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UDP 单播、多播、广播：原理、实践

news 2025/7/2 20:31:56

一、引言

在计算机网络通信领域，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种重要的传输层协议。它以无连接、低开销的特点，在众多实时性要求高的应用场景中发挥关键作用。UDP 支持单播、多播和广播三种通信模式，每种模式都有其独特的应用场景和工作原理。深入理解这些通信模式，对于开发高效的网络应用程序至关重要。

二、UDP 基础概述

UDP 是一种无连接的传输层协议，它在网络层 IP 协议的基础上，为应用层提供了简单的数据传输服务。与面向连接的 TCP（Transmission Control Protocol）协议不同，UDP 不保证数据的可靠传输、顺序交付以及数据的完整性。然而，UDP 的这些特性使得它在一些对实时性要求较高，对数据准确性要求相对较低的场景中具有显著优势，如实时音频和视频流、在线游戏、网络管理等。

UDP 数据报由首部和数据两部分组成。首部长度固定为 8 字节，包含四个字段：

源端口号（16 位）：标识发送端应用程序的端口，用于接收端回发数据。
目的端口号（16 位）：标识接收端应用程序的端口，用于确定数据的接收方。
长度（16 位）：UDP 数据报的总长度，包括首部和数据部分，最小值为 8 字节（仅首部）。
校验和（16 位）：用于检测数据报在传输过程中是否发生错误，但校验和是可选的，若不使用则该字段设为全零。

三、UDP 单播

3.1 概念描述

UDP 单播是一种一对一的通信方式，发送端向特定的一个接收端发送数据。在这种通信模式下，发送端在 UDP 数据报的首部中明确指定接收端的 IP 地址和端口号。网络设备根据数据报中的目的 IP 地址，通过路由算法将数据报转发到目标接收端。单播通信的特点是数据传输的针对性强，只有目标接收端能够接收到数据，适用于大多数需要精确通信的场景，如客户端 - 服务器模型的应用程序。

3.2 示例代码实现

3.2.1 发送端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(buffer, 0, sizeof(buffer));// 设置服务器地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(PORT);servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);char *msg = "Hello, Server!";sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));printf("Message sent to server: %s\n", msg);close(sockfd);return 0;
}

3.2.2 接收端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));// 设置服务器地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字到地址if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);buffer[n] = '\0';printf("Message received from client: %s\n", buffer);close(sockfd);return 0;
}

3.3 编译和测试过程

编译
- 在终端中，切换到包含 udp_unicast_sender.c 和 udp_unicast_receiver.c 文件的目录。
- 编译发送端代码：gcc -o udp_unicast_sender udp_unicast_sender.c
- 编译接收端代码：gcc -o udp_unicast_receiver udp_unicast_receiver.c
测试
- 首先在一个终端中运行接收端程序：./udp_unicast_receiver
- 然后在另一个终端中运行发送端程序：./udp_unicast_sender
- 接收端将显示接收到的消息：Message received from client: Hello, Server!

四、UDP 广播

4.1 概念描述

UDP 广播是一种一对所有的通信方式，发送端向网络中的所有设备发送数据。广播地址分为两种类型：有限广播和直接广播。

有限广播：使用地址 255.255.255.255，它是一种受限的广播地址，仅在本地网络内进行广播，路由器不会转发以有限广播地址为目的地址的数据包。
直接广播：网络地址的主机位全为 1 的地址。例如，对于网络 192.168.1.0/24，其直接广播地址为 192.168.1.255。直接广播数据包可以被路由器转发到指定网络的所有主机。

4.2 原理

4.2.1 有限广播原理

发送端
- 发送端创建 UDP 套接字，并设置套接字选项以允许广播（setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable))），其中 broadcastEnable 为一个非零值，通常设为 1。
- 构造 UDP 数据报，将目的 IP 地址设置为 255.255.255.255，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数发送数据报，数据报将在本地网络内广播，所有监听该端口的设备都能接收。
接收端
- 接收端创建 UDP 套接字，并绑定到指定的端口号。
- 使用 recvfrom 函数接收数据报，当有广播数据到达时，接收端就能接收到。

4.2.2 直接广播原理

发送端
- 同样，发送端先创建 UDP 套接字并设置允许广播选项。
- 构造 UDP 数据报时，将目的 IP 地址设置为目标网络的直接广播地址，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数发送数据报，路由器会将该数据报转发到目标网络的所有主机。
接收端
- 接收端在目标网络内，创建 UDP 套接字并绑定到指定端口号。
- 使用 recvfrom 函数接收数据报，接收来自发送端的广播数据。

4.3 流程示意图

4.3.1 有限广播流程示意图

4.3.2 直接广播流程示意图

4.4 示例代码实现

4.4.1 有限广播发送端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define LIMITED_BROADCAST_IP "255.255.255.255"
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}int broadcastEnable = 1;// 设置套接字选项以允许广播if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {perror("setsockopt failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(buffer, 0, sizeof(buffer));// 设置有限广播地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(PORT);servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(LIMITED_BROADCAST_IP);char *msg = "Hello, Local Network!";sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));printf("Limited broadcast message sent: %s\n", msg);close(sockfd);return 0;
}

4.4.2 有限广播接收端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));// 设置服务器地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字到地址if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);buffer[n] = '\0';printf("Limited broadcast message received: %s\n", buffer);close(sockfd);return 0;
}

