JavaSocket 网络编程之 UDP

STRANG-P2024-08-23 13:43

JavaSocket 网络编程之 UDP

1、关于 UDP 协议

1.1、什么是 UDP 协议

UDP 协议是一种面向无连接的传输层协议，其为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的IP 数据报的方法，即面向无连接。

UDP协议会把数据打包发送给目标地址，这个数据包能不能发送给目标地址就不管了。UDP的主要特点是传输效率高，对实时性要求较高的数据传输场合比较适用。

1.2、UDP 协议的优缺点

  • 优点 ：
    • ① 高效性和低延迟：UDP免除了建立和维护连接状态的开销。
    • ② 简洁性：数据包格式较为紧凑。
    • ③ 支持多种通信模式：UDP支持广播和多播功能，可以将数据发送到多个接收者。
  • 缺点 ：
    • ① 不可靠性：UDP不保证数据包的顺序、完整性或可靠性，这可能导致数据丢失、重复或乱序。
    • ② 缺乏拥塞控制：UDP没有内置的拥塞控制机制，可能在网络拥堵时导致更多的问题。
    • ③ 安全性较低：UDP协议本身不提供加密或认证机制，易受到中间人攻击和数据篡改。可以在应用层实现加密和认证，来增强安全性。

1.3、UDP 协议的应用场景

  • ① 实时音视频通信：如VoIP和视频会议，UDP能够提供快速的数据传输，满足实时性需求。
  • ② 在线游戏：为了减少玩家操作的延迟，UDP成为了许多在线游戏的首选协议。
  • ③ DNS解析：UDP的轻量特性适合处理短小的DNS查询，提供快速的域名解析服务。
  • ④ 流媒体服务：UDP用于流媒体服务，以快速传递音视频数据，尽管不保证数据的可靠性。
  • ⑤ 网络广播：UDP支持广播功能，适用于校园广播、公司内部通知广播等场景。

1.4、UDP 与 TCP 的区别

UDP协议与TCP协议不同，UDP在传输数据前不需要建立连接，也不提供数据保证机制，如数据包的顺序、完整性或可靠性保证。UDP协议不需要类似 TCP 协议的三次握手。

HTTP（超文本传输协议）是基于TCP的。

UDP 协议 TCP 协议
连接性 无连接协议，发送数据前不需要建立连接 面向连接协议，发送数据前需要建立连接
速度和效率 传输速度快，效率高，不受拥塞控制的限制 传输速度相对较慢，因为需要建立连接和使用确认重传机制
可靠性 不保证数据包的顺序、完整性或可靠性 对数据的可靠性要求非常严格，通过确认和重传机制确保数据的完整性和正确性
数据包大小 允许将多个数据包打包成一个较大的数据报进行传输 将数据划分为较小的数据包进行传输，并根据网络状况进行调整
适用场景 实时性要求高、对丢包容忍度较高的应用，如音视频流传输、在线游戏等 对数据可靠性要求较高的应用，如文件传输、电子邮件和网页浏览等

2、编码示例

编码示例是基于SpringBoot 做的，持续监听端口的 UDP 服务。

2.1、说明

使用线程池来管理UDP监听任务可以提高资源利用率和系统的稳定性。但是对于UDP监听来说，通常只需要一个或少数几个线程来持续监听端口，因为UDP是无连接的，每个数据包都是独立的，并且监听端口本身是一个阻塞操作。

然而，可以将UDP处理逻辑（即接收数据包后的处理）放在线程池中执行，以便并行处理多个数据包。那么需要将UDP 监听和数据包处理分开。监听仍然可以在一个单独的线程中完成，但一旦接收到数据包，就可以将处理任务提交给线程池。

  • com.zim.udp.UdpClient 类模拟 客户端发送消息
  • com.zim.udp.UdpListener 类 用于持续监听消息
  • com.zim.udp.UdpProcessTask 类 用于业务处理数据包（采用线程池）
  • com.zim.udp.UdpConfig 类用于配置类

