UDP广播

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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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 

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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）。
2. 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。
3. 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 

#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

//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

#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