网络编程——UDP协议和通信

第1章 UDP与TCP协议

在介绍TCP/IP结构时，提到传输层的两个重要的高级协议，分别是UDP和TCP，其中UDP是User Datagram Protocol的简称，称为用户数据报协议，TCP是Transmission Control Protocol的简称，称为传输控制协议。

1.1 UDP协议

UDP是无连接通信协议，即在数据传输（数据大小在64kb以内）时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。

由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况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。

但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。UDP的交换过程如下图所示。

1.2 TCP协议

TCP协议是面向连接的通信协议，即在传输数据前先在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”。第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认，第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求，第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。

由于TCP协议的面向连接特性，它可以保证传输数据的安全性，所以是一个被广泛采用的协议，例如在下载文件时，如果数据接收不完整，将会导致文件数据丢失而不能被打开，因此，下载文件时必须采用TCP协议。

第2章 UDP通信

2.1 DatagramPacket

前面介绍了UDP是一种面向无连接的协议，因此，在通信时发送端和接收端不用建立连接。UDP通信的过程就像是货运公司在两个码头间发送货物一样。在码头发送和接收货物时都需要使用集装箱来装载货物，UDP通信也是一样，发送和接收的数据也需要使用“集装箱”进行打包，为此JDK中提供了一个DatagramPacket类，该类的实例对象就相当于一个集装箱，用于封装UDP通信中发送或者接收的数据。

想要创建一个DatagramPacket对象，首先需要了解一下它的构造方法。在创建发送端和接收端的DatagramPacket对象时，使用的构造方法有所不同，接收端的构造方法只需要接收一个字节数组来存放接收到的数据，而发送端的构造方法不但要接收存放了发送数据的字节数组，还需要指定发送端IP地址和端口号。

接下来根据API文档的内容，对DatagramPacket的构造方法进行逐一详细地讲解。

使用该构造方法在创建DatagramPacket对象时，指定了封装数据的字节数组和数据的大小，没有指定IP地址和端口号。很明显，这样的对象只能用于接收端，不能用于发送端。因为发送端一定要明确指出数据的目的地(ip地址和端口号)，而接收端不需要明确知道数据的来源，只需要接收到数据即可。

使用该构造方法在创建DatagramPacket对象时，不仅指定了封装数据的字节数组和数据的大小，还指定了数据包的目标IP地址（addr）和端口号（port）。该对象通常用于发送端，因为在发送数据时必须指定接收端的IP地址和端口号，就好像发送货物的集装箱上面必须标明接收人的地址一样。

上面我们讲解了DatagramPacket的构造方法，接下来对DatagramPacket类中的常用方法进行详细地讲解，如下表所示。

2.2 DatagramSocket

DatagramPacket数据包的作用就如同是“集装箱”，可以将发送端或者接收端的数据封装起来。然而运输货物只有“集装箱”是不够的，还需要有码头。在程序中需要实现通信只有DatagramPacket数据包也同样不行，为此JDK中提供的一个DatagramSocket类。DatagramSocket类的作用就类似于码头，使用这个类的实例对象就可以发送和接收DatagramPacket数据包，发送数据的过程如下图所示。

在创建发送端和接收端的DatagramSocket对象时，使用的构造方法也有所不同，下面对DatagramSocket类中常用的构造方法进行讲解。

该构造方法用于创建发送端的DatagramSocket对象，在创建DatagramSocket对象时，并没有指定端口号，此时，系统会分配一个没有被其它网络程序所使用的端口号。

该构造方法既可用于创建接收端的DatagramSocket对象，又可以创建发送端的DatagramSocket对象，在创建接收端的DatagramSocket对象时，必须要指定一个端口号，这样就可以监听指定的端口。

上面我们讲解了DatagramSocket的构造方法，接下来对DatagramSocket类中的常用方法进行详细地讲解。

2.3 UDP网络程序

讲解了DatagramPacket和DatagramSocket的作用，接下来通过一个案例来学习一下它们在程序中的具体用法。

下图为UDP发送端与接收端交互图解

要实现UDP通信需要创建一个发送端程序和一个接收端程序，很明显，在通信时只有接收端程序先运行，才能避免因发送端发送的数据无法接收，而造成数据丢失。因此，首先需要来完成接收端程序的编写。

l UDP完成数据的发送

/**
 * 实现UDP协议的发送端
 *      实现封装数据的类java.net.DatagramPacket 将你的数据包装
 *      实现封装数据的类java.net.DatagramSocket 将你的数据发送
 *
 * 实现步骤：
 *      1.创建DatagramPacket对象，封装数据，接收端的地址和端口
 *      2.创建DatagramSocket对象
 *      3.调用DatagramSocket类方法send，发送数据包
 *      4.关闭资源DatagramSocket
 *
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class UDPSend2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建数据包对象，封装要发送的数据，接收端IP，端口
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        //创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        //创建InetAddress对象，封装自己的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);
            //调用ds方法send，发送数据包
            ds.send(dp);
        }
        //关闭资源
        //ds.close();
    }

}

l UDP完成数据的接收

/**
 * 实现UDP接收端
 *      实现封装数据的类java.net.DatagramPacket 将你的数据接收
 *      实现输出数据的类java.net.DatagramSocket 接收数据包
 *
 * 实现步骤：
 *      1.创建DatagramSocket对象,绑定端口号，要和发送端端口号一致
 *      2.创建字节数据，接收发来的数据
 *      3.创建数据包对象DatagramPacket
 *      4.调用DatagramSocket对象方法receive(DatagramPacket dp)接收数据，数据放在数据包中
 *      5.拆包
 *          发送的ip地址
 *              数据包对象DatagramPacket方法getAddress()获取的是发送端IP地址
 *          接收到的字节个数
 *              数据包对象DatagramPacket对象中的方法getLength()
 *          发送方的端口号
 *              数据包对象DatagramPacket方法getPort()获取的是发送端端口
 *      6.关闭资源
 *
 * 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 {
        //创建数据包传输对象DatagramSocket,绑定端口号
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(6000);
        //创建字节数组
        byte[] data = new byte[1024];
        //创建数据包对象，传递字节数组
        while(true) {
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(data,data.length);
            //调用ds对象的方法receive
            ds.receive(dp);//receive具有线程等待

            //获取发送端的ip地址对象
            String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
            //获取发送的端口号
            int port = dp.getPort();
            //获取接收到的字节个数
            int length = dp.getLength();
            System.out.println(new String(data,0,length)+"..."+ip+":"+port);
        }

        //ds.close();
    }
}