springboot+netty化身Udp服务端，go化身客户端模拟设备实现指令联动

todoitbo2023-12-03 17:13

🎏：你只管努力，剩下的交给时间

🏠 ：小破站

springboot+netty化身Udp服务端，go化身客户端模拟设备实现指令联动

🔗涉及链接

🔗：探秘网络通信：UDP与TCP/IP的奥秘

🔗：CompletableFuture探秘：解锁Java并发编程的新境界

前言

在通信的大舞台上，UDP是一位默默贡献的明星。而当它与Spring Boot和Netty联手，再搭配Go语言的模拟设备，将掀起异步通信的新篇章。今天，我们将一同踏入这个奇妙的领域，揭开Spring Boot和Netty在UDP通信中的神秘面纱。

异步通信的优势

异步通信具有许多优势，特别是在处理大量连接、高并发和I/O密集型操作时。

异步通信的优势：

  1. 高并发处理： 异步通信使得系统可以在一个线程中处理多个请求，提高了系统的并发处理能力，特别适用于高并发的网络应用场景。
  2. 资源节约： 相比于同步阻塞模型，异步通信可以减少线程的创建和管理，节省系统资源，提高系统的性能和可伸缩性。
  3. 响应性： 异步通信允许系统在处理请求的同时继续接受新的请求，提高了系统的响应性，用户在得到响应之前不需要一直等待。
  4. 非阻塞I/O： 异步通信中，I/O操作是非阻塞的，一个线程可以处理多个I/O操作，避免了线程在等待I/O完成时的阻塞。

异步通信的应用场景：

  1. 网络服务： 适用于网络服务，特别是需要高并发和低延迟的场景，如实时通信、在线游戏等。
  2. 大规模连接： 适用于需要处理大量连接的场景，如聊天服务器、消息推送服务器等。
  3. I/O密集型任务： 适用于处理大量I/O密集型任务，如文件操作、数据库操作等。
  4. 事件驱动： 适用于事件驱动的应用，如消息队列、日志系统等。

项目实现逻辑图

springboot与Netty结合

将Spring Boot与Netty结合是为了利用Netty的高性能网络通信能力，而Spring Boot则提供了便捷的开发和集成环境。下面是详细介绍如何搭建一个高效的UDP服务端，使用Spring Boot和Netty实现。

1. 添加依赖

首先，在Spring Boot项目的pom.xml中添加Netty的依赖：

xml 复制代码 
<dependency>
    <groupId>io.netty</groupId>
    <artifactId>netty-all</artifactId>
    <version>4.1.69.Final</version> <!-- 替换为最新版本 -->
</dependency>

2. 创建UDP服务端

创建一个UDP服务端，使用Netty实现。下面是一个简单的示例：

java 复制代码 
package com.todoitbo.baseSpringbootDasmart.netty.server;

import com.todoitbo.baseSpringbootDasmart.netty.handler.UdpHandler;
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.PooledByteBufAllocator;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.InetSocketAddress;

/**
 * @author todoitbo
 * @date 2023/11/29
 */
@Slf4j
public class NettyUdpServer {

    private final int nettyPort;

    public static Channel channel;

    public NettyUdpServer(int port) {
        this.nettyPort = port;
    }

    /**
     * 启动服务
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    public void start() throws InterruptedException {
        // 连接管理线程池
        EventLoopGroup mainGroup = new NioEventLoopGroup(2);
        EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup(8);

        try {
            // 工作线程池
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(mainGroup)
                    // 指定 nio 通道，支持 UDP
                    .channel(NioDatagramChannel.class)
                    // 广播模式
                    .option(ChannelOption.SO_BROADCAST, true)
                    // 设置读取缓冲区大小为 10M
                    .option(ChannelOption.SO_RCVBUF, 1024 * 1024 * 10)
                    // 设置发送缓冲区大小为 10M
                    .option(ChannelOption.SO_SNDBUF, 1024 * 1024 * 10)
                    // 线程池复用缓冲区
                    .option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT)
                    // 指定 socket 地址和端口
                    .localAddress(new InetSocketAddress(nettyPort))
                    // 添加通道 handler
                    .handler(new ChannelInitializer<NioDatagramChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(NioDatagramChannel nioDatagramChannel) throws Exception {
                            nioDatagramChannel.pipeline()
                                    // 指定工作线程，提高并发性能
                                    .addLast(workGroup,new UdpHandler());
                        }
                    });

