组播与广播详解及Python实现

1. 广播（Broadcast）

广播的定义

广播是一种数据传输方式，数据包从一个源发送到网络中所有节点。广播是网络中的一对多通信方式，所有处于同一网络段的设备都能接收到广播数据包。

广播的特点

范围限制：广播数据包只在本地网络（LAN）传播，不会穿越路由器到达其他网络段。
地址格式：IPv4中，广播地址通常为子网的最高地址。例如，192.168.1.0/24网络的广播地址为192.168.1.255。

广播的Python实现

注：在下列示例代码中，先执行接收端代码再执行发送端代码。

发送端（broadcast_sender.py）

import socket
import struct


def get_local_ip():
    """
    获取本地计算机的 IP 地址。
    :return: 本地 IP 地址
    """
    # 创建一个 UDP 套接字
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    try:
        # 尝试连接一个外部的地址（不会实际发送数据）
        s.connect(('8.8.8.8', 80))
        local_ip = s.getsockname()[0]
    except Exception:
        local_ip = '127.0.0.1'
    finally:
        s.close()
    return local_ip


def calculate_broadcast_address(ip, subnet_mask):
    """
    计算给定 IP 地址和子网掩码的广播地址。
    :param ip: IP 地址
    :param subnet_mask: 子网掩码
    :return: 广播地址
    """
    ip_addr = struct.unpack('!I', socket.inet_aton(ip))[0]
    mask = struct.unpack('!I', socket.inet_aton(subnet_mask))[0]
    broadcast = ip_addr | ~mask
    return socket.inet_ntoa(struct.pack('!I', broadcast & 0xFFFFFFFF))


def send_broadcast(message, port):
    local_ip = get_local_ip()
    print(f'本机IP地址为：{local_ip}')
    subnet_mask = '255.255.255.0'  # 假设子网掩码为 255.255.255.0

    # 计算广播地址
    broadcast_address = calculate_broadcast_address(local_ip, subnet_mask)
    print(f"广播地址为: {broadcast_address}")
    # 创建 UDP 套接字
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM, socket.IPPROTO_UDP)
    # 创建 UDP 套接字用于广播
    sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)

    try:
        # 发送广播消息
        sock.sendto(message, (broadcast_address, port))
    finally:
        sock.close()
    print(f'已将广播消息 [{message}] 发送到 [{broadcast_address}:{port}]')

if __name__ == "__main__":
    send_broadcast(b'Hello, World!', 5000)

在这个代码示例中，创建了一个UDP套接字，并设置了SO_BROADCAST选项，以允许套接字发送广播消息。然后，将消息发送到广播地址。

接收端（broadcast_receiver.py）

import socket

def receive_broadcast(port):
    # 创建 UDP 套接字
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM, socket.IPPROTO_UDP)
    # 绑定到任意地址和指定端口
    sock.bind(('', port))
    print("接收广播消息中...")
    while True:
        data, addr = sock.recvfrom(1024)
        print(f'收到来自{addr}的广播消息: {data.decode()}')

if __name__ == "__main__":
    receive_broadcast(5000)

在这个代码示例中，创建了一个UDP套接字，并将其绑定到本地地址和端口5000，以接收广播消息。

2. 组播（Multicast）

组播的定义

组播是一种数据传输方式，数据包从一个源发送到网络中一组特定的节点（即一个组），而不是所有节点。组播是一对多的通信方式，但仅限于加入该组播组的接收者。

组播的特点

范围灵活：组播数据包可以在局域网（LAN）或广域网（WAN）中传播，取决于网络配置。
地址格式：IPv4组播地址范围是224.0.0.0到239.255.255.255。

组播的Python实现

注：在下列示例代码中，先执行接收端代码再执行发送端代码。

发送端（multicast_sender.py）

import socket
import struct

def multicast_message(message, group, port):
    # 创建 UDP 套接字
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM, socket.IPPROTO_UDP)

    # 设置TTL，控制数据包在网络中可以经过的最大跳数
    ttl = struct.pack('b', 1)
    sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_MULTICAST_TTL, ttl)
    try:
        # 发送数据到组播地址
        sock.sendto(message, (group, port))
    finally:
        sock.close()
    print(f'已将组播消息 [{message}] 发送到 [{group}:{port}]')

if __name__ == "__main__":
    multicast_message(b'Hello, World!', '224.0.0.2', 5000)

在这个代码示例中，创建了一个UDP套接字，并设置了IP_MULTICAST_TTL选项，以控制组播数据包的生存时间（TTL）。然后，将消息发送到指定组播地址及端口号。

接收端（multicast_receiver.py）

import socket
import struct

def receive_multicast(group, port):
    # 创建 UDP 套接字
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM, socket.IPPROTO_UDP)

