UDP协议开发

2022-04-26 07:36:14

UDP是用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的简称，其主要作用是将网络数据流量压缩成数据报形式，提供面向事务的简单信息传送服务。与TCP协议不同，UDP协议直接利用IP协议进行UDP数据报的传输，UDP提供的是面向无连接的、不可靠的数据报投递服务。当使用UDP协议传输信息时，用户应用程序必须负责解决数据报丢失、重复、排序，差错确认等问题。由于UDP具有资源消耗小、处理速度快的优点，所以通常视频、音频等可靠性要求不高的数据传输一般会使用UDP，即便有一定的丢包率，也不会对功能造成严重的影响。

UDP协议简介

UDP是无连接的，通信双方不需要建立物理链路连接。在网络中它用于处理数据包，在OSI模型中，它处于第四层传输层，即位于IP协议的上一层。它不对数据报分组、组装、校验和排序，因此是不可靠的。报文的发送者不知道报文是否被对方正确接收。

UDP数据报格式有首部和数据两个部分，首部很简单，为8个字节，包括以下部分:

（1）源端口：源端口号，2个字节，最大值为65535；

（2）目的端口：目的端口号，2个字节，最大值为65535；

（3）长度：2字节，UDP用户数据报的总长度；

（4）校验和：2字节，用于校验UDP数据报的数字段和包含UDP数据报首部的“伪首部”。其校验方法类似于IP分组首部中的首部校验和。

伪首部，又称为伪包头（Pseudo Header）：是指在TCP的分段或UDP的数据报格式中，在数据报首部前面增加源IP地址、目的IP地址、IP分组的协议字段、TCP或UDP数据报的总长度等，共12字节，所构成的扩展首部结构。此伪首部是一个临时的结构，它既不向上也不向下传递，仅仅是为了保证可以校验套接字的正确性。

UDP协议数据报格式示意图如图:

UDP协议的特点如下。

（1）UDP传送数据前并不与对方建立连接，即UDP是无连接的。在传输数据前，发送方和接收方相互交换信息使双方同步；

（2）UDP对接收到的数据报不发送确认信号，发送端不知道数据是否被正确接收，也不会重发数据；

（3）UDP传送数据比TCP快速，系统开销也少：UDP比较简单，UDP头包含了源端口、目的端口、消息长度和校验和等很少的字节。由于UDP比TCP简单、灵活，常用于可靠性要求不高的数据传输，如视频、图片以及简单文件传输系统（TFTP）等。TCP则适用于可靠性要求很高但实时性要求不高的应用，如文件传输协议FTP、超文本传输协议HTTP、简单邮件传输协议SMTP等。

服务端开发

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel;

public class ChineseProverbServer {
    public void run(int port) throws Exception {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            //由于使用UDP通信，在创建Channel的时候需要通过NioDatagramChannel来创建
            b.group(group).channel(NioDatagramChannel.class)
                    //随后设置Socket参数支持广播，
                    .option(ChannelOption.SO_BROADCAST, true)
                    //最后设置业务处理handler。
                    //相比于TCP通信，UDP不存在客户端和服务端的实际连接，
                    //因此不需要为连接（ChannelPipeline）设置handler，
                    //对于服务端，只需要设置启动辅助类的handler即可。
                    .handler(new ChineseProverbServerHandler());
            b.bind(port).sync().channel().closeFuture().await();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.parseInt(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        new ChineseProverbServer().run(port);
    }
}

import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;
import io.netty.util.CharsetUtil;
import io.netty.util.internal.ThreadLocalRandom;

public class ChineseProverbServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler {
    // 谚语列表
    private static final String[] DICTIONARY = {"只要功夫深，铁棒磨成针。",
            "旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。", "洛阳亲友如相问，一片冰心在玉壶。", "一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。",
            "老骥伏枥，志在千里。烈士暮年，壮心不已!"};

    private String nextQuote() {
        //由于ChineseProverbServerHandler存在多线程并发操作的可能，
        //所以使用了Netty的线程安全随机类ThreadLocalRandom。
        // 如果使用的是JDK7，可以直接使用JDK7的java.util.concurrent.ThreadLocalRandom。
        int quoteId = ThreadLocalRandom.current().nextInt(DICTIONARY.length);
        return DICTIONARY[quoteId];
    }

    @Override
    public void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)throws Exception {
        //Netty对UDP进行了封装，因此，接收到的是Netty封装后的io.netty. channel.socket.DatagramPacket对象。
        DatagramPacket packet = (DatagramPacket) msg;
        //将packet内容转换为字符串（利用ByteBuf的toString(Charset)方法），
        String req = packet.content().toString(CharsetUtil.UTF_8);
        System.out.println(req);
        // 然后对请求消息进行合法性判断：如果是“谚语字典查询?”，则构造应答消息返回。
        // DatagramPacket有两个参数：第一个是需要发送的内容，为ByteBuf；
        // 另一个是目的地址，包括IP和端口，可以直接从发送的报文DatagramPacket中获取。
        if ("谚语字典查询?".equals(req)) {
            ctx.writeAndFlush(
                    new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer("谚语查询结果: " + nextQuote(), CharsetUtil.UTF_8),
                    packet.sender()));
        }
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
            throws Exception {
        ctx.close();
        cause.printStackTrace();
    }
}

客户端开发

UDP程序的客户端和服务端代码非常相似，唯一不同之处是UDP客户端会主动构造请求消息，向本网段内的所有主机广播请求消息，对于服务端而言，接收到广播请求消息之后会向广播消息的发起方进行定点发送。

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;
import io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel;
import io.netty.util.CharsetUtil;

import java.net.InetSocketAddress;

public class ChineseProverbClient {

    public void run(int port) throws Exception {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            //创建UDP Channel和设置支持广播属性等与服务端完全一致。
            // 由于不需要和服务端建立链路，UDP Channel创建完成之后，客户端就要主动发送广播消息；
            // TCP客户端是在客户端和服务端链路建立成功之后由客户端的业务handler发送消息，这就是两者最大的区别。
            b.group(group).channel(NioDatagramChannel.class)
                    .option(ChannelOption.SO_BROADCAST, true)
                    .handler(new ChineseProverbClientHandler());
            Channel ch = b.bind(0).sync().channel();
            // 向网段内的所有机器广播UDP消息
            // 用于构造DatagramPacket发送广播消息，
            // 注意，广播消息的IP设置为“255.255.255.255”。
            // 消息广播之后，客户端等待15s用于接收服务端的应答消息，然后退出并释放资源。
            ch.writeAndFlush(
                    new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer("谚语字典查询?",CharsetUtil.UTF_8),
                            new InetSocketAddress("255.255.255.255", port))
            ).sync();
            if (!ch.closeFuture().await(15000)) {
                System.out.println("查询超时!");
            }
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.parseInt(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        new ChineseProverbClient().run(port);
    }
}
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;
import io.netty.util.CharsetUtil;

public class ChineseProverbClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler {

    @Override
    public void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, Object o)
            throws Exception {
        //接收到服务端的消息之后将其转成字符串，然后判断是否以“谚语查询结果：”开头，
        //如果没有发生丢包等问题，数据是完整的，就打印查询结果，然后释放资源。
        DatagramPacket msg = (DatagramPacket)o;
        String response = msg.content().toString(CharsetUtil.UTF_8);
        if (response.startsWith("谚语查询结果：")) {
            System.out.println(response);
            ctx.close();
        }
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
            throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

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