Java网络编程：UDP通信篇

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UDP协议

对于UDP协议，这里简单做一下介绍：

在TCP/IP协议簇中，用户数据报协议（UDP）是传输层的一个主要协议之一，它与传输控制协议（TCP）一起构成了互联网的基础。UDP具有以下几个主要特点：

1. 无连接 ：UDP是一个无连接的协议，这意味着在通信之前不需要建立连接。每个数据包独立传输，没有握手过程。这使得UDP的传输延迟较低，适合需要快速传输数据的应用场景。
2. 不可靠传输 ：UDP不保证数据的可靠传输。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。协议本身不提供错误检测和重传机制。如果需要可靠性，必须在应用层实现。
3. 面向报文 ：UDP是面向报文的协议。发送方将数据分成独立的报文，每个报文包含完整的消息。接收方按报文接收数据，报文的边界在接收时保持不变。
4. 低开销 ：由于UDP没有连接建立、维护和终止的开销，也没有复杂的错误控制和流量控制机制，其报头信息较少，仅包含源端口、目标端口、长度和校验和。这使得UDP的开销非常低，适合需要高效传输的应用。
5. 支持广播和多播 ：UDP支持广播和多播，这意味着可以将数据包发送到一个或多个网络中的所有主机。这在某些网络应用中非常有用，例如视频流和在线游戏。
6. 实时性好 ：由于没有连接建立和维护的开销，加上较低的协议处理时间，UDP适合实时性要求高的应用，如视频会议、语音通信和在线游戏。
7. 简单性 ：UDP协议相对简单，实现和使用都比较方便。应用程序可以直接在UDP之上构建，并根据需要添加错误处理、重传等机制。

适用场景

• 实时应用 ：如视频流、语音通信、在线游戏等，要求低延迟和实时性，数据丢失影响较小。
• 简单查询服务 ：如DNS查询，发送一个请求并期望快速响应，偶尔的丢包可以通过重试解决。
• 广播和多播 ：如网络发现、服务公告等，需要将消息发送给多个主机。

Java中的UDP通信

市面上大部分Java应用存在着大量的通信交流的需求，那了解了UDP协议的相关信息和使用场景后，对于Java程序我们该如何来实现通信呢？

在Java中实现UDP通信涉及两个主要类： DatagramSocket 和 DatagramPacket 。

DatagramSocket

DatagramSocket 类用于创建和管理UDP套接字。它负责发送和接收数据包，并提供了基本的网络通信功能。

主要功能包括：

• 绑定到特定的IP地址和端口。
• 发送和接收 DatagramPacket 。
• 管理网络连接的基本设置（例如超时、缓冲区大小）。

主要方法

• DatagramSocket()

  创建一个绑定到任意可用端口的套接字。

• DatagramSocket(int port)

  创建一个绑定到指定端口的套接字。

• DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)

  创建一个绑定到指定端口和本地地址的套接字。

• send(DatagramPacket p)

  发送数据包。

• receive(DatagramPacket p)

  接收数据包。

• close()

  关闭套接字。

更多详细的方法和参数讲解可以查看 oracle 官方的API文档：

这里是中文版本的：

DatagramPacket

DatagramPacket 类用于表示一个数据包。它包含发送或接收的数据，以及目标或来源的IP地址和端口。

主要功能包括：

• 封装数据（字节数组）。
• 存储发送或接收数据包的目标或来源信息（IP地址和端口）。

主要方法

• DatagramPacket(byte[] buf, int length)

  创建用于接收数据的数据包。

• DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)

  创建用于发送数据的数据包。

• getData()

  获取数据包中的数据。

• getLength()

  获取数据包中数据的长度。

• getAddress()

  获取数据包的目标或来源地址。

• getPort()

  获取数据包的目标或来源端口。

• setData(byte[] buf)

  设置数据包中的数据。

• setLength(int length)

  设置数据包中数据的长度。

• setAddress(InetAddress address)

  设置数据包的目标地址。

• setPort(int port)

  设置数据包的目标端口。

笔者这里还是将官方的API文档和对应的中文文档给出：

DatagramSocket 主要通过 DatagramPacket 来传输和接收数据。在UDP通信中， DatagramPacket 用于封装数据和相关信息（如目标地址和端口），而 DatagramSocket 则用于实际的发送和接收操作。

举个点外卖的例子来说明，假如今天是疯狂星期四，小李想要点个肯德基的芝士汉堡， DatagramSocket 就相对于是肯德基的大门以及小李家的大门， DatagramPacket 就相对于是外卖小哥，小李点的汉堡等食品就相对于是要传输的数据，当肯德基做好汉堡后，外卖小哥通过肯德基的大门的地址信息（ DatagramSocket ）拿到汉堡（ 数据 ），然后由外卖小哥将食品包装好，到小李家楼下后通过小李家的门牌号的信息（ DatagramSocket ）找到小李，并且将汉堡交付给小李。

另外，这里对套接字需要简单的做一个解释：

套接字（Socket）是网络通信的基本组件，它提供了一种机制，使得计算机能够通过网络进行数据传输。套接字是一个抽象概念，用于表示网络通信的一个端点。无论是TCP还是UDP通信，套接字都是必不可少的。

UDP客户端-服务端代码实现

服务器端和客户端在代码实现方面是非常简单的，在前文中有说到：UDP不是面向连接的而且协议本身就很简单。因此在实现方面需要做的功能也很少，大致可以分为以下几步：

• 创建套接字（DatagramSocket）。
• 发送（Send）和接收（Receive）数据包（DatagramPacket）。
• 关闭（Close）套接字。

还是拿刚才买汉堡的例子，我们就可以这样来实现：

UDP客户端：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Arrays;

public class UDPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 要发送的信息
        String messg = "我是小李，我想点一个芝士汉堡";
        // 建立Socket
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        // 建立收发容器
        byte[] sendData;
        byte[] receiveData = new byte[1024];
        // 发送数据包
        sendData = messg.getBytes();
        InetAddress serverAddress = InetAddress.getByName("localhost");
        DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, serverAddress, 9999);
        socket.send(sendPacket);
        // 接收数据包
        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
        socket.receive(receivePacket);
        String receivedMessage = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
        System.out.println("Received from Server: " + receivedMessage);
        // 关闭套接字
        socket.close();
    }
}

UDP服务端：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Arrays;

public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 要发送的信息
        String messg = "这里是肯德基，您的芝士汉堡已经制作完毕，祝您用餐愉快";
        // 建立Socket
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999);
        try {
            // 建立收发容器
            byte[] sendData;
            byte[] receiveData = new byte[1024];
            // 接收数据包
            DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
            socket.receive(receivePacket);
            String receivedMessage = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
            System.out.println("Received from Client: " + receivedMessage);
            // 发送数据包
            sendData = messg.getBytes();
            InetAddress clientAddress = receivePacket.getAddress();
            int clientPort = receivePacket.getPort();
            DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, clientAddress, clientPort);
            socket.send(sendPacket);
        } finally {
            // 关闭套接字
            if (socket != null && !socket.isClosed()) {
                socket.close();
            }
        }
    }
}

上述只是一个非常简单的例子，实现了UDP通信中的一发一收的功能。要实现更丰富的功能也只需要稍微改一改就行，比如加上while循环就可以使得通信可以不间断，一直发消息一直收消息，也可以加上文件读写的操作使得用户的输入可以更多样化。

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