网络编程 - UDP协议

一，UDP基本概念

UDP协议在传输层，有几个重要的特性：

UDP是无连接的：UDP想要进行通信，不需要征得对方的同意，只要在send方法中指定目标的地址（UDP自身是不会存储对端的信息的）

UDP是不可靠传输：UDP没有安全机制，它只负责发送，至于接收端有没有收到，没有收到后怎么处理，它都不关心。（UDP的传输效率更高）

UDP是面向数据报的：这里的数据报是数据传输的一个单位。

UDP是全双工的：UDP可以实现双向通信

二，UDP协议端格式

这两个图一个意思。为什么没有源IP和目的IP，因为IP协议在网络层不在传输层。

源端口号和目的端口号讲过了，下面我们重点聊一聊什么是UDP长度和UDP校验和

2.1 UDP长度

UDP长度是两个字节，16位表示的数据，表示范围 0 ~ 65535 => 64kb，即UDP数据报最大就是64kb.

2.2 UDP校验和

在网络传输过程中，可能会出现一些外部干扰，就会导致数据传输出错(传输的数据内容出错)。这时就需要有方法来识别出错数据，而UDP校验和就是这样的一种检查方法。

校验和本质是一个字符串，是通过原始数据通过专门的算法生成的，但是体积比原始数据更小，如果原始数据相同，校验和一定相同，反之，校验和相同，原始数据大概率相同（理论上存在不同的可能性，但是概率极低，可忽略不计）

校验的过程：

1) 发送方把发送的数据整理好称为data1，通过专门的算法，计算出校验和sum1

2) 发送方把data1和sum1一起通过网络发送给接收方

3) 接收方把接受到的数据称为data2（由于干扰，可能数据出错），收到sum2（数据也可能出错）

4) 接收方根据data2按照相同的算法，计算出校验和sum3

5) 对比 sum2 和 sum3 是否相同，如果不同，则认为 data1 和 data2 一定不同。如果相同，则认为data1 和 data2 大概率相同（理论上存在不同的可能性，但是概率极低，工程上忽略不计）

UDP协议中使用CRC算法(循环冗余算法)来计算校验和：把当前计算校验和的数据，每个字节都进行累加，把结果保存到UDP校验和中，如果数据溢出也没关系，如果中间某个数据传输错误，第二次计算的校验和与第一次不同。但是可能出现前一个字节恰好少1，后一个字节恰好多1这种类似的情况，虽然概率不大，但是还是会出现这种情况。

介绍一种更加保险更加常见的算法：md5

1）定长：md5的长度是固定的，无论你的数据有多长，计算出的md5都是固定的

2）分散：给定两个原始数据，哪怕绝大部分内容相同，但只要有一个字节不同，得到的md5值的差异也会很大

3）不可逆：给你一个md5值，要你还原出原始数据，由于计算量过于庞大，已经突破现有的算力极限，理论上是不可能的

三，UDP中的Socket api

Socket API 是系统提供的一组用于网络编程的应用程序接口，socket 本质上是一种特殊的文件，它是把网卡这个设备，给抽象成了文件，往socket文件中写数据，就相当于是通过网卡发送数据，从socket文件中读数据，就相当于通过网卡接收数据。

在 JAVA 中使用 DatagramSocket 这个类来表示系统内部 socket 文件。使用 DatagramPacket 这个类来表示UDP数据报。

3.1 DatagramSocket

|--------------------------------|-----------------------------|
| 方法名 | 说明 |
| DatagramSocket() | 创建一个Socket，绑定到本机任意一个没人使用的端口 |
| DatagramSocket(int port) | 创建一个Socket，绑定port端口 |
| void receive(DatagramPacket p) | 接收数据报p |
| void send(DatagramPacket p) | 发送数据报p |
| void close() | 关闭Socket |

3.2 DatagramPacket

|----------------------------------------------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------------|
| 方法名 | 说明 |
| DatagramPacket(byte[] buf, int length) | 构造一个DatagramPacket以用来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第一个参数buf）中，接收指定长度（第二个参数 length) |
| DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length,SocketAddress address) | 构造一个DatagramPacket以用来发送数据报，发送的数据为字节数组(第一个参数buf)中，从0到指定长度(第二个参数 length)。address指定目的主机的IP和端口号 |
| getAddress() | 从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址 |
| int getPort() | 从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号 |
| byte[] getData() | 获取数据报中的数据 |

四，使用UDP实现客户端和服务器

4.1 回显服务器

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

//回显服务器UDP
public class Server {
    private DatagramSocket socket = null;
    public Server(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);//端口号
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while(true){
            //1.读请求
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(request);//如果没有请求，就阻塞
            String r = new String(request.getData(),0,request.getLength());//得到真实长度
            //2.根据请求计算响应
            String response = process(r);
            //3.返回响应
            DatagramPacket res = new DatagramPacket(response.getBytes(),
                    response.getBytes().length,request.getSocketAddress());
            // response.length()得到字符长度，response.getBytes().length得到字节长度
            // 网络传输以字节为单位进行操作
            socket.send(res);
            //4.打印日志
            System.out.printf("[%s:%d] req=%s,res=%s\n",
                    request.getAddress().toString(),request.getPort(),r,response);
            //为什么不close()？
            //socket是文件描述符表中的一个表象，因为我们不使用socket时，进程就要关闭，资源就全部释放了
        }
    }
    public String process(String request){
        return request;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Server server = new Server(9090);
        server.start();
    }
}

4.2 回显客户端

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class Client {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIP = "";
    private int serverPort = 0;
    public Client(String ip, int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        //UDP不会存储对端的信息，需要在应用程序中把对端的信息记录下来
        this.serverIP = ip;
        this.serverPort = port;
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端请启动");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(true){
            //1.输入请求
            System.out.print("-> ");
            String req = scanner.next();
            //2.发给服务器
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(req.getBytes(),req.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIP),serverPort);
            socket.send(request);
            //3.获取响应
            DatagramPacket res = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(res);
            //4.显示响应
            String response = new String(res.getData(),0,res.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Client client = new Client("10.162.153.3",9090);
        client.start();
    }
}