Java網絡編程：UDP通信篇

UDP協議

Java中的UDP通信

DatagramSocket

DatagramPacket

UDP客戶端-服務端代碼實現

UDP協議

對于UDP協議，這里簡單做一下介紹：

在TCP/IP協議簇中，用戶數據報協議（UDP）是傳輸層的一個主要協議之一，它與傳輸控制協議（TCP）一起構成了互聯網的基礎。UDP具有以下幾個主要特點：

無連接：UDP是一個無連接的協議，這意味著在通信之前不需要建立連接。每個數據包獨立傳輸，沒有握手過程。這使得UDP的傳輸延遲較低，適合需要快速傳輸數據的應用場景。
不可靠傳輸：UDP不保證數據的可靠傳輸。數據包可能會丟失、重復或亂序到達。協議本身不提供錯誤檢測和重傳機制。如果需要可靠性，必須在應用層實現。
面向報文：UDP是面向報文的協議。發送方將數據分成獨立的報文，每個報文包含完整的消息。接收方按報文接收數據，報文的邊界在接收時保持不變。
低開銷：由于UDP沒有連接建立、維護和終止的開銷，也沒有復雜的錯誤控制和流量控制機制，其報頭信息較少，僅包含源端口、目標端口、長度和校驗和。這使得UDP的開銷非常低，適合需要高效傳輸的應用。
支持廣播和多播：UDP支持廣播和多播，這意味著可以將數據包發送到一個或多個網絡中的所有主機。這在某些網絡應用中非常有用，例如視頻流和在線游戲。
實時性好：由于沒有連接建立和維護的開銷，加上較低的協議處理時間，UDP適合實時性要求高的應用，如視頻會議、語音通信和在線游戲。
簡單性：UDP協議相對簡單，實現和使用都比較方便。應用程序可以直接在UDP之上構建，并根據需要添加錯誤處理、重傳等機制。

適用場景

實時應用：如視頻流、語音通信、在線游戲等，要求低延遲和實時性，數據丟失影響較小。
簡單查詢服務：如DNS查詢，發送一個請求并期望快速響應，偶爾的丟包可以通過重試解決。
廣播和多播：如網絡發現、服務公告等，需要將消息發送給多個主機。

Java中的UDP通信

市面上大部分Java應用存在著大量的通信交流的需求，那了解了UDP協議的相關信息和使用場景后，對于Java程序我們該如何來實現通信呢？

在Java中實現UDP通信涉及兩個主要類：DatagramSocket和DatagramPacket。

DatagramSocket

DatagramSocket類用于創建和管理UDP套接字。它負責發送和接收數據包，并提供了基本的網絡通信功能。

主要功能包括：

綁定到特定的IP地址和端口。
發送和接收DatagramPacket。
管理網絡連接的基本設置（例如超時、緩沖區大小）。

主要方法

DatagramSocket(): 創建一個綁定到任意可用端口的套接字。
DatagramSocket(int port): 創建一個綁定到指定端口的套接字。
DatagramSocket(int port, InetAddress laddr): 創建一個綁定到指定端口和本地地址的套接字。
send(DatagramPacket p): 發送數據包。
receive(DatagramPacket p): 接收數據包。
close(): 關閉套接字。

更多詳細的方法和參數講解可以查看oracle官方的API文檔：

DatagramSocket (Java SE 17 & JDK 17) (oracle.com)

這里是中文版本的：

DatagramSocket - Java17中文文檔 - API參考文檔 - 全棧行動派 (qzxdp.cn)

DatagramPacket

DatagramPacket類用于表示一個數據包。它包含發送或接收的數據，以及目標或來源的IP地址和端口。

主要功能包括：

封裝數據（字節數組）。
存儲發送或接收數據包的目標或來源信息（IP地址和端口）。

主要方法

DatagramPacket(byte[] buf, int length): 創建用于接收數據的數據包。
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port): 創建用于發送數據的數據包。
getData(): 獲取數據包中的數據。
getLength(): 獲取數據包中數據的長度。
getAddress(): 獲取數據包的目標或來源地址。
getPort(): 獲取數據包的目標或來源端口。
setData(byte[] buf): 設置數據包中的數據。
setLength(int length): 設置數據包中數據的長度。
setAddress(InetAddress address): 設置數據包的目標地址。
setPort(int port): 設置數據包的目標端口。

筆者這里還是將官方的API文檔和對應的中文文檔給出：

DatagramPacket (Java SE 17 & JDK 17) (oracle.com)

DatagramPacket - Java17中文文檔 - API參考文檔 - 全棧行動派 (qzxdp.cn)

DatagramSocket主要通過DatagramPacket來傳輸和接收數據。在UDP通信中，DatagramPacket用于封裝數據和相關信息（如目標地址和端口），而DatagramSocket則用于實際的發送和接收操作。

舉個點外賣的例子來說明，假如今天是瘋狂星期四，小李想要點個肯德基的芝士漢堡，DatagramSocket就相對于是肯德基的大門以及小李家的大門，DatagramPacket就相對于是外賣小哥，小李點的漢堡等食品就相對于是要傳輸的數據，當肯德基做好漢堡后，外賣小哥通過肯德基的大門的地址信息（DatagramSocket）拿到漢堡（DatagramPacket），然后由外賣小哥將食品包裝好，到小李家樓下后通過小李家的門牌號的信息（DatagramSocket）找到小李，并且將漢堡交付給小李。

另外，這里對套接字需要簡單的做一個解釋：

套接字（Socket）是網絡通信的基本組件，它提供了一種機制，使得計算機能夠通過網絡進行數據傳輸。套接字是一個抽象概念，用于表示網絡通信的一個端點。無論是TCP還是UDP通信，套接字都是必不可少的。

UDP客戶端-服務端代碼實現

服務器端和客戶端在代碼實現方面是非常簡單的，在前文中有說到：UDP不是面向連接的而且協議本身就很簡單。因此在實現方面需要做的功能也很少，大致可以分為以下幾步：

創建套接字（DatagramSocket）。
發送（Send）和接收（Receive）數據包（DatagramPacket）。
關閉（Close）套接字。

?還是拿剛才買漢堡的例子，我們就可以這樣來實現：

UDP客戶端：

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 {// 要發送的信息String messg = "我是小李，我想點一個芝士漢堡";// 建立SocketDatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 建立收發容器byte[] sendData;byte[] receiveData = new byte[1024];// 發送數據包sendData = messg.getBytes();InetAddress serverAddress = InetAddress.getByName("localhost");DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, serverAddress, 9999);socket.send(sendPacket);// 接收數據包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);// 關閉套接字socket.close();}
}

UDP服務端：

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 {// 要發送的信息String messg = "這里是肯德基，您的芝士漢堡已經制作完畢，祝您用餐愉快";// 建立SocketDatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999);try {// 建立收發容器byte[] sendData;byte[] receiveData = new byte[1024];// 接收數據包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);// 發送數據包sendData = messg.getBytes();InetAddress clientAddress = receivePacket.getAddress();int clientPort = receivePacket.getPort();DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, clientAddress, clientPort);socket.send(sendPacket);} finally {// 關閉套接字if (socket != null && !socket.isClosed()) {socket.close();}}}
}

上述只是一個非常簡單的例子，實現了UDP通信中的一發一收的功能。要實現更豐富的功能也只需要稍微改一改就行，比如加上while循環就可以使得通信可以不間斷，一直發消息一直收消息，也可以加上文件讀寫的操作使得用戶的輸入可以更多樣化。

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