网络环境下设备发现是一种比较常见的应用,比如查找打印机与WiFi。那么我们应该如何通过编程实现对网络中的特定设备进行查找呢?
常用的方式有:IP广播与多播,以及基于这两种方式所实现的第三方协议,较著名的有Onvif协议。
1局域网广播
1.1 定义
广播是一种一对所有的通信模式。有线电视网就是典型的广播型网络,我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号,但只将一个频道的信号还原成画面。
广播不用进行网络路径选择,不能穿越路由器。这是为了防止广播数据影响大面积的主机,引起广播灾难。
1.2 优缺点
1.2.1 优点
- 网络设备简单,维护简单,布网成本低廉。
- 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据,所以服务器流量负载极低。
1.2.2 缺点
- 无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
- 网络允许服务器提供数据的带宽有限,客户端的最大带宽=服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道(如果采用数字压缩技术,理论上可以提供 500个频道),即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干,也无法超过此极限。
- 不能在广域网上传播,这是为了防止广播风暴。
1.3 广播地址
每一个网段都有一个广播地址,其格式为 xxx.xxx.xxx.255 的形式。计算方式如下:
网络地址 = IP地址 & 子网掩码
广播地址 = 网络地址 | (~子网掩码)
代码:
/* * 通过ip地址与子网掩码计算广播地址 * 算法流程:1. ip地址与子网掩码获得网络地址; * 2. 网络地址主机位全置1后得到广播地址
* @param[out] bc_addr 广播地址 * @param[in] ip 主机IPv4地址 * @param[in] mask 子网掩码 * @param[in] len IPv4地址长度(16) * @return 返回广播地址 */ char* cal_bc_addr(char* bc_addr, const char* ip, const char* mask) { uint8_t bc[4] = {0}; int ret = 0; printf("ip: %s\n", ip); printf("mask: %s\n", mask); ip[3] = ‘\0‘; ip[7] = ‘\0‘; ip[11] = ‘\0‘; mask[3] = ‘\0‘; mask[7] = ‘\0‘; mask[11] = ‘\0‘; bc[0] = (uint8_t)(atoi(ip) & atoi(mask)) | ~(uint8_t)atoi(mask); bc[1] = (uint8_t)(atoi(ip + 4) & atoi(mask + 4)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 4); bc[2] = (uint8_t)(atoi(ip + 8) & atoi(mask + 8)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 8); bc[3] = (uint8_t)(atoi(ip + 12) & atoi(mask + 12)) | ~(uint8_t)atoi(mask + 12); ret = sprintf(bc_addr, "%d.%d.%d.%d", bc[0], bc[1], bc[2], bc[3]); bc_addr[ret] = ‘\0‘; return bc_addr; }
/** * 通过socket获取广播地址(仅限Linux) * @param[out] bc_addr 广播地址 * @param[in] ifname 网口,如:"eth0" * @return 返回广播地址 */ char* get_bc_addr(char* bc_addr, const char* ifname) { int sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(sock < 0){ perror("sock init error"); goto on_return; } struct ifreq ifr; strncpy(ifr.ifr_name, ifname, strlen(ifname)); if(ioctl(sock, SIOCGIFBRDADDR, &ifr) == -1){ // 获取广播地址 perror("ioctl error"); goto on_return; } memcpy(&bc_addr, (char *)&ifr->ifr_broadaddr, sizeof(struct sockaddr_in)); on_return:
if(sock > 0) close(sock); return bc_addr; }
1.4 socket编程
1.4.1 IP选项
广播是基于UDP的,使用时需要设置其IP选项进行设置,详见下表:
setsockopt()选项 | 含义 |
SO_BROADCAST
|
广播 |
1.4.2 socket多播程序设计流程
- 创建UDP套接字;
- 获取广播地址,设置其端口号;
- 设置IP选项:SO_BROADCAST;
- 接收/发送广播消息。
1.4.3 代码
服务端:
#include<iostream> #include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<netdb.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<string.h> using namespace std; int main() { setvbuf(stdout,NULL,_IONBF,0); fflush(stdout); int sock=-1; if((sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1) { cout<<"sock error"<<endl; return -1; } const int opt=-1; int nb=0; nb=setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(char*)&opt,sizeof(opt));//设置套接字类型 if(nb==-1) { cout<<"set socket error...\n"<<endl; return -1; } struct sockaddr_in addrto; bzero(&addrto,sizeof(struct sockaddr_in)); addrto.sin_family=AF_INET; addrto.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_BROADCAST);//套接字地址为广播地址 addrto.sin_port=htons(6000);//套接字广播端口号为6000 int nlen=sizeof(addrto); while(1) { sleep(1); char msg[]={"the message broadcast"}; int ret=sendto(sock,msg,strlen(msg),0,(sockaddr*)&addrto,nlen);//向广播地址发布消息 if(ret<0) { cout<<"send error...\n"<<endl; return -1; } else { printf("ok\n"); } } return 0; }
