IPv6地址、单播、多播/组播介绍
 
1. IPv6地址介绍
 
这里主要介绍IPv6地址，什么是IP地址就不介绍了。
 
IPv6地址主要是为了解决IPv4地址枯竭的问题。
 
1.1 IPv6地址的格式
 
IPv6地址有128位，通常使用16进制表示，一个16进制数可以表示4位二进制，因此128位可以使用32个16进制数表示，而把4个16进制数又分成一组，因此128位可以表示成8组。
 
如下图所示，一个X表示一组（4个）16进制字符串，也就是一组包含了16个二进制。一共有8组。
 
 
图片来源：《IPv6 Fundamentals A Straightforward》
 
1.2 IPv6地址简写方式
 
一个完整的IPv6地址有32个十六进制字符串表示，太长了，可以简写，简写规则有两种：
 
省略每一组开头的0
省略连续的若干个0，使用两个冒号::表示省略的0。
 
1.2.1 省略开头的0
 
使用第一种简写规则，省略开头的0，如下图所示：
 
 
1.2.2 使用双冒号代替连续的0
 
如果使用第二种规则，省略连续的0，使用两个冒号表示::，如下图：
 
 
1.2.3 两种方式结合
 
如果把两种规则结合起来，也是最常见的写法，如下图：
 
 
1.2.4 简写时注意事项
 
双冒号::只能在IPv6地址中出现一次
 比如地址：ffff:0000:0000:ffff:0000:0000:0000:0001，就不能写成：ffff::ffff::0001，因为这样写根本不知道原来的地址是什么样的。
使用双冒号::代替连续0最多的
 比如地址：ffff:0000:0000:ffff:0000:0000:0000:0001，后面有连续的三组都是0，因此应该使用双冒号::代替这里，因此标准简写应该是ffff:0000:0000:ffff::00001。
连续的0出现位置一样多，双冒号代替先出现的（最左边的）。
 比如地址:ffff:0000:0000:ffff:ffff:0000:0000:ffff，第一二组是连续的0，第六七组也是连续的0，标准写法应该是只能使用双冒号::代替先出现的，也就是第一二组，标准写法为：ffff::ffff:ffff:0000:0000:ffff
 
1.3 IPv6地址分类
 
IPv6地址分类基本可以如下图所示：
 
 
IPv6地址可以分为三种类型：单播地址、多播地址、任播地址。
 
2. 单播地址unicast
 
如上图，单播地址可以分为6种：
 
Global Unicast
Link-Local Unicast
Loopback
Unspecified
Unique Local
Embedded IPv4
 
2.1 Global Unicast Address
 
全局单播地址Global Unicast Address前缀是2000::/3，/3表示子网掩码，表示前面3位是固定的，跟IPv4掩码一样的。
 
全局单播地址全局唯一，不会重复，全局单播地址Global Unicast Address就像我们IPv4的公网IP地址。
 
2.2 Link-Local Unicast
 
Link-Local Unicast 前缀是fe80::/10，用于一个局域网内，不同的局域网的Link-Local地址可以重复。
 
类似IPv4的私网IP，比如IPv4的192.168.0.1
 
2.3 Loopback
 
回环地址Loopback前缀是::1/128，使用回环地址的数据包不会经过网卡，回环地址用于本地测试。
 
跟IPv4的回环地址127.0.0.1是一样的。
 
2.4 Unspecified
 
unspecified未指定的，这个地址固定就是全0，表示没有IPv6地址。
 
2.5 Unique Local
 
看名字，有个单词local，这个地址也是用于局域网，但是不同局域网的Unique Local Address不会重复。
 
那么不同的局域网如何保证产生的地址不重复呢？这涉及到一个算法，这里就不介绍了，这个地址的生成就类似UUID的生成。
 
2.6 Embeded IPv4
 
这个地址就是把IPv4地址包含在IPv6地址中，把IPv6地址的高80位全部设置为0, 然后中间16位设置为1, 低32位设置为IPv4地址。如下图：
 
 
3. 多播地址multicast
 
还是这个图，怕看到这里忘了，再放一次：
 
 
多播地址有很多种，重要的有三种：
 
Well-Known
Transient
Solicited-Node
 
3.1 多播地址格式介绍
 
如下图：
 
 
每个字段的意思图上都有解释，主要说说Scope字段，这个字段表示了多播的范围，按照字面意思可能不好理解，如下图：
 
 
3.1 Well-Known
 
Well-Known 多播地址前缀是ff00::/12，也就是最常见的多播地址。
 
 
 