            // 异步绑定服务器，调用sync()方法阻塞等待直到绑定完成
            ChannelFuture sync = bootstrap.bind().sync();
            channel = sync.channel();
            log.info("---------- [init] UDP netty server start ----------");

            // 阻塞等待服务器关闭
            channel.closeFuture().sync();
        } finally {
            // 释放资源
            mainGroup.shutdownGracefully();
            workGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

3. 创建UDP消息处理器

创建一个简单的UDP消息处理器，用于处理接收到的消息，且使用CompletableFuture来实现异步收发

java 复制代码 
package com.todoitbo.baseSpringbootDasmart.netty.handler;

import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import static com.todoitbo.baseSpringbootDasmart.controller.SysUploadController.socketAddressMap;

/**
 * @author todoitbo
 * @date 2023/11/29
 */
public class UdpHandler extends SimpleChannelInboundHandler<DatagramPacket> {

    // 使用 CompletableFuture 用于异步获取客户端的响应
    public static CompletableFuture<String> responseFuture = new CompletableFuture<>();

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, DatagramPacket packet) throws Exception {
        // 从DatagramPacket中获取数据和发送者信息
        byte[] data;
        int len = packet.content().readableBytes();

        if (packet.content().hasArray()) {
            data = packet.content().array();
        } else {
            data = new byte[len];
            packet.content().getBytes(packet.content().readerIndex(), data);
        }
        String senderAddress = packet.sender().getAddress().getHostAddress();
        int senderPort = packet.sender().getPort();

        // 处理接收到的数据
        String message = new String(data);
        System.out.println("Received message from " + senderAddress + ":" + senderPort + " - " + message);

        if (message.contains("test")) {
            responseFuture.complete(message);
        }

        // 构建响应消息
        String response = "Hello, client!";
        byte[] responseData = response.getBytes();

        // 创建响应的DatagramPacket并发送给发送者
        InetSocketAddress senderSocketAddress = new InetSocketAddress(senderAddress, senderPort);
        socketAddressMap.put("test", senderSocketAddress);
        DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer(responseData), senderSocketAddress);
        ctx.writeAndFlush(responsePacket);
    }

    /*@Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        // 处理异常情况
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }*/
    // 在接口调用后等待客户端响应的方法
    public static String waitForClientResponse() {
        try {
            // 使用 CompletableFuture 的 get 方法来阻塞等待客户端的响应
            String s = responseFuture.get(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
            responseFuture = new CompletableFuture<>();
            return s; // 等待时间为 1 秒
        } catch (Exception e) {
            // 发生超时或其他异常，可以根据实际情况处理
            return "456"; // 超时返回默认值 "456"
        }
    }
}

⚠️：注意

在某些上下文中，将 CompletableFuture 声明为 public static 可行，但请注意这并不总是一个最佳实践。做出这个决定时需要考虑以下几点：

线程安全性 - CompletableFuture 是线程安全的，但是如果你在多个线程中设置其结果，你可能会遇到异常，因为 CompletableFuture 的结果只能被设置一次。

共享状态 - 任何可以访问这个 public static 变量的代码都可以改变其状态。这可能会导致你的代码难于理解和维护。

生命周期 - 这个 CompletableFuture 的生命周期与应用程序的生命周期一致，除非显式地设置为 null。 这可能在某些情况下会导致内存泄漏。

如果是为了协调或表示一个跨类或跨方法的异步操作的结果，使用 public static CompletableFuture 是可以接受的。但你需要意识到在静态上下文中共享的状态可能会导致的问题，并以适当的同步机制处理它们。

