Java网络编程——12.UDP - HelloWorld开发者社区

前面几章讨论了在TCP传输层协议之上运行的网络应用程序，TCP是为数据的可靠传输而设计的。用户数据报协议（User Datagram Protocal,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。

1、UDP协议

类似FTP的应用程序，需要通过网络进行可靠的数据传输，UDP不是一个好的选择。不过还有其他类型的应用程序，保持最快的速度比保证每一位数据都正确更为重要。例如在实时音频或视频中，丢失或交换数据包只是带来一些干扰而已。如果客户端像服务器发送一个短的UDP请求，倘若指定时间内没有响应返回，它会认为这个包已丢失。域名系统（Domain Name System，DNS）就采取这样的工作方式（也可以基于TCP）。用UDP也可以实现一个可靠的文件传输协议，如网络文件系统（Network File System，NFS）、简单FTP（Trivial FTP，TFTP）和FSP（与FTP关系比较远的一种协议）都使用了UDP。在这些协议中，由应用程序复杂可靠性，也就是说应用程序必须处理丢失或乱序的包。

TCP和UDP就像电话系统和邮局的关系。电话已接通，双方可以按顺序听到讲话。相反邮局寄包裹，接收方并不能保证按顺序收到邮件，而且有丢失的概率。电话系统和邮局都有各自的用处，尽管它们都是用来通信的，但在某些特定情况，二者之间肯定有优劣之分。UDP和TCP也是这样。TCP应用比UDP应用更常见，不过UDP也有自己的位置。本章我们将看到用UDP能做什么，进一步深入，下一章会介绍UDP之上的组播。组播socket是标准UDP socket的一种相当简单的变体。

Java中UDP的实现分为两个类：DatagramPacket和DatagramSocket。DatagramPacket类将数据自己填充到UDP包中，这称为数据报（datagram），由你来解包接收中的数据报。DatagramSocket可以收发UDP数据报。这种职责划分与TCP使用的Socket和ServerSocket有所不同，UDP没有两台主机之间唯一连接的概念。TCP socket把网络连接看作是流，UDP让你处理总是单个数据报包。

1、UDP客户端

先来看一个简单的例子，还是用第8章的例子，我们将连接daytime服务器，不过这次使用UDP而不是TCP：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPClient {

    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(0)) {
            socket.setSoTimeout(10000);// 超时时间很重要
            InetAddress host = InetAddress.getByName("121.40.47.132");
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[1], 1, host, 13);
            DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);// 分配1KB的空间
            socket.send(request);
            socket.receive(response);
            String result = new String(response.getData(), 0, response.getLength());
            System.out.println(result);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

2、UDP服务器

UDP服务器几乎遵循与UDP客户端同样的模式，只不过通常在发送之前会接收，而且不会选择要绑定的匿名端口。

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.util.Date;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class DayTimeUDPServer {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DayTimeUDPServer.class.getCanonicalName());

    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(13)) {
            while (true) {
                try {
                    DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
                    socket.receive(request);

                    String daytime = new Date().toString();
                    byte[] data = daytime.getBytes();
                    DatagramPacket response = new DatagramPacket(data, data.length, request.getAddress(),
                            request.getPort());
                    socket.send(response);
                    logger.info(daytime + " " + request.getAddress());
                } catch (IOException | RuntimeException e) {
                    logger.error("", e);
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("", e);
        }
    }

}

从这个例子可以看出，UDP服务器往往不是多线程的，它们通常不会对某一个客户做太多工作，而且不会阻塞来等待另一端的响应，因为UDP从来不会报告错误。

3、DatagramPacket类

UDP数据报是基于IP数据报建立的，只向其底层IP数据报添加了很少的一点内容。

Java网络编程——12.UDP

很多平台限制UDP包中的数据8192字节（8KB），多余的会被截取。为保证最大的安全性，UDP包的数据部分应当保持为512字节或更少。TCP数据报也存在这个问题，但Socket和ServerSocket提供的是基于流的API，对程序员隐藏了这些细节。

在Java中，UDP数据报用DatagramPacket类的实例表示，这个类提供了一些方法来获取和设置IP首部中的源或目标地址、获取和设置源或目标端口、获取和设置数据，以及获取和设置数据长度。其余首部字段无法通过纯Java代码访问。

4、DatagramSocket类

要收发DatagramPacket，必须打开一个数据报Socket，在Java中，数据报Socket通过DatagramSocket类创建和访问。客户端和服务器使用的Socket是一样的，区别只在于使用匿名端口（系统分配的端口）还是已知端口。与TCP中不同，不存在诸如DatagramServerSocket之类的东西。

Java支持6个UDP Socket选项：

SO_TIMEOUT：receive()在抛出IngterruptIOException异常前等待入站数据报的时间，serSoTimeout()方法可以改变这个值。
SO_RCVBUF：确定了用于网络I/O的缓冲区大小。setReceiveBufferSize()方法会建议对来自这个Socket的输入进行缓冲时使用的字节数，依赖于平台的限制。
SO_SNDBUF：用于网络输出的发送缓冲区大小，setSendBufferSize()。
SO_REUSEADDR：控制是否允许多个数据报Socket同时绑定到相同的端口和地址。
SO_BROADCAST：控制是否允许一个Socket向广播地址收发包。
IP_TOS：业务流类型由各个IP数据报首部中的IP_TOS字段值来确定，所以它对于UDP与TCP一样重要。DatagramSocket中的setTrafficClass()和getTrafficClass()方法与Socket中的相应方法实际上没有分别。业务流类型用0到255之间的整数指定，详细请参考“IP_TOS服务类型”相关知识。

5、一些有用的应用程序

UDP客户端：一些Internet服务只需要知道客户端的地址和端口，它们会忽略客户端在数据报中发送的数据。因此可以向服务器发送一个UDP数据报，读取传回的响应。

UDP服务端：如echo服务器，你可以在一台机器上运行echo客户端，来验证两台机器之间的网络是否正常。

6、DatagramChannel

DatagramChannel类用于非阻塞UDP应用程序，就像SocketChannel和ServerSocketChannel用于非阻塞TCP应用程序一样。不过，UDP天生就比TCP更具异步性，因而实际效果没有那么明显，在UDP中，一个数据报Socket可以处理多个客户端的输入和输出请求，DatagramChannel类所增加的就是能够以非阻塞方式来做到这一点，这样一来，如果网络没有立即准备好收发数据，这些方法可以迅速返回。

对于UDP，DatagramChannel是一个近乎完备的候选API，在Java 6及之前版本中，仍需使用DatagramSocket类将通道绑定一个端口。不过在Java 7及以后版本中就不一定非得使用这个类了，也不必使用DatagramPacket，读/写字节缓冲区，就像对SocketChannel的操作一样。