一、概念：

1. 单播、广播和组播三者都是使用UDP协议进行数据传输的。可以这样理解， 客户端和服务器相互通信前不需要建立连接，直接向指定的对方ip地址和端口号发送数据， 无论对方是否存在，是否在线，以及是否收到数据，均不用关心；

2. 三者区别：

---单播：用于两个主机之间的端对端通信；

---广播：用于一个主机对整个局域网上所有主机上的数据通信，网络中的所有主机都会接收同一份数据副本；

---组播：用于对一组特定的主机进行通信，且这个特定的组内主机可以动态添加和删除多台主机，组内所有主机收到相同一份数据副本；

本文将主要讨论一对多的服务：广播（broadcast）和多播（multicast），单播通信见另一篇UDP和TCP网络通信的文章；

二、广播通信：

1. 广播的用途：

1) 地址解析协议（ARP，寻找IP地址对应的MAC地址）

? 2) 动态主机配置协议（DHCP，向路由器申请IP地址）

? 3) 网络时间协议（NTP）

2. 广播的特点:

1) 处于同一子网的所有主机都必须处理数据;

2) UDP数据包会沿协议栈向上一直到UDP层

3) 运行音视频等较高速率工作的应用，会带来大负载

4) 局限于局域网内使用，不可用于广域网;

3. 广播地址：

先说明下主机IP的组成：网络ID + 主机ID

---网络ID表示由子网掩码中1覆盖的连续位

---主机ID表示由子网掩码中0覆盖的连续位

1) 定向广播地址：主机ID全1

对于192.168.1.0/24，其定向广播地址为192.168.1.255(所有主机必须无条件接收)

2) 受限广播地址：255.255.255.255;

3) 广播信息是不会被路由器转发，即只能在同一网段内通信

4）端口号可以自定义，但发送和接收端应保持一致才能收到；

4. 调用接口和流程：

广播通信是UDP通信的一种特殊情况，所以从socket创建到数据的收发与UDP单播通信是一样的，主要区别在setsockopt函数的设置；

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &yes, sizeof(int));

具体参数如下：

---广播包发送流程如下：

1) 创建UDP套接字；socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)

2) 填充广播信息结构体；struct sockaddr_in

3) 设置套接字选项允许发送广播包；setsockopt（， ，SO_BROADCAST， ，）

4) 发送数据包；sendto( )

---广播包接收流程如下：

1) 创建UDP套接字；socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)

2) 填充广播信息结构体；struct sockaddr_in

3) 绑定地址和端口；bind( )

4) 接收数据包；recvfrom( )

5. 例子程序：

--------------广播发送: broadcast_send.c-----------------------------------

	#include <stdio.h>
	#include <sys/socket.h>
	#include <netinet/in.h>
	#include <string.h>
	#include <arpa/inet.h>

	int main(int argc, char const *argv[])
	{
		//创建一个udp套接字
		int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

		if(sockfd < 0)
		{
			perror("sockfd");
			return -1;
		}
		
		//设置套接字允许广播
		int yes = 1;
		int k = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &yes, sizeof(int));
		if(k < 0)
		{
			perror("stsockopt");
			return -1;
		}
		
		//定义地址结构存放广播地址信息
		struct sockaddr_in dst_addr;
		bzero(&dst_addr, sizeof(dst_addr));
		dst_addr.sin_family = AF_INET;
		dst_addr.sin_port = htons(9000);
		dst_addr.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.1.255"); //广播地址
		
		//连接发送3次广播数据
		for(int i = 0; i < 3; i++)
		{
			sendto(sockfd, "this is broadcast", strlen("this is broadcast"), \
				  0, (struct sockaddr *)&dst_addr, sizeof(dst_addr));
			sleep(1);
		}
		
		close(sockfd);
		return 0;
	}

--------------广播接收：broadcast_receive.c-----------------------------------

		#include <stdio.h>
		#include <sys/socket.h>
		#include <netinet/in.h>
		#include <string.h>
		#include <arpa/inet.h>

		int main(int argc, char const *argv[])
		{
			int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//创建套接字
			
			if(sockfd<0)
			{
				perror("sockfd");
				return -1;
			}
			
			struct sockaddr_in server,client; 
			server.sin_family=AF_INET;
			server.sin_port=htons(9000);
			server.sin_addr.s_addr=inet_addr("0");
			int n=sizeof(server);

			int ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&server,n);//绑定套接字
			if(ret<0)
			{
				perror("bind");
			}   

			char buf[64]={0};
			int m=sizeof(client);
			while(1)
			{
				/*接收广播信息*/
				recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr*)&client,&m);
				
				/*打印发送端的主机信息*/
				printf("clinet IP=%s client port=%d\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
				
				/*打印接收到的的广播信息*/
				printf("message:%s\n",buf);	
				memset(buf,0,sizeof(buf));
			}
			close(sockfd);
		 
			return 0;
		}

三、组播通信：

1. 组播的用途：

组播通信也是UDP协议的一种特殊情况， 不过有专门的组播地址。 多播是Linux系统中实现网络通信的重要方式，可以实现将消息发送到网络上的所有设备或者特定的一组设备。 这种通信方式在网络管理、视频会议等应用场景中都有着广泛的应用，如当前广泛使用的QQ，微信等均采用此技术；