4. 在Spring Boot中集成UDP服务端

创建一个Spring Boot应用，并在应用启动时启动UDP服务端：

java 复制代码 
import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.Bean;

@SpringBootApplication
public class BaseSpringbootDasmartApplication {
   /* static {
        AspectLogEnhance.enhance();}//进行日志增强，自动判断日志框架*/
    public static void main(String[] args) {
        // System.setProperty("log4j2.isThreadContextMapInheritable", Boolean.TRUE.toString());
        SpringApplication.run(BaseSpringbootDasmartApplication.class, args);
        try {
            // new NettyWebsocketServer(13025).run();
            new NettyUdpServer(13026).start();
        } catch (Exception e) {
            throw new BusinessException("-----启动失败-----", e.getMessage()).setCause(e).setLog();
        }
    }
}

5.controller实现

java 复制代码 
@GetMapping("/login/{message}")
public String login(@PathVariable String message) throws NacosException, InterruptedException {

    byte[] responseData = message.getBytes();

    // 创建响应的DatagramPacket并发送给发送者
    DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer(responseData), socketAddressMap.get("test"));
    NettyUdpServer.channel.writeAndFlush(responsePacket);
    // 客户端是否响应，响应返回传入值，否则返回456，响应时间不超过0.5s，如果10.5s还未响应，则返回456
    return UdpHandler.waitForClientResponse();
}

Go语言模拟设备

下面是一个简单的Go语言程序，用于模拟UDP客户端，发送和接收指令。在这个例子中，我们使用Go的net包来处理UDP通信。下面的代码可以直接放到main中

go 复制代码 
// @Author todoitbo 2023/11/29 14:26:00
package utils

import (
    "context"
    "fmt"
    "net"
    "strings"
    "sync"
)

// UDPClient 是一个简单的 UDP 客户端
type UDPClient struct {
    conn *net.UDPConn
    mu   sync.Mutex
}

// NewUDPClient 创建一个新的 UDP 客户端
func NewUDPClient(serverAddr string) (*UDPClient, error) {
    client := &UDPClient{}

    addr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", serverAddr)
    if err != nil {
       return nil, err
    }

    conn, err := net.DialUDP("udp", nil, addr)
    if err != nil {
       return nil, err
    }

    client.conn = conn
    message := []byte("你好")
    _, err = conn.Write(message)
    return client, nil
}

// Close 关闭 UDP 客户端连接
func (c *UDPClient) Close() {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    if c.conn != nil {
       c.conn.Close()
    }
}

// ListenForMessages 启动 Goroutine 监听服务端的实时消息
func (c *UDPClient) ListenForMessages(ctx context.Context, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done() // 在 Goroutine 结束时通知 WaitGroup

    buffer := make([]byte, 1024)
    for {
       select {
       case <-ctx.Done():
          // 收到关闭信号，结束 Goroutine
          return
       default:
          c.mu.Lock()
          conn := c.conn
          c.mu.Unlock()

          if conn == nil {
             // 客户端连接已关闭
             return
          }

          n, _, err := conn.ReadFromUDP(buffer)
          if err != nil {
             fmt.Println("Error reading from server:", err)
             return
          }

          // 处理收到的消息，可以根据实际需求进行逻辑处理
          message := string(buffer[:n])
          if strings.Contains(message, "test") {
             c.SendMessage(message)
          }

          // hexString := hex.EncodeToString(message)
          // 将 3600 转换为字符串
          /*expectedValue := "3600"
          if hexString == expectedValue {
             c.SendMessage("test")
          }else {
             c.SendMessage(message)
          }*/
          fmt.Println("Received message from server: ", message)
       }
    }
}

// SendMessage 向服务端发送消息
func (c *UDPClient) SendMessage(message string) error {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()

    if c.conn == nil {
       return fmt.Errorf("client connection is closed")
    }

    _, err := c.conn.Write([]byte(message))
    return err
}

func InitUDPClient(ctx context.Context, wg *sync.WaitGroup, serverAddr string) (*UDPClient, error) {
    client, err := NewUDPClient(serverAddr)
    if err != nil {
       return nil, err
    }

