udp协议源码详解

PCB88475579 2017-12-08 9536

网络/协议

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描述

　　在进行UDP协议的使用中，我们通常会借助其他语言工具来完成工作。那么今天我们主要介绍一下Java下的UDP协议的使用。首先我们来了解一下UDP协议的基本概念。UDP协议的全称是用户数据报，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包｡在OSI模型中，在第四层？？传输层，处于IP协议的上一层｡UDP有不提供数据报分组､组装和不能对数据包的排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的｡

　　为什么要使用UDP

　　在选择使用协议的时候，选择UDP必须要谨慎｡在网络质量令人不十分满意的环境下，UDP协议数据包丢失会比较严重｡但是由于UDP的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频､视频和普通数据在传送时使用UDP较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响｡比如我们聊天用的ICQ和OICQ就是使用的UDP协议｡

　　一、使用DatagramSocket发送、接收数据原理

　　Java使用DatagramSocket代表UDP协议的Socket，DatagramSocket本身只是码头，不维护状态，不能产生IO流，它的唯一作用就是接收和发送数据报，Java使用DatagramPacket来代表数据报，DatagramSocket接收和发送的数据都是通过DatagramPacket对象完成的。

　　1. DatagramSocket的构造器

　　DatagramSocket（）：创建一个DatagramSocket实例，并将该对象绑定到本机默认IP地址、本机所有可用端口中随机选择的某个端口。

　　DatagramSocket（int prot）：创建一个DatagramSocket实例，并将该对象绑定到本机默认IP地址、指定端口。

　　DatagramSocket（int port， InetAddress laddr）：创建一个DatagramSocket实例，并将该对象绑定到指定IP地址、指定端口。

　　通过上面三个构造器中的任意一个构造器即可创建一个DatagramSocket实例，通常在创建服务器时，创建指定端口的DatagramSocket实例--这样保证其他客户端可以将数据发送到该服务器。一旦得到了DatagramSocket实例之后，就可以通过如下两个方法来接收和发送数据。

　　receive（DatagramPacket p）：从该DatagramSocket中接收数据报。

　　send（DatagramPacket p）：以该DatagramSocket对象向外发送数据报。

　　从上面两个方法可以看出，使用DatagramSocket发送数据报时，DatagramSocket并不知道将该数据报发送到哪里，而是由DatagramPacket自身决定数据报的目的地。就像码头并不知道每个集装箱的目的地，码头只是将这些集装箱发送出去，而集装箱本身包含了该集装箱的目的地。

　　2. DatagramPacket的构造器

　　DatagramPacket（byte［］ buf，int length）：以一个空数组来创建DatagramPacket对象，该对象的作用是接收DatagramSocket中的数据。

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int length， InetAddress addr， int port）：以一个包含数据的数组来创建DatagramPacket对象，创建该DatagramPacket对象时还指定了IP地址和端口--这就决定了该数据报的目的地。

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int offset， int length）：以一个空数组来创建DatagramPacket对象，并指定接收到的数据放入buf数组中时从offset开始，最多放length个字节。

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int offset， int length， InetAddress address， int port）：创建一个用于发送的DatagramPacket对象，指定发送buf数组中从offset开始，总共length个字节。

　　当Client/Server程序使用UDP协议时，实际上并没有明显的服务器端和客户端，因为两方都需要先建立一个DatagramSocket对象，用来接收或发送数据报，然后使用DatagramPacket对象作为传输数据的载体。通常固定IP地址、固定端口的DatagramSocket对象所在的程序被称为服务器，因为该DatagramSocket可以主动接收客户端数据。

　　在接收数据之前，应该采用上面的第一个或第三个构造器生成一个DatagramPacket对象，给出接收数据的字节数组及其长度。然后调用DatagramSocket 的receive（）方法等待数据报的到来，receive（）将一直等待（该方法会阻塞调用该方法的线程），直到收到一个数据报为止。

