Java 网络编程（2）：UDP 的使用

摘要：现在在本机同一局域网的一台机器和阿里云主机上都运行然后启动发送端接收端接收结果可以看到每个接收端都正确的接收了发送端发送的消息。

今天的主角是 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。
我们都知道 TCP 是一种可靠的协议 —— 首先客户端和服务端需要建立连接（三次“握手”），数据发送完毕需要断开连接（四次“挥手”）；如果发送数据时数据损坏或者丢失，那么 TCP 会重新发送。保证可靠的代价就是效率的降低（建立连接和断开连接就需要时间，保证数据的可靠性也需要额外的消耗）。与 TCP 相对应，UDP 是面向无连接的协议，并且它不保证数据是否会到达，也不保证到达的数据是否准确和数据顺序是否正确 —— 所以相比于 TCP， UDP 的速度很快。在 需要不建立连接即可发送数据 的系统，或者 保证最快的传输速度比每一位数据都正确更重要 的系统（如视频会议，丢失某个数据包只是一个画面或者声音的小干扰）中，UDP 才是正确的选择。实际上，在同一个网段，或者在信号很好的局域网，UDP 是非常可靠的。

在 Java 中使用 UDP 时关键的两个类分别是：DatagramSocket 和 DatagramPacket。
DatagramPacket 表示数据包，而 DatagrameSocket 用来发送和接收数据包。

发送数据包时：

因为 UDP 协议并不需要建立连接，所以我们将数据（byte数组）放入 DatagramPacket 之后，还需要将目的地（IP地址和端口）放入到 DatagramPacket 中 —— DatagramSocket 的 send(DatagramPacket packet) 方法根据 packet 中指定目的地，将其包含的数据往这个目的地发送。至于数据是否能（准确）到达目的地，DatagramSocket 并不关心。

接收数据包时：

DatagramSocket 在接收数据包时，我们需要为其指定一个监听的端口。当有包含了接收端机器 IP 地址和 DatagramSocket 所监听端口的数据包到达时，DatagramSocket 的 receive(DatagramPacket packet) 方法便会对数据包进行接收，并将接收到的数据包填入到 packet 中。

现在让我们来实践 DatagramSocket 和 DatagramPacket：
因为 UDP 没有服务端和客户端之分，所以我们把两端分别定义为 发送端 和 接收端。
发送端代码：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class UDPSender {

    private static final int RECVER_LISTENING_PORT = 9999;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List messages = new ArrayList<>(12);
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            String msgBody = (i == 3 ? "" : "Hello UDP-" + i);

            DatagramPacket msg0 = parseMsg(
                    msgBody, "127.0.0.1", RECVER_LISTENING_PORT); // 发送给本机
            DatagramPacket msg1 = parseMsg(
                    msgBody, "192.168.3.3", RECVER_LISTENING_PORT); // 发送给同一局域网的一台机器
            DatagramPacket msg2 = parseMsg(
                    msgBody, "120.77.**.***", RECVER_LISTENING_PORT); // 120.77.**.*** 是我阿里云主机的公网 IP 地址

            // JDK1.5 时 Collections 添加的 addAll 方法，可以一次往某个集合中添加多个元素
            Collections.addAll(messages, msg0, msg2, msg1);
        }

        startSending(messages);
    }

    private static void startSending(List messages)
            throws IOException, InterruptedException {

        // 无参构造的 DatagramSocket 会随机选择一个端口进行监听
        // 因为此时 DatagramSocket 的作用是发送，所以无需显式指定固定端口
        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket()) {
            System.out.println("随机给发送端分配的端口为：" + socket.getLocalPort() + "
");
            
            for (DatagramPacket msg : messages) {
                socket.send(msg); // 发送数据包

                int recverPort = msg.getPort();
                InetAddress recverAddr = msg.getAddress();
                System.out.printf("消息已经发送 -> (%s:%d)
",
                        recverAddr.getHostAddress(), recverPort);

                Thread.sleep(500); // 设定 每隔 0.5 秒发送一个消息
            }
        }
    }

    private static DatagramPacket parseMsg(String msgBody, String addr, int port)
            throws UnknownHostException {

        byte[] msgData = msgBody.getBytes();
        DatagramPacket msg = new DatagramPacket(
                msgData, 0, msgData.length, // 数据从位置 0 开始，长度为 msgData.length
                InetAddress.getByName(addr), port); // 目的地 地址为 addr，监听端口为 port

        return msg;
    }

}

接收端代码：

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

public class UDPReceiver {

    private static final int LISTENING_PORT = 9999;
    private static final int BUFFER_SIZE = 512;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
        DatagramPacket msg = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(LISTENING_PORT)) {
            System.out.println("接收端已经启动...
");
            while (true) {
                socket.receive(msg); // 接收数据包

                String msgBody = new String(
                        msg.getData(), msg.getOffset(), msg.getLength());
                if (msgBody.isEmpty()) { // 发现接收的消息是空字符串("")便跳出循环
                    break;
                }

                int senderPort = msg.getPort();
                InetAddress senderAddr = msg.getAddress();

                System.out.printf("发送端 地址和端口 -> (%s:%d)
",
                        senderAddr.getHostAddress(), senderPort);

                System.out.println("发送端 发送的消息 -> " + msgBody + "
");
            }
        }

        System.out.println("接收端已经关闭。");
    }
}

现在 在本机、同一局域网的一台机器和阿里云主机上都运行 UDPReceiver：

然后启动发送端 UDPSender：

接收端接收结果：

可以看到每个接收端都正确的接收了发送端发送的消息。

（本机 和 局域网机器 显示的发送端的端口(49756)是一致的，但是远程机器即阿里云主机显示的(4802)却与他们不一致——这个问题留给有兴趣的读者自己思考）

虽然 UDP 是不可靠的协议，但是因为它不需要建立连接，效率更快，所以在 需要不建立连接即可发送数据 的系统（比如本文的例子），或者 保证最快的传输速度比每一位数据都正确更重要 的系统中，我们应该使用 UDP。当然，基于 UDP 我们同样可以开发出可靠的协议——数据包的正确与否可以交给应用程序来判断，如果有问题接收端便提示发送端重新发送。