单播、组播、广播

​​​​​​

概念

单播（Unicast）

单播是网络中最常用、最基本的通信方式。在单播通信中，数据包从一个节点发送到特定的另一个节点。换句话说，发送端和接收端之间建立一对一的连接，然后进行数据传输。

例如，你在浏览器中输入网址访问某个网站时，你的计算机（发送端）会向服务器（接收端）发送请求，这就是单播通信。

组播（Multicast）

组播是一种在网络中进行组间通信的方式，即从一个节点发送到一组节点。发送者只发送一次消息，而网络负责复制并将该消息分发给所有属于目标组的成员。这种模式可以节省带宽，因为信息不需要被重复发送。

例如，视频会议软件如Zoom或Webex就使用了组播技术，允许一个人与多人视频通话。

广播（Broadcast）

广播是指从一个节点发送数据到网络中所有其他节点。在这种模式下，发送节点只发送一次数据，然后所有的节点都会接收到这个数据。

例如，在局域网内，如果一个设备要查找另一个设备，就会发送一个ARP广播请求，询问哪个设备拥有特定的IP地址。每台设备都会接收到这个广播消息，并检查自己是否拥有那个IP地址。如果有，则回复ARP请求。

以上，就是单播、组播和广播的基本概念。

组播

组播的工作原理主要涉及以下几个步骤：

1. 定义组播组：首先，需要确定一个特定的组播IP地址来定义一个组播组。这个组播IP地址就是用来标识这个组播组的。

2. 加入组播组：如果一个设备（通常是一个网络应用程序）希望接收到某个组播组的信息，它需要加入到对应的组播组中。加入组播组通常是在应用程序层面上完成的，具体步骤包括创建socket，绑定端口，以及设置socket选项以加入组播组。

3. 发送组播信息：当一个设备要发送组播信息时，它只需要将数据包的目标IP地址设为组播组的IP地址并发送出去。网络设备如路由器会负责复制和分发这个数据包，将其传送给所有加入了该组播组的设备。

4. 接收组播信息：加入了组播组的设备会接收到所有发往该组播组的数据包。系统会根据数据包的目标端口号，将数据包传送给绑定了该端口的应用程序。

5. 离开组播组：如果一个设备不再需要接收某个组播组的信息，它可以选择退出该组播组。

这就是组播的基本工作原理。通过使用组播，我们可以实现一对多的通信，而且只需要发送一次数据包，大大提高了网络传输的效率。这种技术在很多场景下都很有用，比如视频会议、IPTV、在线游戏等。

//加入组播组的C++样例
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main() {int sockfd;struct sockaddr_in local_addr;struct ip_mreqn group;// 创建socketsockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;return -1;} // 绑定端口memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));local_addr.sin_family = AF_INET;local_addr.sin_port = htons(YOUR_PORT); // 将YOUR_PORT替换为你的端口号local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr));// 加入组播组memset(&group, 0, sizeof(group));inet_pton(AF_INET, "MULTICAST_GROUP_IP", &group.imr_multiaddr); // 将MULTICAST_GROUP_IP替换为你的组播IP地址group.imr_ifindex = 0;setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &group, sizeof(group));// 接收数据char buf[1024] = {0};while(1) {memset(buf, 0, sizeof(buf));recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);std::cout << buf << std::endl;}close(sockfd);return 0;
}

组播地址和广播地址

广播地址（Broadcast Address）

广播地址是网络中用于将信息发送到网络上所有设备的特殊IP地址。在IPv4环境中，广播地址通常设置为主机地址部分全为1的地址。例如，在一个192.168.1.0/24的子网中，广播地址为192.168.1.255。

当一台设备向广播地址发送数据包时，网络上的所有设备都应接收和处理这个数据包。广播主要用于ARP请求、DHCP等无法预知目标主机具体地址的情况。

组播地址（Multicast Address）

组播地址是在Internet协议族中指定的一类特殊IP地址，用于实现组播的服务。其主要用途是让单个网络主机能将数据包传送至多个主机。

在IPv4中，组播地址范围在224.0.0.0至239.255.255.255之间。在IPv6中，组播地址以"ff00::/8"开始。加入到特定组播组的设备会接收到发送到该组播地址的数据。

总结一下，广播是将信息发送给网络中的所有设备，而组播则是将信息仅发送给加入特定组的设备。

Q/A

Q：加入组播组的设备一定会收到发往组播地址的数据包吗？与端口相关吗？

A：是的，只要某个IP地址加入了组播组，该设备就一定能收到组播数据包，这一步与端口无关。至于设备收到组播数据后，会检测数据包的目标端口，如果当前设备有绑定了目标端口的应用程序，则系统会将收到的数据包转发给指定的应用程序；如果没有，则丢弃。

---

Q：单播、组播、广播 只针对udp吗

A：单播、组播、广播这些术语主要描述的是数据包在网络中传输的方式，而不仅仅针对于某一种特定的协议。然而，在实践中，这些概念主要应用于UDP（用户数据报协议）。

单播：无论是TCP还是UDP都支持单播。在单播通信中，数据包从一个节点发送到特定的另一个节点。TCP的连接就是典型的一对一通信模型。

广播：广播只在UDP协议中有效。例如，DHCP（动态主机配置协议）和ARP（地址解析协议）等网络服务使用了UDP广播。

组播：组播主要在UDP协议中使用。TCP是面向连接的协议，主要用于建立两个端点之间的稳定连接，所以TCP并不直接支持组播。然而，某些技术如多播TCP（Multicast TCP）可以实现类似组播的功能，它们通常涉及到更复杂的设置和协议扩展。

总的来说，单播、广播和组播最常见的应用是在UDP协议中，但是这些概念并不完全限制于特定的协议。

---

Q：广播能跨网段吗

A：在默认情况下，广播信息不会跨越网络段。这主要是出于两个原因：

安全性：如果允许广播信息随意穿越网络边界，那么可能会导致敏感信息的泄露，或者使网络更容易受到一些类型的攻击（如拒绝服务攻击）。

网络流量控制：限制广播范围可以有效控制网络流量，防止大量的广播信息占用过多的带宽，影响网络性能。

然而，虽然默认情况下广播信息不能跨网段，但通过一些特殊的配置和技术，例如使用广播转发器（Broadcast Relay）、VPN、或者Layer 3 Switch等，可以实现跨网段的广播。但这通常需要对网络架构有深入的理解，并且由于上述的安全和性能问题，一般不推荐在生产环境中随意使用。