.0.1),要求它们报告其进程当前所属的是哪一组,各主机将它感兴趣的D类地址返回。这些询问和响应分组使用IGMP(Internet group management protocol),它大致类似于ICMP。它只有两种分组:询问和响应,都有一个简单的固定格式,其中有效载荷字段的第一个字段是一些控制信息,第二字段是一个D类地址,在RFC1112中有详细说明。
多播路由器的选择是通过生成树实现的,每个多播路由器采用修改过的距离矢量协议和其邻居交换信息,以便向每个路由器为每一组构造一个覆盖所有组员的生成树。在修剪生成树及删除无关路由器和网络时,用到了很多优化方法。

4、库支持

WinSock提供了实现多播通信的API函数调用。针对IP多播,WinSock提供了两种不同的实现方法,具体取决于使用的是哪个版本的WinSock。第一种方法是WinSock1提供的,要求通过套接字选项来加入一个组;另一种方法是WinSock2提供的,它是引入一个新函数,专门负责多播组的加入,这个函数便是WSAJoinLeaf,它是基层协议是无关的。本文将通过一个多播通信的实例的实现过程,来讲叙多播实现的主要步骤。因为Window98以后版本都安装了Winsock2.0以上版本,所以本文实例在WinSock2.0平台上开发的,但在其中对WinSock1实现不同的地方加以说明。

二、编程步骤

1、启动Visual C++6.0,创建一个控制台项目工程MultiCase。在此项目工程中添加Sender和Receiver两个项目。

Receiver项目实现步骤:

  • (1)、创建一个SOCK_DGRAM类型的Socket。
  • (2)、将此Socket绑定到本地的一个端口上,为了接收服务器端发送的多播数据。
  • (3)、加入多播组。
  • (4)、接收多播数据

####①、WinSock2中引入一个WSAJoinLeaf,此函数原型如下:

1
2
3
4
5
SOCKET WSAJoinLeaf( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name, int namelen,
LPWSABUF lpCallerData, LPWSABUF lpCalleeData, LPQOS lpSQOS,
LPQOS lpGQOS, DWORD dwFlags );

其中,第一个参数s代表一个套接字句柄,是自WSASocket返回的。传递进来的这个套接字必须使用恰当的多播标志进行创建;否则的话WSAJoinLeaf就会失败,并返回错误WSAEINVAL。第二个参数是SOCKADDR(套接字地址)结构,具体内容由当前采用的协议决定,对于IP协议来说,这个地址指定的是主机打算加入的那个多播组。第三个参数namelen(名字长度)是用于指定name参数的长度,以字节为单位。第四个参数lpCallerData(呼叫者数据)的作用是在会话建立之后,将一个数据缓冲区传输给自己通信的对方。第五个参数lpCalleeData(被叫者数据)用于初始化一个缓冲区,在会话建好之后,接收来自对方的数据。注意在当前的Windows平台上,lpCallerData和lpCalleeData这两个参数并未真正实现,所以均应设为NULL。LpSQOS和lpGQOS这两个参数是有关Qos(服务质量)的设置,通常也设为NULL,有关Qos内容请参阅MSDN或有关书籍。最后一个参数dwFlags指出该主机是发送数据、接收数据或收发兼并。该参数可选值分别是:JL_SENDER_ONLY、JL_RECEIVER_ONLY或者JL_BOTH。

####②、在WinSock1平台上加入多播组需要调用setsockopt函数,同时设置IP_ADD_MEMBERSHIP选项,指定想加入的那个组的地址结构。具体实现代码将在下面代码注释列出。

2、Sender实现步骤:

(1)、创建一个SOCK_DGRAM类型的Socket。
(2)、加入多播组。
(3)、发送多播数据。

3、编译两个项目,在局域网中按如下步骤测试:

(1)、将Sender.exe拷贝到发送多播数据的PC上。
(2)、将Receiver.exe拷贝到多个要求接收多播数据的PC上。
(3)、各自运行相应的程序。
(4)、在Sender PC上输入多播数据后,你就可以在Receiver PC上看到输入的多播数据。

