UDP广播 - 技术栈

1、UDP广播

1.1、广播的概念

广播：由一台主机向该主机所在子网内的所有主机发送数据的方式

例如：192.168.3.103主机发送广播信息，则192.168.3.1~192.168.3.254所有主机都可以接收到数据

广播只能用UDP或原始IP实现，不能用TCP

1.2、广播的用途

单个服务器与多个客户主机通信时减少分组流通以下几个协议都用到广播

1、地址解析协议（ARP）

2、动态主机配置协议（DHCP）

3、网络时间协议（NTP）

1.3、广播的特点

同一子网内的所有主机都必须处理接收到的数据。这意味着当一台主机发送广播信息时，子网内的所有其他主机都将接收并处理该数据，无论它们是否需要该信息。
由于广播只能通过UDP或原始IP实现，因此UDP数据包会沿着协议栈向上传输，直到到达UDP层。这与TCP不同，TCP数据包在传输过程中会经过更多的协议层处理。
运行音频、视频等高速率应用时，广播通信可能会带来较大的负载。这是因为所有主机都必须处理接收到的数据，即使它们并不需要这些数据。这可能会导致网络拥塞和性能下降。
广播通信通常局限于局域网（LAN）内使用。这是因为广播信息会被发送到子网内的所有主机，而不同子网之间的通信通常需要使用其他网络协议，如单播或多播。

1.4、广播地址

{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

定向广播地址：主机ID全1

1、例：对于192.168.220.0/24，其定向广播地址为192.168.220.255 2、通常路由器不转发该广播

受限广播地址：255.255.255.255

路由器从不转发该广播

2 、广播与单播的对比

单播

广播

3 、广播流程

创建套接字 ：使用socket()函数创建一个数据报套接字（SOCK_DGRAM），以支持UDP通信。
设置广播权限 ：使用setsockopt()函数将套接字设置为允许发送广播数据。这通常需要设置SO_BROADCAST选项。
发送数据 ：使用sendto()函数向广播地址发送数据。广播地址是一个特殊的IP地址，用于表示子网内的所有主机。例如，在IPv4中，广播地址通常表示为子网掩码全1的形式。

接收广播数据的步骤如下：

创建套接字 ：与发送者一样，使用socket()函数创建一个数据报套接字（SOCK_DGRAM）。
绑定套接字 ：使用bind()函数将套接字与一个本地地址和端口号绑定。这将使套接字能够接收发送到该地址和端口的数据。
接收数据 ：使用recvfrom()函数接收发送到绑定地址和端口的数据。该函数将返回发送者的信息，包括其IP地址和端口号。

4、套接字选项

cpp 复制代码

#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int socket, int level, int option_name,
               const void *option_value, socklen_t option_len);

功能：设置一个套接字的选项（属性）

参数：
    socket：文件描述符
    level：协议层次
      SOL_SOCKET 套接字层次
      IPPROTO_TCP tcp层次
      IPPROTO_IP IP层次
    option_name：选项的名称
      SO_BROADCAST 允许发送广播数据（SOL_SOCKET层次的）
    option_value：设置的选项的值
    int类型的值，存储的是bool的数据（1和0）
      0 不允许
      1 允许
option_len：option_value的长度

返回值：
    成功：0
    失败：-1

5、广播示例

5.1 发送者

cpp 复制代码

//广播发送者代码实现
#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int sockfd; //文件描述符
    struct sockaddr_in broadcataddr; //服务器网络信息结构体
    socklen_t addrlen = sizeof(broadcataddr);

    //第一步：创建套接字
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //第二步：设置为允许发送广播权限
    int on = 1;
    if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on)) < 0)
    {
        perror("fail to setsockopt");
        exit(1);
    }

    //第三步：填充广播信息结构体
    broadcataddr.sin_family = AF_INET;
    broadcataddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //192.168.3.255 255.255.255.255
    broadcataddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    //第四步：进行通信
    char buf[128] = "";
    while(1)
    {
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        buf[strlen(buf) - 1] = '\0';

        if(sendto(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&broadcataddr, addrlen) < 0)
        {
            perror("fail to sendto");
            exit(1);
        }
    }

    return 0;
}

5.2 接收者

cpp 复制代码

#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int sockfd; //文件描述符
    struct sockaddr_in broadcataddr; 
    socklen_t addrlen = sizeof(broadcataddr);

    //第一步：创建套接字
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //第二步：填充广播信息结构体
    broadcataddr.sin_family = AF_INET;
    broadcataddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //192.168.3.255 255.255.255.255
    broadcataddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    //第三步：将套接字与广播信息结构体绑定
    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&broadcataddr, addrlen) < 0)
    {
        perror("fail to bind");
        exit(1);
    }

    //第四步：进行通信
    char text[32] = "";
    struct sockaddr_in sendaddr;

    while(1)
    {
        if(recvfrom(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&sendaddr, &addrlen) < 0)
        {
            perror("fail to recvfrom");
            exit(1);
        }
        
        printf("[%s - %d]: %s\n", inet_ntoa(sendaddr.sin_addr), ntohs(sendaddr.sin_port), text);
    }

    return 0;
}

执行结果