多播的实现和需要注意的问题

前段时间研究了一小段时间的网络多播问题，自己很有感触，把自己的经历写出来，希望有需要的可以少走一些弯路。

先说一下原理，我觉得这个还是需要说一下的。

网络中存在三种传输概念，单播，多播，广播，单播和广播大家可能都很了解，单播，连接的建立是一对一的，广播则是向一个网络内所有用户发送。

我们这里只说多播，多播的好处我就不说了，节省带宽什么的。

其实我个人觉得，单播多播都可以看错是某种意义上的广播，单播可以理解为网络只有一个用户，多播则可以理解为是受限制的一组广播用户(指定的一组用户)。

网络中存在五种IP地址，A,B,C,D,E类

需要明白的一点事，IP地址分为两部分，IP=类别+网络号+主机号

其中，对于A类地址来说，10.0.0.0 ~ 10.255.255.255为私有地址，127.0.0.0~127.255.255.255为回环地址，主机ID全0标识一个网络，主机ID全1表示广播地址，B类地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255为私有地址，主机ID全0标识一个网络，主机ID全1表示广播地址，C类地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255为私有地址(这个应该很熟悉吧)，主机ID全0标识一个网络，主机ID全1表示广播地址。

组播对应的MAC地址：01-00-5e-xx-xx-xx

映射关系：

多播只会由感兴趣的端口接收，他是怎么知道这些端口的呢?这里就要说D类地址了。这里一定要理解一个概念：多播组。多播的数据是定向的发给一个多播组的，这样凡是多播组内的成员就会收到数据，有人问了，网络上有那么多多播组，是怎么知道要发给哪个组。这里就是D类地址了，D类地址充当了多播组的标识，记住，仅仅是标识。可以理解为，多播组的目的地址，多播组的ID。所有的主机可以选择加入多播组，也就是被标记为一个该多播组的一个ID。如何加入多播组是技术问题，我们后面讲。

那么接下来的问题是，分布在全球的这么多台主机，如果美国的一台主机加入了这个多播组，英国的一个主机也加入了同样一个多播组，而我源头是中国这边的主机，那么他怎么发过去呢?

需要考虑的问题，数据包如何到达子网路由器(主机-路由器之间的组成员关系协议)，数据包如何在公网内路由(路由器-路由器之间的组播路由协议)(转发规则)，数据如何被目的子网路由器接受并转发。

首先，这个数据包要能到达你所在的子网的路由器，这一步如何实现的?答案，是IGMP协议。

IGMP(Internet Group Management Protocol)，看名字就可以看出是因特网组播管理协议。是主机与路由器之间唯一的信令协议。目前有三个版本，V1，V2，V3(不同之处主要是V1，V2，V2是主动离开组播组，V1则是不会主动离开).通过用wireshark软件抓包测试，你会发现，目前网络上大部分是V2版本的组播协议包。主机向本地路由器发送一个IGMP，加入相对应的组播(组播地址端口，自己定义)。这样主机是可以加入组播了，但是到来的组播数据包是如何知道数据包要发给谁呢?还是IGMP!当发现有数据包来的时候，本地路由器向本地子网内的主机发送一个查询报文(IGMP)，加入了多播组的主机则会发送一个回复给路由器(IGMP包)，那后面就会转发此数据包了。如果主机要离开组播组怎么办呢?也是IGMP!主机只需要向路由器发送一个离开的消息(IGMP包)给路由器就可以了。

数据发送到路由器后，路由器根据什么将数据包转发到其他路由器呢(公网内路由器的转发)?答案是：域内组播路由协议及域间组播路由协议。其实个人感觉不需要区分这个域间和域内路由，我们只需要关心，数据包可以在因特网上自由转发就可以了。这里需要知道的是两个域内路由协议，PIM-SM，PIM-DM，DVMRP(主要区别是密集模式和稀疏模式区别)。路由器间的转发需要的是这几个路由协议，原理在网上一搜一大堆，我就不讲了。这几个协议主要在转发，邻居发现什么的有些区别，比如说剪枝策略。