三、程序代码

Receiver.c程序代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MCASTADDR "233.0.0.1" //本例使用的多播组地址。
#define MCASTPORT 5150 //绑定的本地端口号。
#define BUFSIZE 1024 //接收数据缓冲大小。
int main( int argc,char ** argv)
{
 WSADATA wsd;
 struct sockaddr_in local,remote,from;
 SOCKET sock,sockM;
 TCHAR recvbuf[BUFSIZE];
 /*struct ip_mreq mcast; // Winsock1.0 */
 int len = sizeof( struct sockaddr_in);
 int ret;
 //初始化WinSock2.2
 if( WSAStartup( MAKEWORD(2,2),&wsd) != 0 )
 {
  printf("WSAStartup() failed\n");
  return -1;
 }
 /*
 创建一个SOCK_DGRAM类型的SOCKET
 其中,WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF表示IP多播在控制面层上属于"无根"类型;
 WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF表示IP多播在数据面层上属于"无根",有关控制面层和
 数据面层有关概念请参阅MSDN说明。
 */
 if((sock=WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,
  WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF|WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF|
  WSA_FLAG_OVERLAPPED)) == INVALID_SOCKET)
 {
  printf("socket failed with:%d\n",WSAGetLastError());
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 //将sock绑定到本机某端口上。
 local.sin_family = AF_INET;
 local.sin_port = htons(MCASTPORT);
 local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 if( bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) == SOCKET_ERROR )
 {
  printf( "bind failed with:%d \n",WSAGetLastError());
  closesocket(sock);
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 //加入多播组
 remote.sin_family = AF_INET;
 remote.sin_port = htons(MCASTPORT);
 remote.sin_addr.s_addr = inet_addr( MCASTADDR );
 /* Winsock1.0 */
 /*
 mcast.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCASTADDR);
 mcast.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;
 if( setsockopt(sockM,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,(char*)&mcast,
sizeof(mcast)) == SOCKET_ERROR)
 {
  printf("setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP) failed:%d\n",WSAGetLastError());
  closesocket(sockM);
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 */
 /* Winsock2.0*/
 if(( sockM = WSAJoinLeaf(sock,(SOCKADDR*)&remote,sizeof(remote),
NULL,NULL,NULL,NULL,
JL_BOTH)) == INVALID_SOCKET)
 {
  printf("WSAJoinLeaf() failed:%d\n",WSAGetLastError());
  closesocket(sock);
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 //接收多播数据,当接收到的数据为"QUIT"时退出。
 while(1)
 {
  if(( ret = recvfrom(sock,recvbuf,BUFSIZE,0,
(struct sockaddr*)&from,&len)) == SOCKET_ERROR)
  {
   printf("recvfrom failed with:%d\n",WSAGetLastError());
   closesocket(sockM);
   closesocket(sock);
   WSACleanup();
   return -1;
  }
  if( strcmp(recvbuf,"QUIT") == 0 ) break;
  else {
   recvbuf[ret] = '\0';
   printf("RECV:' %s ' FROM <%s> \n",recvbuf,inet_ntoa(from.sin_addr));
  }
 }
 closesocket(sockM);
 closesocket(sock);
 WSACleanup();
 return 0;
}

Sender.c程序代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MCASTADDR "233.0.0.1" //本例使用的多播组地址。
#define MCASTPORT 5150 //本地端口号。
#define BUFSIZE 1024 //发送数据缓冲大小。
int main( int argc,char ** argv)
{
 WSADATA wsd;
 struct sockaddr_in remote;
 SOCKET sock,sockM;
 TCHAR sendbuf[BUFSIZE];
 int len = sizeof( struct sockaddr_in);
 //初始化WinSock2.2
 if( WSAStartup( MAKEWORD(2,2),&wsd) != 0 )
 {
  printf("WSAStartup() failed\n");
  return -1;
 }
 if((sock=WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,
  WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF|WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF|
  WSA_FLAG_OVERLAPPED)) == INVALID_SOCKET)
 {
  printf("socket failed with:%d\n",WSAGetLastError());
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 //加入多播组
 remote.sin_family = AF_INET;
 remote.sin_port = htons(MCASTPORT);
 remote.sin_addr.s_addr = inet_addr( MCASTADDR );
 if(( sockM = WSAJoinLeaf(sock,(SOCKADDR*)&remote,
  sizeof(remote),NULL,NULL,NULL,NULL,
  JL_BOTH)) == INVALID_SOCKET)
 {
  printf("WSAJoinLeaf() failed:%d\n",WSAGetLastError());
  closesocket(sock);
  WSACleanup();
  return -1;
 }
 //发送多播数据,当用户在控制台输入"QUIT"时退出。
 while(1)
 {
  printf("SEND : ");
  scanf("%s",sendbuf);
  if( sendto(sockM,(char*)sendbuf,strlen(sendbuf),0,(struct sockaddr*)
&remote,sizeof(remote))==SOCKET_ERROR)
  {
   printf("sendto failed with: %d\n",WSAGetLastError());
   closesocket(sockM);
   closesocket(sock);
   WSACleanup();
   return -1;
  }
  if(strcmp(sendbuf,"QUIT")==0) break;
  Sleep(500);
 }
 closesocket(sockM);
 closesocket(sock);
 WSACleanup();
 return 0;
}

四、小结

本实例对IP多播通信进行了探讨,实例程序由Sender和Receiver两部分组成,Sender用户从控制台上输入多播发送数据,Receiver端都要求加入同一个多播组,完成接收Sender发送的多播数据。