    # 绑定到组播地址和端口
    sock.bind(('', port))

    # 加入组播组
    mreq = struct.pack('4sl', socket.inet_aton(group), socket.INADDR_ANY)
    sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_ADD_MEMBERSHIP, mreq)

    print('接收组播消息中...')

    while True:
        data, addr = sock.recvfrom(1024)
        print(f'接收到来自{addr}的组播消息: {data.decode()}')

if __name__ == "__main__":
    receive_multicast('224.0.0.2', 5000)

在这个代码示例中，创建了一个UDP套接字，并将其绑定到本地地址和端口5000。然后，通过设置IP_ADD_MEMBERSHIP选项来加入组播组，以接收组播消息。

3. `setsockopt`方法详解

sock.setsockopt 方法在 Python 的 socket 模块中用于设置套接字的选项。这个方法非常灵活，可以控制许多与套接字相关的行为。下面是 sock.setsockopt 可以设置的常见参数及其含义的详细解释：

`level` 参数

level 参数指定了套接字选项的协议层级。常见的层级有：

socket.SOL_SOCKET：套接字级别的选项。
socket.IPPROTO_IP：IPv4 协议级别的选项。
socket.IPPROTO_IPV6：IPv6 协议级别的选项。
socket.IPPROTO_TCP：TCP 协议级别的选项。
socket.IPPROTO_UDP：UDP 协议级别的选项。

`optname` 参数

optname 参数指定了具体的选项名称。以下是一些常见选项及其含义：

套接字级别选项 (`socket.SOL_SOCKET`)

socket.SO_BROADCAST：允许套接字发送广播消息。
socket.SO_REUSEADDR：允许重用本地地址和端口。
socket.SO_KEEPALIVE：启用TCP保持连接机制。
socket.SO_LINGER：控制套接字关闭时的行为。
socket.SO_RCVBUF：设置接收缓冲区大小。
socket.SO_SNDBUF：设置发送缓冲区大小。
socket.SO_RCVTIMEO：设置接收超时时间。
socket.SO_SNDTIMEO：设置发送超时时间。

IPv4 选项 (`socket.IPPROTO_IP`)

socket.IP_MULTICAST_TTL：设置组播数据包的生存时间（TTL）。
socket.IP_MULTICAST_LOOP：控制组播数据包是否回送到本地。
socket.IP_ADD_MEMBERSHIP：加入组播组。
socket.IP_DROP_MEMBERSHIP：退出组播组。

TCP 选项 (`socket.IPPROTO_TCP`)

socket.TCP_NODELAY：禁用Nagle算法，降低延迟。

`value` 参数

value 参数指定了选项的值，可以是整数、布尔值或特定的结构体。以下是一些常见的值及其格式：

布尔值选项

一些选项可以使用布尔值（0或1）来开启或关闭。例如：

sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)

socket.SO_BROADCAST选项被设置为1，启用了广播功能，使套接字可以发送广播消息。

整数选项

一些选项需要整数值，例如设置缓冲区大小。整数值通常用于调整套接字的性能参数。

sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_RCVBUF, 4096)

socket.SO_RCVBUF选项被设置为4096，指定接收缓冲区的大小为4096字节。这有助于控制数据接收时的缓冲能力。

结构体选项

某些选项需要特定的结构体，这通常涉及复杂的配置，如组播组的加入。这类选项通常通过struct模块来构造所需的结构体。

import struct
# 构造组播请求结构体
mreq = struct.pack('4sl', socket.inet_aton('224.0.0.2'), socket.INADDR_ANY)
# 加入组播组
sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_ADD_MEMBERSHIP, mreq)

使用struct.pack方法将组播地址和本地接口（socket.INADDR_ANY表示本地所有接口）打包成一个结构体。然后，通过socket.IP_ADD_MEMBERSHIP选项将套接字加入到指定的组播组。

常见示例

以下是一些常见的setsockopt用法示例，展示如何使用不同类型的值来配置套接字。

设置广播

# 启用广播
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)

设置地址重用

# 启用地址重用
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

加入组播组

import struct
# 构造组播请求结构体
mreq = struct.pack('4sl', socket.inet_aton('224.0.0.2'), socket.INADDR_ANY)
# 加入组播组
sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_ADD_MEMBERSHIP, mreq)

设置组播TTL

# 设置组播TTL为2
sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_MULTICAST_TTL, 2)

设置发送和接收超时

import struct
# 设置接收超时为5秒
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_RCVTIMEO, struct.pack('ll', 5, 0))
# 设置发送超时为5秒
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDTIMEO, struct.pack('ll', 5, 0))

在设置发送和接收超时的示例中，使用struct.pack方法将超时时间（秒和微秒）打包成一个结构体，然后通过socket.SO_RCVTIMEO和socket.SO_SNDTIMEO选项分别设置接收和发送的超时时间。