如下代码所示：

　　// 创建一个接收数据的DatagramPacket对象

　　DatagramPacket packet=new DatagramPacket（buf， 256）;

　　// 接收数据报

　　socket.receive（packet）;

　　在发送数据之前，调用第二个或第四个构造器创建DatagramPacket对象，此时的字节数组里存放了想发送的数据。除此之外，还要给出完整的目的地址，包括IP地址和端口号。发送数据是通过DatagramSocket的send（）方法实现的，send（）方法根据数据报的目的地址来寻径以传送数据报。如下代码所示：

　　// 创建一个发送数据的DatagramPacket对象

　　DatagramPacket packet = new DatagramPacket（buf， length， address， port）;

　　// 发送数据报

　　socket.send（packet）;

　　使用DatagramPacket接收数据时，会感觉DatagramPacket设计得过于烦琐。开发者只关心该DatagramPacket能放多少数据，而DatagramPacket是否采用字节数组来存储数据完全不想关心。但Java要求创建接收数据用的DatagramPacket时，必须传入一个空的字节数组，该数组的长度决定了该DatagramPacket能放多少数据，这实际上暴露了DatagramPacket的实现细节。接着DatagramPacket又提供了一个getData（）方法，该方法又可以返回Datagram Packet对象里封装的字节数组，该方法更显得有些多余--如果程序需要获取DatagramPacket里封装的字节数组，直接访问传给 DatagramPacket构造器的字节数组实参即可，无须调用该方法。

　　当服务器端（也可以是客户端）接收到一个DatagramPacket对象后，如果想向该数据报的发送者“反馈”一些信息，但由于UDP协议是面向非连接的，所以接收者并不知道每个数据报由谁发送过来，但程序可以调用DatagramPacket的如下3个方法来获取发送者的IP地址和端口。

　　InetAddress getAddress（）：当程序准备发送此数据报时，该方法返回此数据报的目标机器的IP地址；当程序刚接收到一个数据报时，该方法返回该数据报的发送主机的IP地址。

　　int getPort（）：当程序准备发送此数据报时，该方法返回此数据报的目标机器的端口；当程序刚接收到一个数据报时，该方法返回该数据报的发送主机的端口。

　　SocketAddress getSocketAddress（）：当程序准备发送此数据报时，该方法返回此数据报的目标SocketAddress；当程序刚接收到一个数据报时，该方法返回该数据报的发送主机的SocketAddress。getSocketAddress（）方法的返回值是一个SocketAddress对象，该对象实际上就是一个IP地址和一个端口号。也就是说，SocketAddress对象封装了一个InetAddress对象和一个代表端口的整数，所以使用SocketAddress对象可以同时代表IP地址和端口。

　　在Java中操纵UDP

　　使用位于JDK中Java.net包下的DatagramSocket和DatagramPacket类，可以非常方便地控制用户数据报文｡

　　在描述它们之前，必须了解位于同一个位置的InetAddress类｡InetAddress实现了Java.io. Serializable接口，不允许继承｡它用于描述和包装一个Internet IP地址，通过三个方法返回InetAddress实例：

　　getLocalhost（）：返回封装本地地址的实例｡

　　getAllByName（String host）：返回封装Host地址的InetAddress实例数组｡

　　getByName（String host）：返回一个封装Host地址的实例｡其中，Host可以是域名或者是一个合法的IP地址｡

　　DatagramSocket类用于创建接收和发送UDP协议的Socket实例｡和Socket类依赖SocketImpl类一样，DatagramSocket类的实现也依靠专门为它设计的DatagramScoketImplFactory类｡DatagramSocket类有3个构建器：

　　DatagramSocket（）：创建实例｡这是个比较特殊的用法，通常用于客户端编程，它并没有特定监听的端口，仅仅使用一个临时的｡

　　DatagramSocket（int port）：创建实例，并固定监听Port端口的报文｡

　　DatagramSocket（int port， InetAddress localAddr）：这是个非常有用的构建器，当一台机器拥有多于一个IP地址的时候，由它创建的实例仅仅接收来自LocalAddr的报文｡

