C++ Qt開發：QUdpSocket實現組播通訊

lyshark發表於2024-03-20
C++QTUDP

Qt 是一個跨平臺C++圖形介面開發庫，利用Qt可以快速開發跨平臺窗體應用程式，在Qt中我們可以透過拖拽的方式將不同元件放到指定的位置，實現圖形化開發極大的方便了開發效率，本章將重點介紹如何運用QUdpSocket元件實現基於UDP的組播通訊。

組播是一種一對多的通訊方式，允許一個傳送者將資料包文傳送到多個接收者，這些接收者透過共享相同的組播IP地址進行通訊。在設定組播地址時需要注意，該範圍被限制在239.0.0.0～239.255.255.255以內，這是預留給組播的地址範圍。

setSocketOption 設定套接字

在Qt中使用組播，首先需要呼叫setSocketOption函式，該函式是 QUdpSocket 類的成員函式，用於設定套接字的選項。

該函式原型如下：

bool QUdpSocket::setSocketOption(
    QAbstractSocket::SocketOption option, 
    const QVariant & value
)
  • option：要設定的套接字選項，這裡應該是 QAbstractSocket::MulticastTtlOption，表示設定多播 TTL 選項。
  • value：選項的值，這裡應該是 TTL 的值。在 IPv4 中，TTL 是一個 8 位的欄位，表示資料包在網路中允許經過的最大路由器數量。通常情況下，TTL 值越大，資料包能夠傳播的範圍就越廣。

函式返回一個 bool 型別的值，表示是否成功設定了選項。如果設定成功，返回 true，否則返回 false。

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

    udpSocket=new QUdpSocket(this);

    // 設定為多播
    udpSocket->setSocketOption(QAbstractSocket::MulticastTtlOption,1);
}

bind 繫結套接字地址

接著就是對特定埠的繫結，繫結埠可以透過呼叫bind函式，該函式用於將 QUdpSocket 繫結到指定的本地地址和埠，並設定特定的繫結選項。

在我們的課件中，使用 bind() 將 QUdpSocket 繫結到 IPv4 的任意地址，並指定了一個組播（Multicast）埠，同時設定了共享地址（ShareAddress）選項。

該函式原型如下：

void QUdpSocket::bind(
    const QHostAddress & address, 
    quint16 port, 
    BindMode mode = DefaultForPlatform
)
  • address：要繫結的本地地址，這裡使用 QHostAddress::AnyIPv4 表示繫結到 IPv4 的任意地址。
  • port：要繫結的本地埠號，這裡應該是組播埠號。
  • mode：繫結模式，指定套接字的行為。這裡使用 QUdpSocket::ShareAddress 表示共享地址選項，它允許多個套接字同時繫結到相同的地址和埠。

函式將 QUdpSocket 繫結到指定的地址和埠，並且允許多個套接字同時共享相同的地址和埠。

joinMulticastGroup 加入組播

joinMulticastGroup() 函式是 QUdpSocket 類的成員函式，用於將 QUdpSocket 加入指定的多播組。

該函式原型如下：

bool QUdpSocket::joinMulticastGroup(
    const QHostAddress & groupAddress, 
    const QNetworkInterface & iface = QNetworkInterface()
)
  • groupAddress：要加入的多播組的組播地址。
  • iface：要加入多播組的網路介面。預設情況下，會選擇預設的網路介面。

函式返回一個 bool 型別的值，表示是否成功加入了多播組。如果成功加入多播組，返回 true；否則返回 false。透過呼叫 joinMulticastGroup() 函式，QUdpSocket 將成為指定多播組的成員，並能夠接收該多播組傳送的資料包。

// 開始組播
void MainWindow::on_pushButton_start_clicked()
{
    // 獲取IP
    QString IP= ui->lineEdit_address->text();
    groupAddress=QHostAddress(IP);

    // 獲取埠
    quint16 groupPort = ui->lineEdit_port->text().toUInt();

    // 繫結埠
    if (udpSocket->bind(QHostAddress::AnyIPv4, groupPort, QUdpSocket::ShareAddress))
    {
        // 加入組播
        udpSocket->joinMulticastGroup(groupAddress);
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("[*] 加入組播 " + IP + ":" + QString::number(groupPort));
    }
}

leaveMulticastGroup 退出組播

leaveMulticastGroup() 函式用於將 QUdpSocket 從指定的多播組中移除。透過呼叫該函式，QUdpSocket 將不再是指定多播組的成員，不再接收該多播組傳送的資料包。

該函式原型如下：

bool QUdpSocket::leaveMulticastGroup(
    const QHostAddress & groupAddress, 
    const QNetworkInterface & iface = QNetworkInterface()
)
  • groupAddress：要離開的多播組的組播地址。
  • iface：要離開多播組的網路介面。預設情況下，會選擇預設的網路介面。

函式返回一個 bool 型別的值，表示是否成功離開了多播組。如果成功離開多播組，返回 true；否則返回 false。

// 關閉組播
void MainWindow::on_pushButton_stop_clicked()
{
    // 退出組播
    udpSocket->leaveMulticastGroup(groupAddress);
    udpSocket->abort();
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[-] 退出組播");
}

writeDatagram 傳送資料包

writeDatagram() 函式是 QUdpSocket 類的成員函式，用於傳送資料包到指定的多播組。透過呼叫該函式，可以將資料包傳送到指定的多播組和埠，讓其他成員接收到該資料包。

其函式原型如下：

qint64 QUdpSocket::writeDatagram(
    const QByteArray & datagram, 
    const QHostAddress & groupAddress, 
    quint16 port
)
  • datagram：要傳送的資料包的內容，通常是一個 QByteArray 物件。
  • groupAddress：要傳送到的多播組的組播地址。
  • port：要傳送到的多播組的埠號。

函式返回一個 qint64 型別的值，表示實際傳送的位元組數。如果傳送成功，返回傳送的位元組數；否則返回 -1。

// 傳送組播訊息
void MainWindow::on_pushButton_send_clicked()
{
    quint16 groupPort = ui->lineEdit_port->text().toUInt();
    QString msg=ui->lineEdit_msg->text();
    QByteArray datagram=msg.toUtf8();

    udpSocket->writeDatagram(datagram,groupAddress,groupPort);
}

readDatagram 接收資料包

readDatagram() 函式是 QUdpSocket 類的成員函式，用於從套接字中讀取資料包，並將其儲存到指定的緩衝區中。通常情況下，可以使用這個函式來接收來自其他主機的資料包。透過使用該函式可從套接字中讀取資料包，並獲取資料包的源地址和埠號。

其函式原型如下：

qint64 QUdpSocket::readDatagram(
    char * data, qint64 maxSize, 
    QHostAddress * address = nullptr, 
    quint16 * port = nullptr
)
  • data：指向用於儲存接收資料的緩衝區的指標。
  • maxSize：緩衝區的最大大小，即最多可以接收的位元組數。
  • address：指向用於儲存傳送資料包的源地址的 QHostAddress 物件的指標。
  • port：指向用於儲存傳送資料包的源埠號的 quint16 型別的指標。

該函式返回一個 qint64 型別的值，表示實際接收的位元組數。如果接收成功，返回接收的位元組數；否則返回 -1。

// 讀取資料包
void MainWindow::onSocketReadyRead()
{
    while(udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray datagram;
        datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
        QHostAddress peerAddr;
        quint16 peerPort;
        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);

        QString str=datagram.data();

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

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

讀者可自行執行課件程式，並在多臺電腦中配置相同網段，當點選傳送訊息時所有同網段的程式都將收到廣播，如下圖所示；

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