加入一个多播组(最简单的情况)

 

转载自 LinqiangHe

最终编辑 LinqiangHe

    应用程序通过命令字IP_ADD_MEMBERSHIP把一个socket加入到一个多播组，IP_ADD_MEMBERSHIP是一个IP层的命令字，其调用使用的参数是结构体struct ip_mreq，其定义如下：
    struct ip_mreq
    {
        struct in_addr imr_multiaddr;
        struct in_addr imr_interface;
    };
    该结构体的两个成员分别用于指定所加入的多播组的组IP地址，和所要加入组的那个本地接口的IP地址。该命令字没有源过滤的功能，它相当于实现IGMPv1的多播加入服务接口。
    ip_setsockopt实现了该命令字，它通过调用ip_mc_join_group把socket加入到多播组。
    表示socket的结构体struct inet_sock有一个成员mc_list，它是一个结构体struct ip_mc_socklist的指针，实际上一个该结构体的链表，该结构体的定义如下：
    struct ip_mc_socklist
    {
        struct ip_mc_socklist   *next;
        struct ip_mreqn         multi;
        unsigned int            sfmode;
        struct ip_sf_socklist   *sflist;
    };
    next指向链表的下一个节点；multi表示组信息，即在哪一个本地接口上，加入到哪一个多播组；sfmode是过滤模式，取值为MCAST_INCLUDE或MCAST_EXCLUDE，分别表示只接收sflist所列出的那些源的多播数据报，和不接收sflist所列出的那些源的多播数据报；sflist是源列表，结构体struct ip_sf_socklist的定义如下：
    struct ip_sf_socklist
    {
        unsigned int    sl_max;
        unsigned int    sl_count;
        __u32           sl_addr[0];
    };
    sl_addr是源地址列表，sl_count应该是源地址列表中源地址的数量，sl_max应该是当前sl_addr数组的最大可容纳量(不确定)。对于通过调用IP_ADD_MEMBERSHIP加入的多播组，它会在struct inet_sock的mc_list的链表头添加如下一个节点：
    struct ip_mc_socklist{
        .next = 原来的链表头;
        .multi = 所加入的多播组，和接口信息;
        .sfmode = MCAST_EXCLUDE;
        .sflist = NULL;             即不排除任何源地址，也就是不存在源过滤。
    }
    另外，一个socket所允许加入的多播组的最大数量也是有限制的，mc_list中节点的数量不允许超过sysctl_igmp_max_memberships(缺省为20)。
    ip_mc_join_group还需要通过ip_mreq.imr_interface的指定值找到要加入多播组的那个接口，并为接口设置状态(即该接口要加入哪个多播组，过滤哪些源，也就是为该接口增加一个组，如果要增加的组已存在，则增加该组的引用计数)。代表网络设备接口的结构体struct in_device有一个成员mc_list，这是一个结构体struct ip_mc_list的链表，该结构体的定义如下：
    struct ip_mc_list
    {
        struct in_device    *interface;
        unsigned long       multiaddr;
        struct ip_sf_list   *sources;
        struct ip_sf_list   *tomb;
        unsigned int        sfmode;
        unsigned long       sfcount[2];
        struct ip_mc_list   *next;
        struct timer_list   timer;
        int                 users;
        atomic_t            refcnt;
        spinlock_t          lock;
        char                tm_running;
        char                reporter;
        char                unsolicit_count;
        char                loaded;
        unsigned char       gsquery;
        unsigned char       crcount;
    };