　　值得注意的是，在创建DatagramSocket类实例时，如果端口已经被使用，会产生一个SocketException的异常抛出，并导致程序非法终止，这个异常应该注意捕获｡DatagramSocket类最主要的方法有4个：

　　Receive（DatagramPacket d）：接收数据报文到d中｡receive方法产生一个“阻塞“｡

　　Send（DatagramPacket d）：发送报文d到目的地｡

　　SetSoTimeout（int timeout）：设置超时时间，单位为毫秒｡

　　Close（）：关闭DatagramSocket｡在应用程序退出的时候，通常会主动释放资源，关闭Socket，但是由于异常地退出可能造成资源无法回收｡所以，应该在程序完成时，主动使用此方法关闭Socket，或在捕获到异常抛出后关闭Socket｡

　　“阻塞”是一个专业名词，它会产生一个内部循环，使程序暂停在这个地方，直到一个条件触发｡

　　DatagramPacket类用于处理报文，它将Byte数组､目标地址､目标端口等数据包装成报文或者将报文拆卸成Byte数组｡应用程序在产生数据包是应该注意，TCP/IP规定数据报文大小最多包含65507个，通常主机接收548个字节，但大多数平台能够支持8192字节大小的报文｡DatagramPacket类的构建器共有4个：

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int length， InetAddress addr， int port）：从Buf数组中，取出Length长的数据创建数据包对象，目标是Addr地址，Port端口｡

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int offset， int length， InetAddress address， int port）：从Buf数组中，取出Offset开始的､Length长的数据创建数据包对象，目标是Addr地址，Port端口｡

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int offset， int length）：将数据包中从Offset开始､Length长的数据装进Buf数组｡

　　DatagramPacket（byte［］ buf， int length）：将数据包中Length长的数据装进Buf数组｡

　　DatagramPacket类最重要的方法就是getData（）了，它从实例中取得报文的Byte数组编码｡

　　下面程序使用DatagramSocket实现了Server/Client结构的网络通信。本程序的服务器端使用循环1000次来读取DatagramSocket中的数据报，每当读取到内容之后便向该数据报的发送者送回一条信息。

服务器端程序代码如下。

　　UdpServer.java

　　public class UdpServer

　　{

　　public static final int PORT = 30000;

　　// 定义每个数据报的最大大小为4KB

　　private static final int DATA_LEN = 4096;

　　// 定义接收网络数据的字节数组

　　byte［］ inBuff = new byte［DATA_LEN］;

　　// 以指定字节数组创建准备接收数据的DatagramPacket对象

　　private DatagramPacket inPacket =

　　new DatagramPacket（inBuff ， inBuff.length）;

　　// 定义一个用于发送的DatagramPacket对象

　　private DatagramPacket outPacket;

　　// 定义一个字符串数组，服务器端发送该数组的元素

　　String［］ books = new String［］

　　{

　　“疯狂Java讲义”，

　　“轻量级Java EE企业应用实战”，

　　“疯狂Android讲义”，

　　“疯狂Ajax讲义”

　　};

　　public void init（）throws IOException

　　{

　　try（

　　// 创建DatagramSocket对象

　　DatagramSocket socket = new DatagramSocket（PORT））

　　{

　　// 采用循环接收数据

　　for （int i = 0; i 《 1000 ; i++ ）

　　{

　　// 读取Socket中的数据，读到的数据放入inPacket封装的数组里

　　socket.receive（inPacket）;

　　// 判断inPacket.getData（）和inBuff是否是同一个数组

　　System.out.println（inBuff == inPacket.getData（））;

　　// 将接收到的内容转换成字符串后输出

　　System.out.println（new String（inBuff

　　， 0 ， inPacket.getLength（）））;

　　// 从字符串数组中取出一个元素作为发送数据

　　byte［］ sendData = books［i % 4］.getBytes（）;