    // 启动 Goroutine 监听服务端的实时消息
    wg.Add(1)
    go client.ListenForMessages(ctx, wg)

    return client, nil
}

func init() {
    InitUDPClient(context.Background(), &sync.WaitGroup{}, "127.0.0.1:13026")
}

⚠️：上面代码需要注意的地方

1️⃣：通用udp客户端建立

2️⃣：ListenForMessages 启动 Goroutine 监听服务端的实时消息

3️⃣：消息的处理，这里我使用的是字符串来接收，真正的设备应该是接收16进制的指令。

运行和测试

1️⃣：运行Spring Boot应用，UDP服务端将会在13026端口启动。你可以使用UDP客户端发送消息到该端口，然后在控制台看到服务端输出的消息。

2️⃣：运行go程序，可以在springboot控制台看到打印如下

3️⃣：调用接口，可以同时看到go程序，与springboot打印数据如下

这只是一个简单的示例，实际应用中可能需要根据具体需求进行更复杂的处理和逻辑。 Netty提供了强大的异步事件模型，适用于构建高性能、可伸缩的网络应用程序，而Spring Boot则为我们提供了更便捷的开发体验和集成环境。通过整合Spring Boot和Netty，你可以在网络通信方面获得更好的性能和灵活性。

性能优化与调优

性能优化和调优在高负载环境中是至关重要的，特别是在UDP通信这种无连接、不可靠的场景中。以下是一些性能优化的技巧和在高负载环境中调整UDP通信以获得最佳性能的建议：

性能优化技巧：

  1. 使用连接池： 对于UDP通信中的连接，考虑使用连接池来减少连接的创建和销毁开销，提高资源利用率。

  2. 调整缓冲区大小： 根据实际情况调整UDP通信中的缓冲区大小，以优化数据传输效率。

  3. 合并和拆分消息： 对于小消息，可以考虑合并多个小消息为一个大消息发送，减少网络开销。相反，对于大消息，可以考虑拆分为多个小消息发送，避免一次传输过大数据。

  4. 异步处理： 使用异步编程模型，将耗时的操作放在异步任务中处理，避免阻塞主线程。

  5. 压缩数据： 在需要传输大量数据时，可以考虑对数据进行压缩，减少数据传输的大小。

  6. 避免频繁GC： 减少对象的创建，特别是在高频率的UDP通信中，频繁的垃圾回收会对性能产生不利影响。

在高负载环境中调整UDP通信：

  1. 调整线程池大小： 在高负载环境中，适当调整线程池的大小，确保有足够的线程处理并发请求，避免线程池饱和。

  2. 优化消息处理逻辑： 对消息的处理逻辑进行优化，确保处理时间短，避免阻塞，提高处理能力。

  3. 调整超时设置： 对于需要等待响应的场景，调整超时设置，以适应高负载的情况，避免长时间的等待。

  4. 流量控制： 在高负载环境中，考虑实施流量控制，限制每个连接的最大流量，防止过多的数据堆积。

  5. 网络拓扑优化： 对于涉及多台服务器的场景，优化网络拓扑，减少数据传输的跳数，提高数据传输效率。

  6. 监控和调优： 使用性能监控工具对UDP通信进行监控，识别潜在的性能瓶颈，并进行相应的调优。

  7. 负载均衡： 对于UDP通信的负载均衡，确保负载均衡器能够合理地分发请求，避免某个节点过载。

在进行性能优化和调优时，需要根据具体的应用场景和性能测试结果进行调整。优化的效果可能因应用的特性而异，因此在实施之前最好进行充分的性能测试。

安全性考量与加密通信

UDP通信的主要特性是无连接和不可靠，相对于TCP，它缺乏内建的安全性机制，因此在UDP通信中需要额外关注安全性问题。以下是一些UDP通信中的安全性问题和如何实现UDP通信的加密传输的建议：

