網絡編程——UDP協議和通信

第1章 UDP與TCP協議

在介紹TCP/IP結構時，提到傳輸層的兩個重要的高級協議，分別是UDP和TCP，其中UDP是User Datagram Protocol的簡稱，稱為用戶數據報協議，TCP是Transmission Control Protocol的簡稱，稱為傳輸控制協議。

1.1 UDP協議

UDP是無連接通信協議，即在數據傳輸（數據大小在64kb以內）時，數據的發送端和接收端不建立邏輯連接。簡單來說，當一台計算機向另外一台計算機發送數據時，發送端不會確認接收端是否存在，就會發出數據，同樣接收端在收到數據時，也不會向發送端反饋是否收到數據。

由於使用UDP協議消耗資源小，通信效率高，所以通常都會用於音頻、視頻和普通數據的傳輸例如視頻會議都使用UDP協議，因為這種情況即使偶爾丟失一兩個數據包，也不會對接收結果產生太大影響。

但是在使用UDP協議傳送數據時，由於UDP的面向無連接性，不能保證數據的完整性，因此在傳輸重要數據時不建議使用UDP協議。UDP的交換過程如下圖所示。

1.2 TCP協議

TCP協議是面向連接的通信協議，即在傳輸數據前先在發送端和接收端建立邏輯連接，然后再傳輸數據，它提供了兩台計算機之間可靠無差錯的數據傳輸。在TCP連接中必須要明確客戶端與服務器端，由客戶端向服務端發出連接請求，每次連接的創建都需要經過“三次握手”。第一次握手，客戶端向服務器端發出連接請求，等待服務器確認，第二次握手，服務器端向客戶端回送一個響應，通知客戶端收到了連接請求，第三次握手，客戶端再次向服務器端發送確認信息，確認連接。整個交互過程如下圖所示。

由於TCP協議的面向連接特性，它可以保證傳輸數據的安全性，所以是一個被廣泛采用的協議，例如在下載文件時，如果數據接收不完整，將會導致文件數據丟失而不能被打開，因此，下載文件時必須采用TCP協議。

 

第2章 UDP通信

2.1 DatagramPacket

前面介紹了UDP是一種面向無連接的協議，因此，在通信時發送端和接收端不用建立連接。UDP通信的過程就像是貨運公司在兩個碼頭間發送貨物一樣。在碼頭發送和接收貨物時都需要使用集裝箱來裝載貨物，UDP通信也是一樣，發送和接收的數據也需要使用“集裝箱”進行打包，為此JDK中提供了一個DatagramPacket類，該類的實例對象就相當於一個集裝箱，用於封裝UDP通信中發送或者接收的數據。

 

想要創建一個DatagramPacket對象，首先需要了解一下它的構造方法。在創建發送端和接收端的DatagramPacket對象時，使用的構造方法有所不同，接收端的構造方法只需要接收一個字節數組來存放接收到的數據，而發送端的構造方法不但要接收存放了發送數據的字節數組，還需要指定發送端IP地址和端口號。

 

接下來根據API文檔的內容，對DatagramPacket的構造方法進行逐一詳細地講解。

使用該構造方法在創建DatagramPacket對象時，指定了封裝數據的字節數組和數據的大小，沒有指定IP地址和端口號。很明顯，這樣的對象只能用於接收端，不能用於發送端。因為發送端一定要明確指出數據的目的地(ip地址和端口號)，而接收端不需要明確知道數據的來源，只需要接收到數據即可。

使用該構造方法在創建DatagramPacket對象時，不僅指定了封裝數據的字節數組和數據的大小，還指定了數據包的目標IP地址（addr）和端口號（port）。該對象通常用於發送端，因為在發送數據時必須指定接收端的IP地址和端口號，就好像發送貨物的集裝箱上面必須標明接收人的地址一樣。

