Java 网络编程(2):UDP 的使用

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今天的主角是 UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)。
我们都知道 TCP 是一种可靠的协议 —— 首先客户端和服务端需要建立连接(三次“握手”),数据发送完毕需要断开连接(四次“挥手”);如果发送数据时数据损坏或者丢失,那么 TCP 会重新发送。保证可靠的代价就是效率的降低(建立连接和断开连接就需要时间,保证数据的可靠性也需要额外的消耗)。与 TCP 相对应,UDP 是面向无连接的协议,并且它不保证数据是否会到达,也不保证到达的数据是否准确和数据顺序是否正确 —— 所以相比于 TCP, UDP 的速度很快。在 需要不建立连接即可发送数据 的系统,或者 保证最快的传输速度比每一位数据都正确更重要 的系统(如视频会议,丢失某个数据包只是一个画面或者声音的小干扰)中,UDP 才是正确的选择。实际上,在同一个网段,或者在信号很好的局域网,UDP 是非常可靠的。

在 Java 中使用 UDP 时关键的两个类分别是:DatagramSocketDatagramPacket
DatagramPacket 表示数据包,而 DatagrameSocket 用来发送和接收数据包。

  • 发送数据包时:

因为 UDP 协议并不需要建立连接,所以我们将数据(byte数组)放入 DatagramPacket 之后,还需要将目的地(IP地址和端口)放入到 DatagramPacket 中 —— DatagramSocket 的 send(DatagramPacket packet) 方法根据 packet 中指定目的地,将其包含的数据往这个目的地发送。至于数据是否能(准确)到达目的地,DatagramSocket 并不关心。

  • 接收数据包时:

DatagramSocket 在接收数据包时,我们需要为其指定一个监听的端口。当有包含了接收端机器 IP 地址和 DatagramSocket 所监听端口的数据包到达时,DatagramSocket 的 receive(DatagramPacket packet) 方法便会对数据包进行接收,并将接收到的数据包填入到 packet 中。

现在让我们来实践 DatagramSocket 和 DatagramPacket:
因为 UDP 没有服务端和客户端之分,所以我们把两端分别定义为 发送端 和 接收端。
发送端代码:

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class UDPSender {

    private static final int RECVER_LISTENING_PORT = 9999;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<DatagramPacket> messages = new ArrayList<>(12);
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            String msgBody = (i == 3 ? "" : "Hello UDP-" + i);

            DatagramPacket msg0 = parseMsg(
                    msgBody, "127.0.0.1", RECVER_LISTENING_PORT); // 发送给本机
            DatagramPacket msg1 = parseMsg(
                    msgBody, "192.168.3.3", RECVER_LISTENING_PORT); // 发送给同一局域网的一台机器
            DatagramPacket msg2 = parseMsg(
                    msgBody, "120.77.**.***", RECVER_LISTENING_PORT); // 120.77.**.*** 是我阿里云主机的公网 IP 地址

            // JDK1.5 时 Collections 添加的 addAll 方法,可以一次往某个集合中添加多个元素
            Collections.addAll(messages, msg0, msg2, msg1);
        }

        startSending(messages);
    }

    private static void startSending(List<DatagramPacket> messages)
            throws IOException, InterruptedException {

        // 无参构造的 DatagramSocket 会随机选择一个端口进行监听
        // 因为此时 DatagramSocket 的作用是发送,所以无需显式指定固定端口
        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket()) {
            System.out.println("随机给发送端分配的端口为:" + socket.getLocalPort() + "\n");
            
            for (DatagramPacket msg : messages) {
                socket.send(msg); // 发送数据包

                int recverPort = msg.getPort();
                InetAddress recverAddr = msg.getAddress();
                System.out.printf("消息已经发送 -> (%s:%d)\n",
                        recverAddr.getHostAddress(), recverPort);

                Thread.sleep(500); // 设定 每隔 0.5 秒发送一个消息
            }
        }
    }

    private static DatagramPacket parseMsg(String msgBody, String addr, int port)
            throws UnknownHostException {

        byte[] msgData = msgBody.getBytes();
        DatagramPacket msg = new DatagramPacket(
                msgData, 0, msgData.length, // 数据从位置 0 开始,长度为 msgData.length
                InetAddress.getByName(addr), port); // 目的地 地址为 addr,监听端口为 port

        return msg;
    }

}

接收端代码:

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPReceiver {

    private static final int LISTENING_PORT = 9999;
    private static final int BUFFER_SIZE = 512;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
        DatagramPacket msg = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(LISTENING_PORT)) {
            System.out.println("接收端已经启动...\n");
            while (true) {
                socket.receive(msg); // 接收数据包

                String msgBody = new String(
                        msg.getData(), msg.getOffset(), msg.getLength());
                if (msgBody.isEmpty()) { // 发现接收的消息是空字符串("")便跳出循环
                    break;
                }

                int senderPort = msg.getPort();
                InetAddress senderAddr = msg.getAddress();

                System.out.printf("发送端 地址和端口 -> (%s:%d)\n",
                        senderAddr.getHostAddress(), senderPort);

                System.out.println("发送端 发送的消息 -> " + msgBody + "\n");
            }
        }

        System.out.println("接收端已经关闭。");
    }
}

现在 在本机、同一局域网的一台机器和阿里云主机上都运行 UDPReceiver:
本机接收端启动

局域网机器接收端启动

阿里云主机接收端启动

然后启动发送端 UDPSender:
发送端发送数据

接收端接收结果:
本机接收结果

局域网机器接收结果

阿里云主机接收结果

可以看到每个接收端都正确的接收了发送端发送的消息。


(本机 和 局域网机器 显示的发送端的端口(49756)是一致的,但是远程机器即阿里云主机显示的(4802)却与他们不一致——这个问题留给有兴趣的读者自己思考)


虽然 UDP 是不可靠的协议,但是因为它不需要建立连接,效率更快,所以在 需要不建立连接即可发送数据 的系统(比如本文的例子),或者 保证最快的传输速度比每一位数据都正确更重要 的系统中,我们应该使用 UDP。当然,基于 UDP 我们同样可以开发出可靠的协议——数据包的正确与否可以交给应用程序来判断,如果有问题接收端便提示发送端重新发送。


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来自星星的你 · 2016-11-25

very nice.

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mizhoux 作者 · 2016-11-26

thank you~

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