UDP通信的安全性问题：

  1. 数据完整性： UDP不提供数据完整性验证，因此数据在传输过程中可能会被篡改。攻击者可以修改、删除或注入数据。

  2. 数据机密性： UDP通信默认是明文传输的，攻击者可以轻松截取和查看通信中的数据，这对于敏感信息是一种风险。

  3. 重放攻击： 由于UDP通信不具备连接的概念，攻击者可以通过重放已经捕获的UDP数据包来模拟合法的通信。

如何实现UDP通信的加密传输：

  1. 使用加密算法： 选择合适的加密算法，如AES、DES等，对通信中的数据进行加密。确保使用足够强度的加密算法，并定期更新密钥。

  2. 消息认证码（MAC）： 使用消息认证码对消息进行签名，以验证消息的完整性和真实性。HMAC（基于散列的消息认证码）是一个常见的选择。

  3. 密钥交换： 定期更换加密密钥，可以通过安全的密钥交换协议，如Diffie-Hellman密钥交换，来确保密钥的安全性。

  4. 防重放攻击： 使用时间戳或一次性令牌（One-Time Token）等机制防止重放攻击。在通信中引入时序元素，可以有效地防止攻击者重放过期的数据包。

  5. 数字签名： 对通信中的重要信息进行数字签名，确保数据的真实性和完整性。公钥基础设施（PKI）可以用于验证数字签名。

  6. 实现安全通信协议： 考虑使用已有的安全通信协议，如DTLS（Datagram Transport Layer Security），它是基于UDP的TLS版本，提供了加密和认证。

  7. 使用VPN或隧道： 在通信的底层使用安全的VPN（Virtual Private Network）或隧道技术，将UDP数据包进行封装，提供额外的安全性保障。

  8. 防止拒绝服务攻击： 在UDP通信中，由于缺少连接状态，可能容易受到拒绝服务攻击。采用流量限制、频率控制等手段来减缓拒绝服务攻击的影响。

实现UDP通信的加密传输需要综合考虑数据的机密性、完整性和身份验证等因素。选择合适的安全机制和协议取决于具体的应用场景和安全需求。

相关推荐
GEMjay2 小时前
对于SpringBoot的三层缓存的思考
spring boot
泉城老铁2 小时前
导出大量数据时如何优化内存使用？SXSSFWorkbook的具体实现方法是什么？
spring boot·后端·excel
泉城老铁3 小时前
springboot实现对接poi 导出excel折线图
java·spring boot·后端
稚辉君.MCA_P8_Java4 小时前
kafka解决了什么问题?mmap 和sendfile
java·spring boot·分布式·kafka·kubernetes
Lisonseekpan6 小时前
Spring Boot 中使用 Caffeine 缓存详解与案例
java·spring boot·后端·spring·缓存
Terio_my6 小时前
Spring Boot Web环境测试配置
spring boot
汤姆yu7 小时前
2025版基于springboot的美食食品商城系统
spring boot·后端·美食
kfepiza8 小时前
Spring 如何解决循环依赖 笔记251008
java·spring boot·spring
自学AI的鲨鱼儿8 小时前
ubuntu22.04安装gvm管理go
开发语言·后端·golang
Arva .9 小时前
Spring Boot 配置文件
java·spring boot·后端
热门推荐
01两千字总结：Codex 国内如何安装和使用的教程，以及如何设置中文回答02GitHub 镜像站点03UV安装并设置国内源04KGG转MP3工具|非KGM文件|解密音频05DeepSeek-VL 解析：混合视觉-语言模型如何超越传统计算机视觉方法06Linux下V2Ray安装配置指南07jdk21下载、安装（Windows、Linux、macOS）08一文了解国产算子编程语言 TileLang，TileLang 对国产开源生态的影响与启示09Claude Code & 智谱GLM-4.5 环境配置指南 (Windows/macOS/Ubuntu)1046个Nano-banana 精选提示词，持续更新中