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14-4_Qt 5.9 C++开发指南_QUdpSocket实现 UDP 通信_UDP组播

2023-11-20

1. UDP组播的特性

下图简单表示了组播的原理。UDP 组播是主机之间“一对一组”的通信模式，当多个客户端加入由一个组播地址定义的多播组之后，客户端向组播地址和端口发送的 UDP 数据报，组内成员都可以接收到，其功能类似于 QQ 群。

在这里插入图片描述

组播报文的目的地址使用 D 类 IP 地址，D 类地址不能出现在 IP 报文的源 IP 地址字段。用同一个 IP 多播地址接收多播数据报的所有主机构成了一个组，称为多播组 (或组播组)。所有的信息接收者都加入到一个组内，并且一旦加入之后，流向组地址的数据报立即开始向接收者传输，组中的所有成员都能接收到数据报。组中的成员是动态的，主机可以在任何时间加入和离开组。

所以，采用 UDP 组播必须使用一个组播地址。组播地址是 D 类IP 地址，有特定的地址段。多播组可以是永久的也可以是临时的。多播组地址中，有一部分由官方分配，称为永久多播组。永久多播组保持不变的是它的 IP 地址，组中的成员构成可以发生变化。永久多播组中成员的数量可以是任意的，甚至可以为零。那些没有保留下来的供永久多播组使用的 IP 组播地址，可以被临时多播组利用。关于组播IP 地址，有如下的一些约定:

  • 224.0.0.0~224.0.0.255 为预留的组播地址 (永久组地址)，地址 224.0.0.0 保留不做分配，其他地址供路由协议使用；
  • 224.0.1.0~224.0.1.255 是公用组播地址，可以用于 Intermet；
  • 224.0.2.0~238.255.255.255 为用户可用的组播地址 (临时组地址)，全网范围内有效；
  • 239.0.0.0~239.255.255.255 为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

所以，若是在家庭或办公室局域网内测试 UDP 组播功能，可以使用的组播地址范围是239.0.0.0~239.255.255.255。

QUdpSocket 支持 UDP 组播，joinMulticastGroup()函数使主机加入一个多播组，leaveMulticastGroup()函数使主机离开一个多播组，UDP 组播的特点是使用组播地址，其他的端口绑定、数据报收发等功能的实现与单播 UDP 完全相同。

2. UDP 组播实例程序的功能

设计一个UDP 组播实例程序 Samp14_4，在两台计算机上分别运行，进行组播通信。图 14-10是运行于主机 192.168.1.104 上的程序，图 14-11 是运行于主机 192.168.1.106 上的程序。两个主机上的程序都加入地址为239.255.43.21的多播组，绑定端口 35320进行通信。
从图 14-10 和图14-11可以看到，两个 Samp14_4 程序都可以发送和接收组播数据报，且在自已主机上发出的数据报，自己也可以接收到。

在这里插入图片描述

3. 组播功能的程序实现

程序的主窗口是基于 QMainWindow 的类 MainWindow，界面由 UI 设计器设计，其类定义如下(忽略 UI 设计器生成的槽函数):

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H

#include    <QMainWindow>

#include    <QUdpSocket>
#include    <QLabel>

namespace Ui {
class MainWindow;
}

class MainWindow : public QMainWindow
{
    Q_OBJECT

private:
    QLabel  *LabSocketState;
    QUdpSocket  *udpSocket;//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocket
    QHostAddress    groupAddress;//组播地址
    QString getLocalIP();//获取本机IP地址
public:
    explicit MainWindow(QWidget *parent = 0);
    ~MainWindow();

private slots:
//自定义槽函数
    void    onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState);
    void    onSocketReadyRead();//读取socket传入的数据
...

private:
    Ui::MainWindow *ui;
};

#endif // MAINWINDOW_H

其中定义了一个QHostAddress 类型变量 groupAddress，用于记录组播地址。下面是 MainWindow的构造函数的代码:

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    LabSocketState=new QLabel("Socket状态：");//
    LabSocketState->setMinimumWidth(200);
    ui->statusBar->addWidget(LabSocketState);

    QString localIP=getLocalIP();//本地主机名
    this->setWindowTitle(this->windowTitle()+"----本机IP："+localIP);

    udpSocket=new QUdpSocket(this);//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocket
//Multicast路由层次，1表示只在同一局域网内
    //组播TTL: 生存时间，每跨1个路由会减1，多播无法跨过大多数路由所以为1
    //默认值是1，表示数据包只能在本地的子网中传送。
    udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,1);
//    udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,ui->spinTTL->value());

    connect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),
            this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));
    onSocketStateChange(udpSocket->state());

    connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),
            this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}