客户端:
#include<iostream> #include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<netdb.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<string.h> using namespace std; int main() { setvbuf(stdout,NULL,_IONBF,0); fflush(stdout); struct sockaddr_in addrto; bzero(&addrto,sizeof(struct sockaddr_in)); addrto.sin_family=AF_INET; addrto.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); addrto.sin_port=htons(6000); socklen_t len=sizeof(addrto); int sock=-1; if((sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1){ cout<<"socket error..."<<endl; return -1; } const int opt=-1; int nb=0; nb=setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(char*)&opt,sizeof(opt)); if(nb==-1){ cout<<"set socket errror..."<<endl; return -1; } if(bind(sock,(struct sockaddr*)&(addrto),len)==-1){ cout<<"bind error..."<<endl; return -1; } char msg[100]={0}; while(1) { int ret=recvfrom(sock,msg,100,0,(struct sockaddr*)&addrto,&len); if(ret<=0){ cout<<"read error..."<<endl; }else{ printf("%s\t",msg); } sleep(1); } return 0; }
2 多播
2.1 定义
多播又称为组播,是一种一对多的通信方式。多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组,而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。它是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频/视频广播的应用中,当需要将一个节点的信号传送到多个节点时,无论是采用重复点对点通信方式,还是采用广播方式,都会严重浪费网络带宽,只有多播才是最好的选择。
多播可在广域网传播。由于多播是以组的形式参与的,因此不必担心未加入多播组的主机接收到消息,这一特性使它允许在广域网上传播。
2.2 多播地址
在IPv4中,多播地址是一个D类IP地址,其范围从224.0.0.0~239.255.255.255,并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限(受限)多播地址三类:
局部多播(224.0.0.0~224.0.0.255):这是为路由协议和其它用途保留的地址,路由器并不转发属于此范围的IP包。
预留多播(224.0.1.0~238.255.255.255):可用于全球范围(如Internet)或网络协议。
受限多播(239.0.0.0~239.255.255.255):可供组织内部使用,类似于私有IP地址,不能用于Internet,可限制多播范围。
2.3 socket编程
2.3.1 IP选项设置
多播的程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现,组播的选项是IP层的,其选项值和含义见下表:
setsockopt()/getsockopt()选项 | 含义 |
IP_MULTICAST_TTL | 设置多播组跨网段数 |
IP_ADD_MEMBERSHIP | 加入多播组 |
IP_DROP_MEMBERSHIP | 离开多播组 |
IP_MULTICAST_IF | 获取默认或设置接口 |
IP_MULTICAST_LOOP | 设置数据回传 |
2.3.2 socket多播程序设计流程
- 创建UPD套接字;
- 设置IP选项:TTL、MEMBERSHIP、IF、LOOP;
- 加入多播组;
- 发送/接收数据;
- 离开多播组。
2.3.3 代码
服务端:
#include<iostream> #include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netdb.h> #include<sys/types.h> #include<arpa/inet.h> #include<netinet/in.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #define MCAST_PORT 8888 #define MCAST_ADDR "224.0.0.88" // 多播地址 #define MCAST_DATA "BROADCAST TEST DATA" // 多播内容 #define MCAST_INTERVAL 5 //多播时间间隔 using namespace std; int main() { int sock; struct sockaddr_in mcast_addr; sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(sock==-1){ cout<<"socket error"<<endl; return -1; } memset(&mcast_addr,0,sizeof(mcast_addr)); mcast_addr.sin_family=AF_INET; mcast_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(MCAST_ADDR); mcast_addr.sin_port=htons(MCAST_PORT); while(1) { //向局部多播地址发送多播内容 int n=sendto(sock,MCAST_DATA,sizeof(MCAST_DATA),0,(struct sockaddr*)&mcast_addr,sizeof(mcast_addr)); if(n<0){ cout<<"send error"<<endl; return -2; }else{ cout<<"send message is going ...."<<endl; } sleep(MCAST_INTERVAL); } return 0; }
