14.5 Socket 应用组播通信

组播通信是一种基于UDP协议的网络通信方式，它允许发送方将消息同时传递给多个接收方。在组播通信中，发送方和接收方都会加入一个共同的组播组，这个组播组对应一个特定的IP地址，所有加入该组播组的主机都能够接收到发送方发送的消息。组播通信可以有效地减少网络流量和网络负载，因为在传统的点对点通信方式下，每个消息都需要单独传输到每个接收方，而在组播通信中，每个消息只需要传输一次，就可以同时传递给多个接收方。

在使用组播模式时，需要在套接字上使用setsockopt()函数来设置套接字的IP_MULTICAST_IF选项，指定本地主机的出站接口地址，用于发送组播数据包。此外，还可以设置IP_ADD_MEMBERSHIP选项，将套接字加入到一个特定的组播组中，以便接收该组播组中的数据包。

在使用组播模式时需要读者注意，组播模式需要使用特定的IP地址范围，如224.0.0.0~239.255.255.255，且需要确保组播组内的所有成员都在同一个网络中。同时，组播模式也不保证数据传输的可靠性，因为UDP本身就是无连接的协议，所以需要在应用程序中自行处理数据丢失或重复的情况。

14.5.1 服务端实现

先来实现服务端代码，首先我们定义一个端口号PORT=9999并定义好组名GROUP="225.1.2.3"，接着通过调用两次setsockopt函数，第一次调用指定传入SO_REUSEADDR参数设置为组播模式，第二次调用指定传入IP_ADD_MEMBERSHIP用于设置组，经过两次设置服务端将被绑定到GROUP指定的组名上面，并在底部recvfrom循环等待数据包的到达，当数据包到达后则直接通过sendto发送一个消息给上线客户端。

#include <winsock.h>
#include <iostream>

#pragma comment(lib, "wsock32.lib")
#define PORT  9999
#define GROUP "225.1.2.3"

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
  WSADATA wsaData;
  struct sockaddr_in addr;
  int fd;
  struct ip_mreq mreq;

  // 初始化套接字
  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
  {
    std::cout << "初始化失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 创建套接字 SOCK_DGRAM 采用UDP
  if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
  {
    std::cout << "套接字创建失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 设置套接字为组播模式
  u_int yes = 1;
  if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&yes, sizeof(yes)) < 0)
  {
    std::cout << "设置组播模式失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  addr.sin_port = htons(PORT);

  // 绑定套接字
  if (bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) < 0)
  {
    std::cout << "绑定失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 设置组播模式中的组信息
  mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(GROUP);
  mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

  // 设置组
  if (setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (char *)&mreq, sizeof(mreq)) < 0)
  {
    int err = GetLastError();
    std::cout << "设置组失败: " << err << std::endl;
    return 0;
  }

  // 循环手法数据
  while (1)
  {
    char recv_buffer[4096];
    int addrlen = sizeof(addr);
    int nbytes;

    // 接收组播数据
    if ((nbytes = recvfrom(fd, recv_buffer, 4096, 0, (struct sockaddr *) &addr, (int *)&addrlen)) < 0)
    {
      std::cout << "接收数据包失败" << std::endl;
      return 0;
    }
    recv_buffer[nbytes] = '\0';
    std::cout << "接收组播数据包: " << recv_buffer << std::endl;

    // 发送组播数据包
    char send_buffer[4096] = "server mesage";
    sendto(fd, send_buffer, strlen(send_buffer), 0, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
  }

  return 0;
}

14.5.2 客户端实现

在组播模式中客户端的修改部分很简单，仅仅只需通过socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)函数设置套接字为UDP模式，并填充组名即可，其他通信模式与UDP保持一致。

#include <winsock.h>
#include <iostream>

#pragma comment(lib, "wsock32.lib")
#define PORT  9999
#define GROUP "225.1.2.3"

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
  WSADATA wsaData;
  struct sockaddr_in addr;
  int fd;

  // 初始化套接字
  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
  {
    std::cout << "初始化失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 创建套接字 SOCK_DGRAM 采用UDP
  if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
  {
    std::cout << "套接字创建失败" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 设置组播模式组信息
  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(GROUP);
  addr.sin_port = htons(PORT);

  // 循环
  while (1)
  {
    // 发送组播数据包
    char send_buffer[4096] = "Hello, World!";
    if (sendto(fd, send_buffer, strlen(send_buffer), 0, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) < 0)
    {
      std::cout << "发送失败" << std::endl;
      return 0;
    }

    // 接收组播数据
    int addrlen = sizeof(addr);
    char recv_buffer[4096] = { 0 };
    recvfrom(fd, recv_buffer, 4096, 0, (struct sockaddr *) &addr, (int *)&addrlen);
    std::cout << "接收组播数据包: " << recv_buffer << std::endl;
    Sleep(1000);
  }
  return 0;
}

读者可自行编译上述代码，运行一个服务端并运行多个客户端即可观察组播收发情况，如下图所示；