上面我們講解了DatagramPacket的構造方法，接下來對DatagramPacket類中的常用方法進行詳細地講解，如下表所示。

2.2 DatagramSocket

DatagramPacket數據包的作用就如同是“集裝箱”，可以將發送端或者接收端的數據封裝起來。然而運輸貨物只有“集裝箱”是不夠的，還需要有碼頭。在程序中需要實現通信只有DatagramPacket數據包也同樣不行，為此JDK中提供的一個DatagramSocket類。DatagramSocket類的作用就類似於碼頭，使用這個類的實例對象就可以發送和接收DatagramPacket數據包，發送數據的過程如下圖所示。

在創建發送端和接收端的DatagramSocket對象時，使用的構造方法也有所不同，下面對DatagramSocket類中常用的構造方法進行講解。

 該構造方法用於創建發送端的DatagramSocket對象，在創建DatagramSocket對象時，並沒有指定端口號，此時，系統會分配一個沒有被其它網絡程序所使用的端口號。

該構造方法既可用於創建接收端的DatagramSocket對象，又可以創建發送端的DatagramSocket對象，在創建接收端的DatagramSocket對象時，必須要指定一個端口號，這樣就可以監聽指定的端口。

上面我們講解了DatagramSocket的構造方法，接下來對DatagramSocket類中的常用方法進行詳細地講解。

2.3 UDP網絡程序

講解了DatagramPacket和DatagramSocket的作用，接下來通過一個案例來學習一下它們在程序中的具體用法。

下圖為UDP發送端與接收端交互圖解

要實現UDP通信需要創建一個發送端程序和一個接收端程序，很明顯，在通信時只有接收端程序先運行，才能避免因發送端發送的數據無法接收，而造成數據丟失。因此，首先需要來完成接收端程序的編寫。

l UDP完成數據的發送

/**
 * 實現UDP協議的發送端
 *      實現封裝數據的類java.net.DatagramPacket 將你的數據包裝
 *      實現封裝數據的類java.net.DatagramSocket 將你的數據發送
 *
 * 實現步驟：
 *      1.創建DatagramPacket對象，封裝數據，接收端的地址和端口
 *      2.創建DatagramSocket對象
 *      3.調用DatagramSocket類方法send，發送數據包
 *      4.關閉資源DatagramSocket
 *
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class UDPSend2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創建數據包對象，封裝要發送的數據，接收端IP，端口
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        //創建DatagramSocket對象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        //創建InetAddress對象，封裝自己的ip地址
        InetAddress inet = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        while(true) {
            String message = sc.nextLine();
            byte[] data = message.getBytes();
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(data,data.length,inet,6000);
            //調用ds方法send，發送數據包
            ds.send(dp);
        }
        //關閉資源
        //ds.close();
    }

}

l UDP完成數據的接收

/**
 * 實現UDP接收端
 *      實現封裝數據的類java.net.DatagramPacket 將你的數據接收
 *      實現輸出數據的類java.net.DatagramSocket 接收數據包
 *
 * 實現步驟：
 *      1.創建DatagramSocket對象,綁定端口號，要和發送端端口號一致
 *      2.創建字節數據，接收發來的數據
 *      3.創建數據包對象DatagramPacket
 *      4.調用DatagramSocket對象方法receive(DatagramPacket dp)接收數據，數據放在數據包中
 *      5.拆包
 *          發送的ip地址
 *              數據包對象DatagramPacket方法getAddress()獲取的是發送端IP地址
 *          接收到的字節個數
 *              數據包對象DatagramPacket對象中的方法getLength()
 *          發送方的端口號
 *              數據包對象DatagramPacket方法getPort()獲取的是發送端端口
 *      6.關閉資源
 *
 * 永不停歇接收端
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class UDPReceieve2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創建數據包傳輸對象DatagramSocket,綁定端口號
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(6000);
        //創建字節數組
        byte[] data = new byte[1024];
        //創建數據包對象，傳遞字節數組
        while(true) {
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(data,data.length);
            //調用ds對象的方法receive
            ds.receive(dp);//receive具有線程等待

            //獲取發送端的ip地址對象
            String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
            //獲取發送的端口號
            int port = dp.getPort();
            //獲取接收到的字節個數
            int length = dp.getLength();
            System.out.println(new String(data,0,length)+"..."+ip+":"+port);
        }

        //ds.close();
    }
}