组播的转发利用了一个叫逆向路径转发策略(RPF)，RPF协议决定是否转发次数据包以及丢弃掉。

路由器检查到达组播包的源地址，如果信息包是在可返回源站点的接口上到达，则RPF检查成功，信息包被转发如果RPF检查失败，丢弃信息包。

大家这个时候可能对这个有些概念，组播说的也很神乎，比如很省带宽，毕竟是一发多，只需要发送一份，但是可以很多都接受。比单播好用多了，那你可能会问，那组播的应用应该很广了?答案是肯定的，组播的应用很多，比如多媒体会议，联网游戏等。但是有个问题目前确实致命的!应用的条件：路由器没有开启这个功能!

大致可以说一下组播路由的过程，数据包从源端口出发，经路由器转发(这个应该是所有路由器都会经过，可是所有哦)，然后到达有目的组播的成员则转发给他。这个时候你可能会发现一个问题，如果组播大规模应用的话，那网络上这种数据包会非常多，毕竟谁都可以创建组播组，然后发送，路由器是要进行转发的。

我自己本来也是想实现一个组播功能的类似于视频会议的应用的，但是测试的时候发现，数据包就是冲不出去内网，只能在局域网内转(局域网内可以收到)。后来发现是路由器虽然有这个功能，但是默认都给关闭了。记得当时查这个资料的时候，在一个路由器管理员配置的一个BBS，上面一个人发帖，有人回答说：管理员如果开启这个功能，那只能说有病。足可以看出，目前路由器对组播支持的尴尬处境。

所以这里只是提醒一下做这个的朋友，路由器对这个支持不是很好，如果要做的话多考虑一下。可能我理解不对，如果有做出来这个的，希望能提供观点哈。

附一个简单的多播程序，同一子网下运行无误，只需要打开这个客户端就可以。两个进程，一个负责发，一个负责接收。

#include <iostream>   
#include <winsock2.h> //注意这里的include文件顺序   
#include <Ws2tcpip.h>   
#include <process.h> //_beginthread要求   
   
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")   
   
using namespace std;   
   
const char* MULTICAST_IP = "230.1.1.99"; //多播组地址   
const int MULTICAST_PORT = 2002; //多播组端口   
   
const int BUFFER_SIZE = 1024;   
   
void do_send(void* arg); //读取用户输入并发送到多播组线程函数   
void do_read(void* arg); //读物多播组数据函数   
   
int main()   
{   
    //这个结构被用来存储被WSAStartup函数调用后返回的Windows Sockets数据。   
    //它包含Winsock.dll执行的数据。   
        WSAData wsaData;   
   
        /*  
        使用Socket的程序在使用Socket之前必须调用WSAStartup函数。该函数的第一个参数指明程序请求使用的Socket版本，其中高位字节指明副版本、低位字节指明主版本；操作系统利用第二个参数返回请求的Socket的版本信息。  
        加载Windows套接字动态链接库  
        */   
        if( WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData) != 0 )   
        {   
        cout <<"Error in WSAStartup"<<endl;   
        return 0;   
        }   
   
        SOCKET server;   
        //原始的方式   
        /*  
        第一个参数指定应用程序使用的通信协议的协议族，对于TCP/IP协议族，该参数置AF_INET;  
        第二个参数指定要创建的套接字类型，流套接字类型为SOCK_STREAM、数据报套接字类型为SOCK_DGRAM、  
        原始套接字SOCK_RAW(WinSock接口并不适用某种特定的协议去封装它，而是由程序自行处理数据包以及协议首部）；  
        另一种方式WSASocket  
        */   
        server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建一个UDP套接口   
        cout<<"create socket: "<<server<<endl;   
   
        int ret ;   
   
        const int on = 1; //允许程序的多个实例运行在同一台机器上   
        /*  
        调用setsockopt()函数为套接字设置SO_REUSEADDR选项，以允许套接字绑扎到一个已在使用的地址上。设置套接字的选项  
        */   
        ret = setsockopt(server, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&on, sizeof(on));   
        if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        WSACleanup();   
           
        cout<<"Error in setsockopt(SO_REUSEADDR): "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        return 0;   
        }   
           
        const int routenum = 10;   
   