4.4.3 直接广播发送端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define DIRECT_BROADCAST_IP "192.168.1.255"
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}int broadcastEnable = 1;// 设置套接字选项以允许广播if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {perror("setsockopt failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(buffer, 0, sizeof(buffer));// 设置直接广播地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(PORT);servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DIRECT_BROADCAST_IP);char *msg = "Hello, 192.168.1.0 Network!";sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));printf("Direct broadcast message sent: %s\n", msg);close(sockfd);return 0;
}

4.4.4 直接广播接收端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));// 设置服务器地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字到地址if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);buffer[n] = '\0';printf("Direct broadcast message received: %s\n", buffer);close(sockfd);return 0;
}

4.5 编译和测试过程

编译
- 有限广播
  - 在终端中，切换到包含 udp_limited_broadcast_sender.c 和 udp_limited_broadcast_receiver.c 文件的目录。
  - 编译发送端代码：gcc -o udp_limited_broadcast_sender udp_limited_broadcast_sender.c
  - 编译接收端代码：gcc -o udp_limited_broadcast_receiver udp_limited_broadcast_receiver.c
- 直接广播
  - 切换到包含 udp_direct_broadcast_sender.c 和 udp_direct_broadcast_receiver.c 文件的目录。
  - 编译发送端代码：gcc -o udp_direct_broadcast_sender udp_direct_broadcast_sender.c
  - 编译接收端代码：gcc -o udp_direct_broadcast_receiver udp_direct_broadcast_receiver.c
测试
- 有限广播
  - 首先在本地网络内的多个终端中运行接收端程序：./udp_limited_broadcast_receiver
  - 然后在另一个终端中运行发送端程序：./udp_limited_broadcast_sender
  - 每个接收端都将显示接收到的有限广播消息：Limited broadcast message received: Hello, Local Network!
- 直接广播
  - 在目标网络（192.168.1.0/24 为例）内的多个终端中运行接收端程序：./udp_direct_broadcast_receiver
  - 在可以向该目标网络发送直接广播的设备上运行发送端程序：./udp_direct_broadcast_sender
  - 目标网络内的每个接收端都将显示接收到的直接广播消息：Direct broadcast message received: Hello, 192.168.1.0 Network!

五、UDP 多播

5.1 概念描述

UDP 多播（也称为组播）是一种一对多的通信方式，发送端向一组特定的接收端发送数据。这组接收端通过加入同一个多播组来接收数据。多播使用 D 类 IP 地址（范围是 224.0.0.0 到 239.255.255.255）来标识多播组。发送端将数据发送到多播组的 IP 地址，网络会将数据转发给组内的所有成员。多播适用于一些需要向特定的一组设备发送相同数据的场景，如在线视频会议、流媒体分发等。与广播不同，多播不会向网络中的所有设备发送数据，只有加入了相应多播组的设备才会接收数据，这样可以减少网络流量，提高传输效率。

5.2 原理

发送端
- 发送端创建 UDP 套接字。
- 构造 UDP 数据报时，将目的 IP 地址设置为多播组的 IP 地址，目的端口号设置为接收端监听的端口号。
- 使用 sendto 函数将数据报发送出去，网络会根据多播路由协议将数据转发到多播组的成员。发送端不需要关心组内成员的具体 IP 地址，只需要知道多播组的地址。
接收端
- 接收端创建 UDP 套接字，并绑定到指定的端口号。
- 为了加入多播组，接收端需要使用 setsockopt 函数设置套接字选项。具体来说，需要设置 IP_ADD_MEMBERSHIP 选项，代码如下：

struct ip_mreq mreq;
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);
mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;
if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {perror("setsockopt failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);
}

这里，mreq 结构体包含多播组的 IP 地址和本地接口地址。通过设置 IP_ADD_MEMBERSHIP 选项，接收端通知操作系统将该套接字加入指定的多播组。之后，接收端使用 recvfrom 函数接收数据报，就能接收到发往该多播组的所有数据。

5.3 流程示意图

5.4 示例代码实现

5.4.1 多播发送端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define MULTICAST_IP "224.1.1.1"
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(buffer, 0, sizeof(buffer));// 设置多播地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(PORT);servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);char *msg = "Hello, Multicast Group!";sendto(sockfd, (const char *)msg, strlen(msg), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));printf("Multicast message sent: %s\n", msg);close(sockfd);return 0;
}

5.4.2 多播接收端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define MULTICAST_IP "224.1.1.1"
#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char const *argv[]) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;struct ip_mreq mreq;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建 UDP 套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));// 设置服务器地址servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字到地址if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 设置多播组地址和本地接口地址mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;// 加入多播组if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {perror("setsockopt failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);buffer[n] = '\0';printf("Multicast message received: %s\n", buffer);close(sockfd);return 0;
}

5.5 编译和测试过程

编译
- 在终端中，切换到包含 udp_multicast_sender.c 和 udp_multicast_receiver.c 文件的目录。
- 编译发送端代码：gcc -o udp_multicast_sender udp_multicast_sender.c
- 编译接收端代码：gcc -o udp_multicast_receiver udp_multicast_receiver.c
测试
- 首先在多个终端中运行接收端程序（模拟多播组成员）：./udp_multicast_receiver
- 然后在另一个终端中运行发送端程序：./udp_multicast_sender
- 每个接收端都将显示接收到的多播消息：`Multicast message received: Hello, Multicast Group!