　　// 以指定的字节数组作为发送数据，以刚接收到的DatagramPacket的

　　// 源SocketAddress作为目标SocketAddress创建DatagramPacket

　　outPacket = new DatagramPacket（sendData

　　， sendData.length ， inPacket.getSocketAddress（））;

　　// 发送数据

　　socket.send（outPacket）;

　　}

　　public static void main（String［］ args）

　　throws IOException

　　{

　　new UdpServer（）.init（）;

　　}

　　客户端程序代码也与此类似，客户端采用循环不断地读取用户键盘输入，每当读取到用户输入的内容后就将该内容封装成DatagramPacket数据报，再将该数据报发送出去；接着把DatagramSocket中的数据读入接收用的DatagramPacket中（实际上是读入该DatagramPacket所封装的字节数组中）。

客户端程序代码如下。

　　UdpClient.java

　　public class UdpClient

　　{

　　// 定义发送数据报的目的地

　　public static final int DEST_PORT = 30000;

　　public static final String DEST_IP = “127.0.0.1”;

　　// 定义每个数据报的最大大小为4KB

　　private static final int DATA_LEN = 4096;

　　// 定义接收网络数据的字节数组

　　byte［］ inBuff = new byte［DATA_LEN］;

　　// 以指定的字节数组创建准备接收数据的DatagramPacket对象

　　private DatagramPacket inPacket =

　　new DatagramPacket（inBuff ， inBuff.length）;

　　// 定义一个用于发送的DatagramPacket对象

　　private DatagramPacket outPacket = null;

　　public void init（）throws IOException

　　{

　　try（

　　// 创建一个客户端DatagramSocket，使用随机端口

　　DatagramSocket socket = new DatagramSocket（））

　　{

　　// 初始化发送用的DatagramSocket，它包含一个长度为0的字节数组

　　outPacket = new DatagramPacket（new byte［0］， 0

　　， InetAddress.getByName（DEST_IP）， DEST_PORT）;

　　// 创建键盘输入流

　　Scanner scan = new Scanner（System.in）;

　　// 不断地读取键盘输入

　　while（scan.hasNextLine（））

　　{

　　// 将键盘输入的一行字符串转换成字节数组

　　byte［］ buff = scan.nextLine（）.getBytes（）;

　　// 设置发送用的DatagramPacket中的字节数据

　　outPacket.setData（buff）;

　　// 发送数据报

　　socket.send（outPacket）;

　　// 读取Socket中的数据，读到的数据放在inPacket所封装的字节数组中

　　socket.receive（inPacket）;

　　System.out.println（new String（inBuff ， 0

　　， inPacket.getLength（）））;

　　}

　　public static void main（String［］ args）

　　throws IOException

　　{

　　new UdpClient（）.init（）;

　　}

　　而客户端与服务器端的唯一区别在于：服务器端的IP地址、端口是固定的，所以客户端可以直接将该数据报发送给服务器端，而服务器端则需要根据接收到的数据报来决定“反馈”数据报的目的地。

　　读者可能会发现，使用DatagramSocket进行网络通信时，服务器端无须也无法保存每个客户端的状态，客户端把数据报发送到服务器端后，完全有可能立即退出。但不管客户端是否退出，服务器端都无法知道客户端的状态。

　　当使用UDP协议时，如果想让一个客户端发送的聊天信息被转发到其他所有的客户端则比较困难，可以考虑在服务器端使用Set集合来保存所有的客户端信息，每当接收到一个客户端的数据报之后，程序检查该数据报的源SocketAddress是否在Set集合中，如果不在就将该SocketAddress添加到该Set集合中。这样又涉及一个问题：可能有些客户端发送一个数据报之后永久性地退出了程序，但服务器端还将该客户端的SocketAddress保存在Set集合中……总之，这种方式需要处理的问题比较多，编程比较烦琐。幸好Java为UDP协议提供了MulticastSocket类，通过该类可以轻松地实现多点广播。

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