其中使用了 QUdpSocket::setSocketOption()函数，对 socket 进行参数设置

udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,1);

将 socket 的 QAbstractSocket::MulticastTtlOption 值设置为1。MulticastTtlOption 是 UDP组播的数据报的生存期，数据报每跨1个路由会减1。缺省值为 1，表示多播数据报只能在同一路由下的局域网内传播。
要进行UDP 组播通信，UDP 客户端必须先加入UDP 多播组，也可以随时退出多播组。主窗口上的“加入组播”和“退出组播”按钮的代码如下:

void MainWindow::on_actStart_triggered()
{//加入组播
    QString     IP=ui->comboIP->currentText();
    groupAddress=QHostAddress(IP);//多播组地址
    quint16     groupPort=ui->spinPort->value();//端口

    if (udpSocket->bind(QHostAddress::AnyIPv4, groupPort, QUdpSocket::ShareAddress))//先绑定端口
    {
        udpSocket->joinMulticastGroup(groupAddress); //加入多播组
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**加入组播成功");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**组播地址IP："+IP);
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口："+QString::number(groupPort));
        ui->actStart->setEnabled(false);
        ui->actStop->setEnabled(true);
        ui->comboIP->setEnabled(false);
    }
    else
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口失败");
}

void MainWindow::on_actStop_triggered()
{//退出组播
    udpSocket->leaveMulticastGroup(groupAddress);//退出组播
    udpSocket->abort(); //解除绑定
    ui->actStart->setEnabled(true);
    ui->actStop->setEnabled(false);
    ui->comboIP->setEnabled(true);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("**已退出组播,解除端口绑定");
}

加入组播之前，必须先绑定端口，绑定端口的语句是:

udpSocket->bind(QHostAddress::AnyIPv4, groupPort, QUdpSocket::ShareAddress)

这里指定地址为QHostAddress::AnyIPv4，端口为多播组统一的一个端口。

使用 QUdpSocket:: joinMulticastGroup()函数加入多播组，即:

udpSocket->joinMulticastGroup(groupAddress); //加入多播组

多播组地址 groupAddress 由界面上的组合框里输入。注意，局域网内的组播地址的范围239.0.0.0~239.255.255.255，绝对不能使用本机地址作为组播地址。

退出多播组，使用 QUdpSocket::leaveMulticastGroup()函数，即:

udpSocket->leaveMulticastGroup(groupAddress);//退出组播

加入多播组后，发送组播数据报也是使用 writeDatagram()函数，只是目标地址使用的是组播地址，在 readyRead()信号的槽函数里用 readDatagram()读取数据报。下面是发送和读取数据报的代码:

void MainWindow::on_btnMulticast_clicked()
{//发送组播消息
    quint16     groupPort=ui->spinPort->value();
    QString  msg=ui->editMsg->text();
    QByteArray  datagram=msg.toUtf8();

    udpSocket->writeDatagram(datagram,groupAddress,groupPort);
//    udpSocket->writeDatagram(datagram.data(),datagram.size(),
//                     groupAddress,groupPort);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[multicst] "+msg);
    ui->editMsg->clear();
    ui->editMsg->setFocus();
}

void MainWindow::onSocketReadyRead()
{//读取数据报
    while(udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray   datagram;
        datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
        QHostAddress    peerAddr;
        quint16 peerPort;
        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);

//        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size());
        QString str=datagram.data();

        QString peer="[From "+peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] ";

        ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);
    }
}

4. 源码

4.1 可视化UI设计

在这里插入图片描述

4.2 mainwindow.h

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H

#include    <QMainWindow>

#include    <QUdpSocket>
#include    <QLabel>

namespace Ui {
class MainWindow;
}

class MainWindow : public QMainWindow
{
    Q_OBJECT

private:
    QLabel  *LabSocketState;
    QUdpSocket  *udpSocket;//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocket
    QHostAddress    groupAddress;//组播地址
    QString getLocalIP();//获取本机IP地址
public:
    explicit MainWindow(QWidget *parent = 0);
    ~MainWindow();

private slots:
//自定义槽函数
    void    onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState);
    void    onSocketReadyRead();//读取socket传入的数据
//
    void on_actStart_triggered();

    void on_actStop_triggered();

    void on_actClear_triggered();

    void on_actHostInfo_triggered();

    void on_btnMulticast_clicked();

private:
    Ui::MainWindow *ui;
};

#endif // MAINWINDOW_H

4.3 mainwindow.cpp

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
#include    <QtNetwork>

QString MainWindow::getLocalIP()
{
    QString hostName=QHostInfo::localHostName();//本地主机名
    QHostInfo   hostInfo=QHostInfo::fromName(hostName);
    QString   localIP="";