2. 组播地址和特点:

1) 组播的实现依赖于D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。这些地址被划分为局部链接组播地址、预留组播地址和管理权限组播地址。

具体分配如下：

224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；

224.0.1.0～224.0.1.255是公用组播地址，可以用于Internet；

224.0.2.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；

239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

2)主机可以向路由器请求加入或退出某个组播组，然后路由器和交换机会有选择地复制并传输数据，只将数据传输给组内的主机。

3）组播技术特点包括：

a. 带宽效率：组播允许数据在同一分组的主机之间共享，节省了网络带宽。

b. 服务器负载：由于组播协议由接收者的需求来确定是否进行数据流的转发，所以服务器端的带宽是常量，与客户端的数量无关。

c. 广域网支持：与广播不同，组播可以在广域网，如Internet上进行。

4. 调用接口和流程：

特别重要的设置函数：

int setsockopt( int sockfd, int level,int optname,const void *optval, socklen t optlen );

---发送端调用流程如下：

1) 创建套接字;

2) 初始化多播地址;

3) 设置协议族为AF;

4) 设置多播IP地址;

5) 设置多播端口;

6) 向多播地址发送数据;

8) 关闭套接字;

---接收端调用流程如下：

1) 创建套接字;

2) 初始化本地地址;

3) 绑定socket;

4) 设置回环许可;

5) 加入播播组;

6) 开始循环，接收数据;

7) 离开组播组；

8) 关闭套接字;

说明：组播的几个重要设置

---设置回环地址：

//set the loopback case

setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP, ...);

---打开组播设置：

setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, ..., ...);

---加入组播组：

setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, ..., ...);

---离开组播组：

setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, ..., ...);

---设置数据包的

setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_HOPS, ..., ...);

5. 例子程序：

注意点：

1)必须用setsockopt函数开通套接字的组播权限。发送端使用IPPROTO_IP和IP_MULTICAST_IF

2)函数if_nametoindex的作用是通过网卡的名字，取得网卡的mac地址。

		-------------组播发送：multicast_send.c-----------------------------------
		#include <sys/types.h> 
		#include <sys/socket.h>
		#include <arpa/inet.h>
		#include <stdlib.h>
		#include <unistd.h>
		#include <stdio.h>
		#include <string.h>
		#include <net/if.h>
		
		#define MULTICAST_IP	234.5.6.7

		int main(int agrc, char** argv){

		  /*1. */	
		  int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

		  int port = atoi(argv[1]);
		  struct sockaddr_in addr;
		  addr.sin_family = AF_INET;
		  addr.sin_port = htons(port);
		  addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
		  
		  bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
		 
		  struct ip_mreqn n;
		  inet_pton(AF_INET, MULTICAST_IP, &n.imr_multiaddr.s_addr);//组播地址
		  inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &n.imr_address.s_addr);//本机地址
		  n.imr_ifindex = if_nametoindex("enp0s3");//本机的通信用的网卡的物理地址，可以用ifconfig查看
		  
		  int ret =  setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF,
					&n, sizeof(n));
		  
		  struct sockaddr_in client;
		  memset(&client, 0, sizeof(client));
		  client.sin_family = AF_INET;
		  client.sin_port = htons(6666);
		  inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &client.sin_addr.s_addr);
		  
		  int cnt = 0;
		  while(1){
			char buf[64] = {0};
			sprintf(buf, "count=%d", cnt++);
			int ret = sendto(fd, buf, sizeof buf, 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
			if(ret == -1){
			  perror("sendto -1");
			}
			sleep(1);
		  }		  
		}

-------------组播接收端 :multicast_receive.c-----------------------------------

注意点：

1)必须用setsockopt函数把接收端的套接字加入到组播的组里。接收端使用IPPROTO_IP和IP_ADD_MEMBERSHIP

2)由于组播的时候，必须指定接收端的端口号，所以接收端必须调用bind函数，显示的指定自己用的端口号

		#include <sys/types.h> 
		#include <sys/socket.h>
		#include <arpa/inet.h>
		#include <stdlib.h>
		#include <unistd.h>
		#include <stdio.h>
		#include <string.h>
		#include <net/if.h>
		
		#define MULTICAST_IP	234.5.6.7

		int main(int agrc, char** argv){

		  int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

		  struct sockaddr_in addr;
		  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
		  addr.sin_family = AF_INET;
		  addr.sin_port = htons(6666);
		  //addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
		  inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &addr.sin_addr.s_addr);
		  socklen_t len = sizeof(addr);

		  bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

		  struct ip_mreqn n;
		  inet_pton(AF_INET, MULTICAST_IP, &n.imr_multiaddr.s_addr);
		  inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &n.imr_address.s_addr);
		  n.imr_ifindex = if_nametoindex("enp0s3");
		  
		  int ret =  setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,
					&n, sizeof(n));  
		  
		  while(1){
			char buf[64] = {0};
			int ret = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
			write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
			sleep(1);
		  }
	}