Java网络编程（六）—— UDP编程（一）

这是我参与11月更文挑战的第6天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战

总述

前面讲到的Socket是在TCP传输层协议之上运行的网络应用程序。除了可以选择TCP传输数据以外，还可以使用用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP），UDP是在IP之上发送数据的另一种传输层协议，速度很快，但不可靠。当发送UDP数据时，无法知道数据是否会到达，也不知道数据的各个部分是否会以发送时的顺序到达。不过，确实能到达的部分一般都会很快到达。

或许有人会考虑。既然UDP不是可靠的数据传输协议，那么为什么还需要存在呢？其实在有些应用程序中，保持最快的速度比保证每一位数据都正确更为重要。比如说，当你看视频时，偶尔少了几帧你不会注意到，但是如果经常性的停顿是不能容忍的，在这种情况下，UDP就会比TCP适用。

通常可以用电话系统和邮局的关系来对照解释TCP与UDP的区别。TCP就像电话系统。当你拨号时，电话会得到应答，在双方之间建立起一个连接。当你说话时，你知道另一方会以你说的顺序听到你讲的话。如果电话忙或没有人应答，你会马上发现。相反，UDP就像邮局系统。你向一个地址发送邮包。大多数信件都会到达，但有些可能会在路上丢失。信件可能以发送的顺序到达，但这一点无法保证。离接收方越远，邮件就越有可能在路上丢失或乱序到达。如果这对你来说很重要，你可以在信封上写上序号，然后要求接收方以正确的顺序排列，并发邮件来告诉你哪些信件已经到达，这样你就可以重新发送第一次没有到达的信件。不过，你和对方需要预先协商好这个协议。邮局不会为你做这件事。电话系统和邮局都有各自的用处。尽管它们几乎都可以用于任何通信，但是在某些特定情况下，二者之间肯定有优劣之分。

Java中UDP的实现分为两个类：DatagramPacket 和 DatagramSocket。DatagramPacket类将数据字节填充到UDP包中，这称为数据报（datagram)，由你来解包接收的数据报。DatagramSocket可以收发UDP数据报。为发送数据，要将数据放到DatagramPacket中，使用DatagramSocket来发送这个包。要接收数据，可以从DatagramSocket中接收一个DatagramPacket对象，然后检查该包的内容。

与TCP不同的是

1. UDP没有两台主机间唯一连接的概念。 一个Socket会收发所有指向指定端口的数据，而不需要知道对方是哪一个远程主机。一个DatagramSocket可以从多个独立主机收发数据。与TCP不同，这个Socket并不专用于一个连接。事实上，UDP没有任何两台主机之间连接的概念，它只知道单个数据报。要确定由谁发送什么数据,这是应用程序的责任。
2. TCP socket把网络连接看作是流：通过从Socket得到的输入和输出流来收发数据。UDP不支持这一点，你处理的总是单个数据报包。 填充在一个数据报的所有数据会以一个包的形式进行发送，这些数据作为一个组要么全部接收，要么完全丢失。一个包不一定与下一个包相关。给定两个包，没有办法确定哪个先发送哪个后发送。对于流来说，必须提供数据的有序队列，与之不同，数据报会尽可能快地蜂拥到接收方，就像一大群人挤公共汽车一样。而在有些情况下，如果公共汽车太挤了，有些包就会像一些不走运的人一样，可能被挤在外面,继续在公共汽车站上等候。

UDP例子

下面我们来实现一个简单的例子，这个例子中有客户端Client和服务端Server，客户端向服务端发送一个数据包，服务端收到了以后，会解析这个数据报，提取出数据报的源地址和源端口号，并向客户端发回当前时间。客户端收到服务端发回的数据报后，输出时间。

UDP客户端

首先需要打开一个Socket来发送和接收数据报

DatagramSocket socket = new DatagramSocket(0);

这里传入0的目的是让操作系统自己选择一个端口，因为作为客户端并不用关心是用哪个端口发送的。

下一步是设置一个超时时间，以毫秒为单位，这一步是可选的，但是是十分必要的，设置超时对于UDP比TCP甚至更重要，因为TCP中会导致IOException异常的很多问题在UDP中只会悄无声息地失败。例如，如果远程主机未在目标端口监听，你就永远也不会收到回音。

socket.setSoTimeout(4000);//设置超时时间为4s

接下来需要建立数据包。你要建立两个数据包，一个是要发送的数据包，另一个是要接收的数据包。对于这个任务来说，发送的数据报中有什么数据不重要，重要的是要指出要连接的远程主机和远程端口。接收服务器响应的数据包只包含一个空的byte数组。这个数组要足够大，可以包含整个响应。

InetAddress host = InetAddress.getByName("localhost");
DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[1], 1 , host, 5555);//服务端的端口设置成5555
DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);

接着在打开的Socket上发送数据报并接受就行了，拿到服务端返回的数据报后，得到其中的数据（服务器返回的时间）输出即可

socket.send(request);
socket.receive(response);

UDPClinet整体的代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class DayTimeUDPClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(0);
        socket.setSoTimeout(4000);


        InetAddress host = InetAddress.getByName("localhost");
        DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[1], 1 , host, 5555);
        DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);

        socket.send(request);
        socket.receive(response);

        String result = new String(response.getData(),0, response.getLength(),"US-ASCII");
        System.out.println(result);

    }
}

UDP服务端

UDP服务端与UDP客户端类似，不同的是要先接收再发送，同时不能选择一个匿名端口进行绑定Socket，毕竟客户端的UDP是要知道向哪里发送。此外，与TCP不同的，UDP没有单独的ServerSocket。

首先，要在一个已知的端口上打开一个数据报Socket，这里设定成了5555：

DatagramSocket socket = new DatagramSocket(5555);

接下来，创建一个将接收请求的数据包。要提供一个将存储入站数据的byte数组，数组中的偏移量，以及要存储的字节数。在这里，将建立一个可以从0开始存储1024字节的数据包，然后接受这个数据报。这个调用会无限阻塞，直到一个UDP数据包到达端口13。如果有UDP数据包到达，Java就会将这个数据填充在byte数组中，receive()方法返回。

DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[12], 12);
socket.receive(request);

然后再创建一个响应数据包。这包括4个部分：要发送的原始数据、待发送原始数据的字节数、要发送到哪个主机，以及发送到该主机上哪个端口。在这个例子中，原始数据来自当前时间的一个string形式，主机和端口就是入站数据包的主机和端口：

String daytime = new Date().toString();
byte[] data = daytime.getBytes("US-ASCII");
DatagramPacket response = new DatagramPacket(data, data.length,request.getAddress(), request.getPort());

最后，通过接收数据报的同一个Socket发回响应，并回显：

socket.send(response);

UDPServer整体的代码如下：

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.util.Date;
import java.util.logging.Logger;

public class DayTimeUDPServer {
    private static final int PORT = 5555;
    private final static Logger audit = Logger.getLogger("requests");

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(PORT);
        while (true)
        {
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[12], 12);
            socket.receive(request);

            String daytime = new Date().toString();
            byte[] data = daytime.getBytes("US-ASCII");
            DatagramPacket response = new DatagramPacket(data, data.length,request.getAddress(), request.getPort());
            socket.send(response);
            audit.info(daytime+" 客户端地址："+request.getAddress()+" 客户端端口号："+request.getPort());
        }
    }
}

结果

在这个例子中可以看到，UDP服务器与TCP服务器不同，往往不是多线程的。它们通常不会对某一个客户做太多工作。

UDPServer结果：

UDPClient结果：