客户端:
#include<iostream> #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<unistd.h> #include<sys/socket.h> #include<netdb.h> #include<arpa/inet.h> #include<netinet/in.h> #define MCAST_PORT 8888 #define MCAST_ADDR "224.0.0.88" /*一个局部连接多播地址,路由器不进行转发*/ #define MCAST_INTERVAL 5 //发送时间间隔 #define BUFF_SIZE 256 //接收缓冲区大小 using namespace std; int main() { int sock; struct sockaddr_in local_addr; int err=-1; sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(sock==-1){ cout<<"sock error"<<endl; return -1; } /*初始化地址*/ local_addr.sin_family=AF_INET; local_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); local_addr.sin_port=htons(MCAST_PORT); /*绑定socket*/ err=bind(sock,(struct sockaddr*)&local_addr,sizeof(local_addr)); if(err<0){ cout<<"bind error"<<endl; return -2; } /*设置回环许可*/ int loop=1; err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_LOOP,&loop,sizeof(loop)); if(err<0){ cout<<"set sock error"<<endl; return -3; } struct ip_mreq mreq;/*加入广播组*/ mreq.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr(MCAST_ADDR);//广播地址 mreq.imr_interface.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //网络接口为默认 /*将本机加入多播组*/ err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq)); if(err<0){ cout<<"set sock error"<<endl; return -4; }
int times=0; socklen_t addr_len=0; char buff[BUFF_SIZE]; int n=0; /*循环接受广播组的消息,5次后退出*/ for(times=0;;times++) { addr_len=sizeof(local_addr); memset(buff,0,BUFF_SIZE); n=recvfrom(sock,buff,BUFF_SIZE,0,(struct sockaddr*)&local_addr,&addr_len); if(n==-1){ cout<<"recv error"<<endl; return -5; } /*打印信息*/ printf("RECV %dst message from server : %s\n",times,buff); sleep(MCAST_INTERVAL); }
/*退出多播组*/
err=setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_DROP_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq)); close(sock); return 0; }
3 Onvif协议
Onvif协议是Open Network Video Interface Forum(开放型网络视频接口论坛)的英文缩写。
ONVIF标准将为网络视频设备之间的信息交换定义通用协议,包括装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息等。网络视频产品由此所能提供的多种可能性,使终端用户,集成商,顾问和生产厂商能够轻松地从中获益,并获得高性价比、更灵活的解决方案、市场扩张的机会以及更低的风险。
视频设备发现代码示例:
#include "wsdd.h" #include <stdio.h> static struct soap* ONVIF_Initsoap(struct SOAP_ENV__Header *header, const char *was_To, const char *was_Action, int timeout) { struct soap *soap = NULL; unsigned char macaddr[6]; char _HwId[1024]; unsigned int Flagrand; soap = soap_new(); if(soap == NULL) { printf("[%d]soap = NULL\n", __LINE__); return NULL; } soap_set_namespaces( soap, namespaces); if (timeout > 0) { soap->recv_timeout = timeout; soap->send_timeout = timeout; soap->connect_timeout = timeout; } else { //Maximum wait time: 20S soap->recv_timeout = 20; soap->send_timeout = 20; soap->connect_timeout = 20; } soap_default_SOAP_ENV__Header(soap, header); // Create SessionID randomly srand((int)time(0)); Flagrand = rand()%9000 + 8888; macaddr[0] = 0x1; macaddr[1] = 0x2; macaddr[2] = 0x3; macaddr[3] = 0x4; macaddr[4] = 0x5; macaddr[5] = 