 
注意：
 
 
​ IPv6没有广播地址，Well-Known多播地址包含了广播地址，比如上图中第一条地址，多播给多有设备，就是广播。
 
 
3.2 Transient
 
这个，，先不讲了
 
3.3 Solicited-Node
 
这个，，有点没看懂，简单说说。。。
 
Solicited-Node多播地址前缀是ff02:0:0:0:0:1:ff00::/104。
 
书上说Solicited-Node多播地址用于主要用于NDP(Neighbor Discovery Protocol)协议，NDP协议的功能有两个：
 
Address resolution
Duplicate Address Detection (DAD)
 
NDP协议的Address resolution功能就类似IPv4的ARP协议，名字都一样，就是根据IP地址请求MAC地址。
 
DAD功能是用来检测局域网中的所有设备的单播地址都是不同的。
 
3.3.1 单播地址到Solicited-Node多播地址的映射
 
Solicited-Node多播地址前104位是固定的，还剩下的24位则是来自单播地址，这剩下24位和单播地址是相同的。
 
如下图，把单播地址的低24位拷贝过来，作为Solicited-Node多播地址的低24位。
 
 
 
如上图，这个单播地址可以是全局单播地址，也可以是Link-Local单播地址。
 
3.3.2 Solicited-Node多播地址到MAC地址的映射
 
这个映射提现了多播地址比广播地址好的地方。。。。
 
Solicited-Node多播地址要映射到MAC地址上，就是Mac地址的高12位不变，低32位改为Solicited-Node多播地址的低32位。如图所示：
 
 
 
我之前以为MAC地址是固定不变了，原来可以改变。
 
 
 
这里我有个疑惑，每个设备有个公网地址Global Unicast Address，也有一个私网地址Link-Local Unicast Address，那这样不是会产生两个Mac地址吗？？？？
 
 
 
 
这样映射有什么好处？
 
 
​ 多播地址只能用于目的地址，因此这样的数据包发出去后，目标设备接收时，只看Mac地址就可以知道，是不是发给自己的，就不用拆包查看IP地址了。
 
 
4. IPv6地址查看
 
查看了自己电脑的IP，如下图：
 
 
可以确定的是有一个回环地址：::1/128，还有个Link-Local地址：fe80::b105:a91f:85a5:e1ef/64。
 
参考资料
 
《IPv6 Fundamentals A Straightforward》

1.QUdpSocket
 
UDP是轻量的、不可靠的、面向数据报、无连接的协议，它可以用于对可靠性要求不高的场合，与TCP通信不同，无需建立持久的socket连接。
 
QUdpSocket用于实现UDP通信，与QTcpSocket主要区别是，QUdpSocket以数据报传输数据，而不是以连续的数据流。发送数据使用writeDatagram()，数据报的长度一般少于512字节，每个数据报包含发送者和接收者的IP地址和端口等信息。
 
要进行UDP通信，首先需要bind函数绑定一个端口，用于接收传入的手机不能。当有数据报传入时会发射readyRead()信号，使用readDatagram()来读取接收到的数据报。
 
UDP消息传送有单播、广播、组播三种模式。
 
单播：一个UDP客户端发出的数据报只发送到另一个指定地址和端口的UDP客户端，是一对一的数据传输。
广播：一个UDP客户端发出的数据报，在同一网络范围内其他所有的UDP客户端都可以收到。
组播：也称多播，UDP客户端加入到另一个组播IP地址指定的多播组，成员向组播地址发送的数据报组内成员都可以接收到，类似于QQ群功能。
 