    QList<QHostAddress> addList=hostInfo.addresses();//

    if (!addList.isEmpty())
    for (int i=0;i<addList.count();i++)
    {
        QHostAddress aHost=addList.at(i);
        if (QAbstractSocket::IPv4Protocol==aHost.protocol())
        {
            localIP=aHost.toString();
            break;
        }
    }
    return localIP;
}

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    LabSocketState=new QLabel("Socket状态：");//
    LabSocketState->setMinimumWidth(200);
    ui->statusBar->addWidget(LabSocketState);

    QString localIP=getLocalIP();//本地主机名
    this->setWindowTitle(this->windowTitle()+"----本机IP："+localIP);

    udpSocket=new QUdpSocket(this);//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocket
//Multicast路由层次，1表示只在同一局域网内
    //组播TTL: 生存时间，每跨1个路由会减1，多播无法跨过大多数路由所以为1
    //默认值是1，表示数据包只能在本地的子网中传送。
    udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,1);
//    udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,ui->spinTTL->value());

    connect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),
            this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));
    onSocketStateChange(udpSocket->state());

    connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),
            this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    udpSocket->abort();
    delete udpSocket;
    delete ui;
}

void MainWindow::onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState)
{
    switch(socketState)
    {
    case QAbstractSocket::UnconnectedState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：UnconnectedState");
        break;
    case QAbstractSocket::HostLookupState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：HostLookupState");
        break;
    case QAbstractSocket::ConnectingState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：ConnectingState");
        break;

    case QAbstractSocket::ConnectedState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：ConnectedState");
        break;

    case QAbstractSocket::BoundState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：BoundState");
        break;

    case QAbstractSocket::ClosingState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：ClosingState");
        break;

    case QAbstractSocket::ListeningState:
        LabSocketState->setText("scoket状态：ListeningState");
    }
}

void MainWindow::onSocketReadyRead()
{//读取数据报
    while(udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray   datagram;
        datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
        QHostAddress    peerAddr;
        quint16 peerPort;
        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);

//        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size());
        QString str=datagram.data();

        QString peer="[From "+peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] ";

        ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);
    }
}

void MainWindow::on_actStart_triggered()
{//加入组播
    QString     IP=ui->comboIP->currentText();
    groupAddress=QHostAddress(IP);//多播组地址
    quint16     groupPort=ui->spinPort->value();//端口

    if (udpSocket->bind(QHostAddress::AnyIPv4, groupPort, QUdpSocket::ShareAddress))//先绑定端口
    {
        udpSocket->joinMulticastGroup(groupAddress); //加入多播组
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**加入组播成功");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**组播地址IP："+IP);
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口："+QString::number(groupPort));
        ui->actStart->setEnabled(false);
        ui->actStop->setEnabled(true);
        ui->comboIP->setEnabled(false);
    }
    else
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口失败");
}

void MainWindow::on_actStop_triggered()
{//退出组播
    udpSocket->leaveMulticastGroup(groupAddress);//退出组播
    udpSocket->abort(); //解除绑定
    ui->actStart->setEnabled(true);
    ui->actStop->setEnabled(false);
    ui->comboIP->setEnabled(true);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("**已退出组播,解除端口绑定");
}

void MainWindow::on_actClear_triggered()
{
    ui->plainTextEdit->clear();
}

void MainWindow::on_actHostInfo_triggered()
{
    QString hostName=QHostInfo::localHostName();//本地主机名
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("本机主机名："+hostName+"\n");
    QHostInfo   hostInfo=QHostInfo::fromName(hostName);

    QList<QHostAddress> addList=hostInfo.addresses();//
    if (!addList.isEmpty())
    for (int i=0;i<addList.count();i++)
    {
        QHostAddress aHost=addList.at(i);
        if (QAbstractSocket::IPv4Protocol==aHost.protocol())
        {
            QString IP=aHost.toString();
            ui->plainTextEdit->appendPlainText("本机IP地址："+aHost.toString());
            if (ui->comboIP->findText(IP)<0)
                ui->comboIP->addItem(IP);
        }
    }
}


void MainWindow::on_btnMulticast_clicked()
{//发送组播消息
    quint16     groupPort=ui->spinPort->value();
    QString  msg=ui->editMsg->text();
    QByteArray  datagram=msg.toUtf8();

    udpSocket->writeDatagram(datagram,groupAddress,groupPort);
//    udpSocket->writeDatagram(datagram.data(),datagram.size(),
//                     groupAddress,groupPort);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[multicst] "+msg);
    ui->editMsg->clear();
    ui->editMsg->setFocus();
}
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