0x6; sprintf(_HwId,"urn:uuid:%ud68a-1dd2-11b2-a105-%02X%02X%02X%02X%02X%02X", Flagrand, macaddr[0], macaddr[1], macaddr[2], macaddr[3], macaddr[4], macaddr[5]); header->wsa__MessageID =(char *)malloc( 100); memset(header->wsa__MessageID, 0, 100); strncpy(header->wsa__MessageID, _HwId, strlen(_HwId)); if (was_Action != NULL) { header->wsa__Action =(char *)malloc(1024); memset(header->wsa__Action, ‘\0‘, 1024); strncpy(header->wsa__Action, was_Action, 1024);//"http://schemas.xmlsoap.org/ws/2005/04/discovery/Probe"; } if (was_To != NULL) { header->wsa__To =(char *)malloc(1024); memset(header->wsa__To, ‘\0‘, 1024); strncpy(header->wsa__To, was_To, 1024);//"urn:schemas-xmlsoap-org:ws:2005:04:discovery"; } soap->header = header; return soap; } int ONVIF_ClientDiscovery( ) { int FoundDevNo = 0; int retval = SOAP_OK; wsdd__ProbeType req; struct __wsdd__ProbeMatches resp; wsdd__ScopesType sScope; struct SOAP_ENV__Header header; struct soap* soap; const char *was_To = "urn:schemas-xmlsoap-org:ws:2005:04:discovery"; const char *was_Action = "http://schemas.xmlsoap.org/ws/2005/04/discovery/Probe"; //IP Adress and PortNo, broadCast const char *soap_endpoint = "soap.udp://239.255.255.250:3702/"; //Create new soap object with info soap = ONVIF_Initsoap(&header, was_To, was_Action, 10); soap_default_SOAP_ENV__Header(soap, &header); soap->header = &header; soap_default_wsdd__ScopesType(soap, &sScope); sScope.__item = ""; soap_default_wsdd__ProbeType(soap, &req); req.Scopes = &sScope; req.Types = ""; //"dn:NetworkVideoTransmitter"; //sent the message broadcast and wait retval = soap_send___wsdd__Probe(soap, soap_endpoint, NULL, &req); while (retval == SOAP_OK) { retval = soap_recv___wsdd__ProbeMatches(soap, &resp); if (retval == SOAP_OK) { if (soap->error) { printf("[%d]: recv soap error :%d, %s, %s\n", __LINE__, soap->error, *soap_faultcode(soap), *soap_faultstring(soap)); retval = soap->error; } else //we find a device { FoundDevNo ++; if (resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch != NULL && resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->XAddrs != NULL) { printf("****** No %d Devices Information ******\n", FoundDevNo ); printf("Device Service Address : %s\r\n", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->XAddrs); printf("Device EP Address : %s\r\n", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->wsa__EndpointReference.Address); printf("Device Type : %s\r\n", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->Types); printf("Device Metadata Version : %d\r\n", resp.wsdd__ProbeMatches->ProbeMatch->MetadataVersion); //sleep(1); } } } else if (soap->error) { if (FoundDevNo == 0) { printf("No Device found!\n"); retval = soap->error; } else { printf("Search end! Find %d Device! \n", FoundDevNo); retval = 0; } break; } } soap_destroy(soap); soap_end(soap); soap_free(soap); return retval; } int main(void ) { if (ONVIF_ClientDiscovery() != 0 ) { printf("discovery failed!\n"); return -1; } return 0; }
参考文献:
【1】https://blog.csdn.net/laczf/article/details/47731917
【2】https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%9A%E6%92%AD/6867723?fr=aladdin
【3】https://www.cnblogs.com/jingliming/p/4477264.html#_lab2_1_0
【4】https://blog.csdn.net/saloon_yuan/article/details/27524875