在单播、广播和多播下，UDP程序都是对等的，不像TCP那样分为客户端和服务器端。单播和广播的实现方式基本相同，只是数据报的目标IP地址设置不同，多播模式需要加入多播组，实现方式有较大差异。
 
2.单播/广播
 
 
本机运行两个实例需要绑定不同的端口，例如实例A绑定端口2000，实例B绑定端口3000，实例A向实例B发送数据时，需要指定实例B所在主机的IP地址、绑定端口作为目标地址和目标端口，这样实例B才能接收到数据报。如果在不同的计算机运行，则可以使用相同的端口。
 
要实现数据接收，必须先使用QUdpSocket::bind()绑定一个端口，用于监听传入的数据报。解除绑定则使用abort()函数。
writeDatagram()函数向一个目标用户发送消息时，需要指定目标地址和端口。
在广播消息时，只需要将目标地址更换为一个特殊地址，即广播地址QHostAddress::Broadcast，一般为255.255.255.255
发送的数据报是QByteArray类型的字节数组，数据报的长度一般不超过512字节，可以是文本，也可以是二进制数据。
接收到数据报后会发射readyRead()信号。
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QUdpSocket>

namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

private slots:
    void on_btnBind_clicked();

    void on_btnUnBind_clicked();

    void on_btnClear_clicked();

    void on_btnQuit_clicked();

    void on_btnSend_clicked();

    void on_btnBroadcast_clicked();

    void on_readyRead();
private:
    Ui::Widget *ui;

private:
    QUdpSocket *m_udpSocket = nullptr;
};

#endif // WIDGET_H
 
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"
#include <QHostInfo>

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


    //本地主机名
    QString hostName = QHostInfo::localHostName();

    //本机IP地址
    QHostInfo hostInfo = QHostInfo::fromName(hostName);

    //IP地址列表
    QList<QHostAddress> addrList = hostInfo.addresses();
    for(int i=0;i<addrList.count();i++)
    {
        QHostAddress host = addrList.at(i);

        if(QAbstractSocket::IPv4Protocol == host.protocol())
        {
            QString ip = host.toString();
            ui->comboBox->addItem(ip);
        }
    }

    m_udpSocket = new QUdpSocket(this);
    connect(m_udpSocket,&QUdpSocket::readyRead,this,&Widget::on_readyRead);

}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
}

void Widget::on_btnBind_clicked()
{
    //本机UDP端口
    qint16 port = ui->spinBindPort->value();

    if(m_udpSocket->bind(port))
    {
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**已成功绑定");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口: "+QString::number(m_udpSocket->localPort()));
        ui->btnBind->setEnabled(false);
        ui->btnUnBind->setEnabled(true);
    }
    else
    {
         ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定失败");
    }
}

void Widget::on_btnUnBind_clicked()
{
    //解除绑定
    m_udpSocket->abort();
    ui->btnBind->setEnabled(true);
    ui->btnUnBind->setEnabled(false);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("**已解除绑定");
}

void Widget::on_btnClear_clicked()
{
    ui->plainTextEdit->clear();
}

void Widget::on_btnQuit_clicked()
{

}

void Widget::on_btnSend_clicked()//单播
{
    //目标IP
    QString dstIp = ui->comboBox->currentText();

    QHostAddress dstAddr(dstIp);

    //目标端口
    quint16 dstPort = ui->spinDstPort->value();

    QString msg = ui->lineEdit->text();
    QByteArray str = msg.toUtf8();

    //发出数据报
    m_udpSocket->writeDatagram(str,dstAddr,dstPort);

    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[out] "+msg);
}

void Widget::on_btnBroadcast_clicked()//广播
{
    quint16 dstPort = ui->spinDstPort->value();

    QString msg = ui->lineEdit->text();
    QByteArray str = msg.toUtf8();

