基于IP层通信的多播技术研究与介绍

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。

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

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。

①、 WinSock2中引入一个WSAJoinLeaf，此函数原型如下：

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。

（4）、接收多播数据。

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。

//////////////////////////////Receiver.c程序代码：

#include

#include

#include

#include

#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