面试题：C语言UDP组播复杂场景处理

设计方案

处理网络隔离：
- 使用路由器：配置路由器的组播路由协议（如PIM - 稀疏模式PIM - SM或密集模式PIM - DM）。在存在网络隔离的子网之间，路由器能够转发组播数据包。例如，在子网A和子网B之间的路由器上，启用PIM - SM协议，将不同子网的接口加入到组播路由域中。
- VPN技术：如果无法直接配置路由器，可以考虑使用VPN（虚拟专用网络）。通过建立VPN隧道，将不同子网连接起来，使组播数据可以通过隧道传输，绕过网络隔离。
组播路由配置：
- PIM - SM：
  - 在每个子网的路由器上启用PIM - SM协议。
  - 配置RP（Rendezvous Point），RP是组播域中的核心路由器，负责组播源和接收者之间的连接。例如，可以使用自动RP（Auto - RP）或静态RP配置方式。
  - 路由器之间通过交换PIM控制消息（如Hello消息、Register消息等）来建立和维护组播路由表。
- IGMP（Internet Group Management Protocol）：
  - 在主机上，操作系统内核会运行IGMP协议。主机通过发送IGMP报告消息来通知本地路由器自己要加入或离开某个组播组。
  - 路由器根据IGMP报告消息，维护与本地主机的组播组成员关系。
C语言代码层面保证数据一致性和完整性：
- 序列号：在发送端为每个组播数据包添加一个序列号，接收端根据序列号对数据包进行排序和去重。例如，定义一个结构体：

typedef struct {
    uint32_t seq_num;
    char data[BUFFER_SIZE];
} MulticastPacket;

校验和：使用校验和算法（如CRC32）对数据包进行校验。在发送端计算校验和并添加到数据包中，接收端收到数据包后重新计算校验和并与发送端的校验和进行比较。

// 计算CRC32校验和
uint32_t calculate_crc32(const void *data, size_t length) {
    uint32_t crc = 0xFFFFFFFF;
    const uint8_t *p = data;
    while (length--) {
        crc ^= *p++;
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            crc = (crc >> 1) ^ (0xEDB88320 & -(crc & 1));
        }
    }
    return ~crc;
}

重传机制：在接收端，如果检测到数据包丢失（通过序列号判断），可以向发送端发送请求重传的消息。发送端接收到重传请求后，重新发送相应的数据包。

核心算法

发送端算法：
- 初始化UDP套接字，设置组播地址、端口等参数。
- 为每个数据包生成序列号，并计算校验和。
- 循环发送数据包，每次发送后递增序列号。
接收端算法：
- 初始化UDP套接字，绑定到组播地址和端口。
- 接收数据包，验证校验和。
- 根据序列号对数据包进行排序和去重。
- 如果发现数据包丢失，发送重传请求。

关键代码框架

发送端代码框架：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

#define GROUP "224.1.1.1"
#define PORT 12345
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    MulticastPacket packet;
    uint32_t seq_num = 0;

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(GROUP);

    while (1) {
        strcpy(packet.data, "Hello, Multicast!");
        packet.seq_num = htonl(seq_num++);
        uint32_t crc = calculate_crc32(&packet, sizeof(packet) - sizeof(uint32_t));
        packet.data[BUFFER_SIZE - sizeof(uint32_t)] = htonl(crc);

        sendto(sockfd, (const char *)&packet, sizeof(packet), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
        sleep(1);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

接收端代码框架：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

#define GROUP "224.1.1.1"
#define PORT 12345
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    MulticastPacket packet;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(GROUP);

    int optval = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));

    struct ip_mreq mreq;
    mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(GROUP);
    mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;
    setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

    bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    while (1) {
        socklen_t len = sizeof(cliaddr);
        recvfrom(sockfd, (char *)&packet, sizeof(packet), MSG_WAITALL, (const struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
        uint32_t received_crc = ntohl(*(uint32_t *)(packet.data + BUFFER_SIZE - sizeof(uint32_t)));
        uint32_t calculated_crc = calculate_crc32(&packet, sizeof(packet) - sizeof(uint32_t));
        if (received_crc == calculated_crc) {
            // 处理数据包
            printf("Received packet with seq num: %u\n", ntohl(packet.seq_num));
        } else {
            printf("CRC check failed\n");
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

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