        //ret = setsockopt(server,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,\   
           
        ret = setsockopt(server,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL,\   
        (char*)&routenum,sizeof(routenum));   
        if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        WSACleanup();   
   
        cout<<"Error in setsockopt(IP_MULTICAST_TTL): "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        return 0;   
        }   
   
        const int loopback = 0; //禁止回馈   
        //使组播报文环路有效或无效   
        ret = setsockopt(server,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,\   
        (char*)&loopback,sizeof(loopback));   
        if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        WSACleanup();   
   
        cout<<"Error in setsockopt(IP_MULTICAST_LOOP): "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        return 0;   
        }   
        //地址信息，local设置为多播组端口   
        sockaddr_in local;   
        memset(&local, 0, sizeof(local));   
        local.sin_family = AF_INET;   
        local.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);   
        //INADDR_ANY为0.0.0.0   
        local.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;   
           
        ret = bind(server, (sockaddr*)(&local), sizeof(local));   
   
        if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        WSACleanup();   
   
        cout<<"Error in bind: "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        return 0;   
        }   
        //多播组结构   
        ip_mreq mreq;   
        memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));   
        //本机地址   
        mreq.imr_interface.S_un.S_addr = INADDR_ANY;   
        //点分十进制地址转化为IP地址   
        mreq.imr_multiaddr.S_un.S_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);   
   
        //加入一个多播组   
        ret = setsockopt(server,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,\   
        (char*)&mreq,sizeof(mreq));   
        if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        WSACleanup();   
   
        cout<<"Error in setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP): "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        return 0;   
        }   
   
        //创建了两个线程，一个读用户输入并发送，一个读多播组数据   
        HANDLE hHandle[2];   
        hHandle[0] = (HANDLE)_beginthread(do_send,0,(void*)server);   
        hHandle[1] = (HANDLE)_beginthread(do_read,0,(void*)server);   
   
        //如果用户输入结束，程序就终止了   
        WaitForSingleObject(hHandle[0], INFINITE);   
   
        WSACleanup();   
   
        return 0;   
}   
   
void do_send(void* arg)   
        {   
        SOCKET server = (SOCKET)arg;   
   
        char sendline[BUFFER_SIZE+1];   
   
        sockaddr_in remote;   
        memset(&remote, 0, sizeof(remote));   
        remote.sin_addr.s_addr = inet_addr ( MULTICAST_IP );   
        remote.sin_family = AF_INET ;   
        remote.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);   
   
        for(;;) //读取用户输入知道用户输入"end"   
        {   
        cin.getline(sendline, BUFFER_SIZE);   
   
        if(strncmp(sendline,"end",3)==0)   
            break;   
   
        //发送用户输入的数据到多播组   
        sendto(server, sendline, strlen(sendline), 0, (sockaddr*)(&remote), sizeof(remote));    
        }   
   
        cout<<"do_send end..."<<endl;   
}   
   
void do_read(void* arg)   
{   
        SOCKET server = (SOCKET)arg;   
   
        char buf[BUFFER_SIZE+1];   
        int ret;   
   
        sockaddr_in client;   
        int clientLen;   
   
        for(;;) //一直读取知道主线程终止   
        {   
        clientLen = sizeof(client);   
        memset(&client, 0, clientLen);   
   
        ret = recvfrom(server, buf, BUFFER_SIZE, 0, (sockaddr*)(&clientLen), &clientLen);   
        if ( ret == 0) //do_read在用户直接回车发送了一个空字符串   
        {   
        continue;   
        }   
        else if( ret == SOCKET_ERROR )   
        {   
        if( WSAGetLastError() == WSAEINTR ) //主线程终止recvfrom返回的错   
        break;   
   
        cout<<"Error in recvfrom: "<<WSAGetLastError()<<endl;   
        break ;   
        }   
        buf[ret] = '\0';   
        cout<<"received: "<<buf<<endl;   
        }   
   
        cout<<"do_read end..."<<endl;   
}