    interface指向网络设备接口，multicast即为加入的组的多播地址，users记录当前有几个socket在该接口上加入了该多播组。sfcount是一个有两个元素的数组，分别记录在该接口上加入多播组的socket的过滤模式为EXCLUDE和INCLUDE的数量，sfmode为该接口本身的过滤模式。sources为源地址列表，该结构体具体内容稍后再分析。timer为主动报告定时器，当一个接口(注意：不是socket)新加入到一个多播组，需要向多播路由器发送一个igmp报告，以通知多播路由器需要向本地网络转发该组的数据报。tm_running是一个标志，如果timer当前正在运行，则置1，否则置0。reporter也是一个标志，如果当前正要开始发送igmp报告，则置该标志为1，否则为0。unsolicit_count是当一个接口新加入到一个多播组时，发送主动报告的次数，值赋为IGMP_Unsolicited_Report_Count(缺省值为2)。loaded也是一个标志，当该接口上的该多播组被加入时，需要通知硬件过滤器，通知完成即置该标志为1，否则为0。
    该结构体比较复杂，先看通过IP_ADD_MEMBERSHIP命令字把一个socket加入到一个新的多播组，会使struct in_device的mc_list中增加一个什么样的节点。下面是生成的节点的情况：
    struct ip_mc_list{
        .interface = in_dev;
        .multiaddr = 多播组地址;
        .source = NULL;         //源过滤列表为空。
        .tomb = NULL;
        .sfmode = MCAST_EXCLUDE;    //EXCLUDE模式，即不过滤任何源。
        .sfcount[MCAST_EXCLUDE] = 1;
        .sfcount[MCAST_INCLUDE] = 0;//即该节点上该多播组有一个socket加入，过滤模式为EXCLUDE。
        .users = 1;  //有一个用户。
        .refcnt = 1; //引用计数为1
        .tm_running = 0;
        .unsolicit_count = 2;
        ... ...
    }
    新生成的节点加入到mc_list链表中后，要通知网络设备接口的硬件，以使它的过滤机制可以接收进该多播组的数据报，同时也要通知多播路由器。
    首先要把多播地址映射成以太网地址，映射规则是把多播IP地址的低23位放到以太网多播地址01-00-5E-00-00-00(16进制)的低23位。因为一个IP组地址有28位有效位(除去高位的1110)，所以有可能出现多个组地址被映射成同一个以太网多播地址，具体实现见ip_eth_mc_map。然后把这个mac地址加到硬件的过滤机制中。
    具体的实现在函数dev_mc_add中。代表网络设备接口的结构体struct net_device也有一个成员mc_list，它是一个结构体struct dev_mc_list的链表，该结构体的定义如下：
    struct dev_mc_list
    {
        struct dev_mc_list  *next;
        __u8            dmi_addr[MAX_ADDR_LEN];
        unsigned char   dmi_addrlen;
        int             dmi_users;
        int             dmi_gusers;
    };
    next指向链表下一个节点，dmi_addr是多播mac地址，dmi_addrlen为多播mac地址的长度，dmi_users是在节点被重复到加入到设备上的次数，struct net_device还有一个成员mc_count，用于记录链表中节点的数量。dev_mc_add创建一个新的struct dev_mc_list节点，加入到链表中，并通过调用网络设备接口的成员函数set_multicast_list来启用设备的过滤机制。
    最后一步发送主动成员报告，这里，首先忽略IGMPv1和IGMPv2存在的情况。如果要加入的多播组是IGMP_ALL_HOSTS(224.0.0.1)，则不需要发送成员报告。否则启用定时器struct in_device->mr_ifc_timer(接口状态改变定时器)，该定时器在设备初始化的时候被建立，其超时处理函数是igmp_ifc_timer_expire，它发送一个IGMPv3的报告，然后再次启用定时器。也就是说，第一个主动成员报告立即发出，然后在一个0到IGMP_Unsolicited_Report_Interval(缺省为10秒)之间的一个时间后，发出第二个主动成员报告，连续发出IGMP_Unsolicited_Report_Count(缺省值为2)个。
    测试环境中要加入的多播组是224.0.1.1，发出的IGMPv3报告如下：
    数据                含义
    22                  第3版成员关系报告
    00                  8bit保留，必须为0
    f8 fc               校验和
    00 00               16bit保留，必须为0
    00 01               组记录的数量，为1
    下面为一条组记录：
    04                  类型为CHANGE_TO_EXCLUDE_MODE，改变到EXCLUDE过滤模式
    00                  辅助数据长度
    00 00               源地址的数量
    e0 00 01 01         组地址224.0.1.1