    //发出数据报
    m_udpSocket->writeDatagram(str,QHostAddress::Broadcast,dstPort);

    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[Broadcast] "+msg);
}

void Widget::on_readyRead()
{
    //是否还有待读取的传入数据报
    while(m_udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray data;

        //返回待读取的数据报的字节数
        data.resize(m_udpSocket->pendingDatagramSize());

        QHostAddress peerAddr;

        quint16 peerPort;

        //读取数据报的内容
        m_udpSocket->readDatagram(data.data(),data.size(),&peerAddr,&peerPort);

        QString str = data.data();

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

        ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);
    }
}
 
3.组播
 
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数据报，组内成员都可以接收到，类似QQ群。
 
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。永久多播组保持不变的是它的IP地址，组内成员结构可以发生变化。
 
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internet
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
若在家庭或办公室局域网内测试UDP组播功能，可以使用组播地址范围是239.0.0.0~239.255.255.255
 
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、数据报收发功能与单播UDP完全相同。
 
 
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QWidget>
#include <QUdpSocket>

namespace Ui {
class Widget;
}

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();

private slots:
    void on_btnClear_clicked();

    void on_btnSend_clicked();

    void on_readyRead();
    void on_btnJoin_clicked();

    void on_btnExit_clicked();

private:
    Ui::Widget *ui;

private:
    QUdpSocket *m_udpSocket = nullptr;

    QHostAddress groupAddr; //组播地址
};

#endif // WIDGET_H
 
#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"
#include <QHostInfo>

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

    //本地主机名
    QString hostName = QHostInfo::localHostName();

    m_udpSocket = new QUdpSocket(this);

    //socket QAbstractSocket::MulticastTtlOption值为1，MulticastTtlOption是
    //组播的数据的生存期，数据报没跨1个路由就会减1.表示多播数据报只能在同一路由下的局域网内传播
    m_udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,1);
    connect(m_udpSocket,&QUdpSocket::readyRead,this,&Widget::on_readyRead);

}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
}


void Widget::on_btnClear_clicked()
{
    ui->plainTextEdit->clear();
}

void Widget::on_btnSend_clicked()//组播
{
    //目标端口
    quint16 groupPort = ui->spinBindPort->value();

    QString msg = ui->lineEdit->text();
    QByteArray str = msg.toUtf8();

    //发出数据报
    m_udpSocket->writeDatagram(str,groupAddr,groupPort);

    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[multicast] "+msg);
}

void Widget::on_readyRead()
{
    while(m_udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray data;
        data.resize(m_udpSocket->pendingDatagramSize());

        QHostAddress peerAddr;

        quint16 peerPort;

        m_udpSocket->readDatagram(data.data(),data.size(),&peerAddr,&peerPort);

        QString str = data.data();

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

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

void Widget::on_btnJoin_clicked()
{
    QString IP = ui->comboBox->currentText();
    groupAddr = QHostAddress(IP);

    quint16 groupPort = ui->spinBindPort->value();
    //加入组播之前，必须先绑定端口，端口为多播组统一的一个端口。
    if(m_udpSocket->bind(QHostAddress::AnyIPv4,groupPort,QUdpSocket::ShareAddress))
    {
        //加入组播
        m_udpSocket->joinMulticastGroup(groupAddr);

        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**加入组播成功");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**组播IP: "+ IP);
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口: "+QString::number(groupPort));
        ui->btnJoin->setEnabled(false);
        ui->btnExit->setEnabled(true);
        ui->comboBox->setEnabled(false);
    }
    else
    {
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**绑定端口失败");
    }
}

void Widget::on_btnExit_clicked()
{
    //退出组播
    m_udpSocket->leaveMulticastGroup(groupAddr);

    //解除绑定
    m_udpSocket->abort();

    ui->btnJoin->setEnabled(true);

    ui->btnExit->setEnabled(false);
    ui->comboBox->setEnabled(true);

    ui->plainTextEdit->appendPlainText("**已退出组播");
}