2.2、代码示例

2.2.1、UdpClient

java 复制代码 
package com.zim.udp;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * @author
 * udp 发送
 */
@Slf4j
public class UdpClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1、创建发送端 socket 对象
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
        // 2、提供数据，并将数据封装到数据包中
        byte[] msg = "this is a udpMessage".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 走dns 解析获取 ip 地址 127.0.0.1
        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("localhost");
        int port = 5621;
        // 参数分别为 发送数据(byte数组)、发送数据的长度、发送到服务器端的IP地址、发送服务器端的端口号
        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(msg, msg.length, inetAddress, port);
        // 3、通过 socket 服务的发送功能，将数据包发出去
        datagramSocket.send(datagramPacket);
        log.info("{}->已发送", new String(msg));
        // 4、接收服务器响应的缓冲区
        byte[] receiveData = new byte[1024];
        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
        // 接收服务器的响应, 这里会阻塞
        datagramSocket.receive(receivePacket);
        // 打印服务器的响应
        String sentence = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);
        log.info("{}->已接收", sentence);
        // 5、释放资源
        datagramSocket.close();
    }

}

2.2.2、UdpListener

java 复制代码 
package com.zim.udp;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.ExecutorService;

/**
 * @author zim
 * udp 监听线程
 */
@Slf4j
public class UdpListener implements Runnable {

    private final DatagramSocket datagramSocket;
    private final ExecutorService executor;

    public UdpListener(int port, ExecutorService executor) throws SocketException {
        this.datagramSocket = new DatagramSocket(port);
        this.executor = executor;
    }

    @Override
    public void run() {
        byte[] buffer =  new byte[1024];
        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
        try {
            while (true) {
                // 这里会阻塞
                datagramSocket.receive(datagramPacket);
                // 注意：由于DatagramPacket是不可变的,实际使用中需要复制数据包内容到新的 datagramPacket 中
                InetAddress inetAddress = datagramPacket.getAddress();
                int port = datagramPacket.getPort();
                byte[] newBuffer = Arrays.copyOf(datagramPacket.getData(), datagramPacket.getLength());
                DatagramPacket newPacket = new DatagramPacket(newBuffer, newBuffer.length, inetAddress, port);
                // 提交处理任务到线程池
                executor.submit(new UdpProcessTask(newPacket));
            }
        } catch (IOException e) {
            log.error("UdpListener 接收数据失败", e);
        } finally {
            // 关闭资源
            if (datagramSocket != null) {
                datagramSocket.close();
            }
        }
    }
}

2.2.3、UdpProcessTask

java 复制代码 
package com.zim.udp;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * @author zim
 * 处理接收到的数据包业务
 */
@Slf4j
public class UdpProcessTask implements Runnable {

    private final DatagramPacket datagramPacket;

    public UdpProcessTask(DatagramPacket datagramPacket) {
        this.datagramPacket = datagramPacket;
    }

    /**
     * 拿到数据包，处理相关业务
     */
    @Override
    public void run() {
        // 1、拿到数据包相关数据
        byte[] buffer = datagramPacket.getData();
        int len = datagramPacket.getLength();
        String receivedData = new String(buffer, 0, len, StandardCharsets.UTF_8);
        // 2、处理具体业务
        log.info("从{}:{} 接收的数据为：{} ==> 开始执行业务",
                datagramPacket.getAddress().getHostAddress(), datagramPacket.getPort(), receivedData);
        // 3、封装给客户端返回的数据包，并发送给客户端
        // 3.1、构造响应数据包
        InetAddress clientAddress = datagramPacket.getAddress();
        int clientPort = datagramPacket.getPort();
        String response = receivedData + " Received your message!";
        byte[] responseData = response.getBytes();

        DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(responseData, responseData.length, clientAddress, clientPort);
        DatagramSocket datagramSocket = null;
        try {
            datagramSocket = new DatagramSocket();
            // 发送响应数据包
            datagramSocket.send(responsePacket);
            // 重置packet的偏移量和长度，以便下一次接收
            datagramPacket.setLength(buffer.length);
        } catch (Exception e) {
            log.error("UdpProcessTask消费异常：{}", e);
        } finally {
            if (datagramSocket != null) {
                datagramSocket.close();
            }
        }
    }
}

2.2.4、UdpConfig

java 复制代码 
package com.zim.udp;

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import java.net.SocketException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author zim
 */
@Configuration
public class UdpConfig {

    /**
     * 处理 udp 监听业务的线程池
     *
     * @return
     */
    @Bean
    public ExecutorService udpExecutor() {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(4, 4,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        return executor;
    }


    @Bean
    public Runnable udpListener(ExecutorService executor) throws SocketException {
        // 这里是监听的端口号，一般写在配置文件中
        int port = 5621;
        UdpListener udpListener = new UdpListener(port, executor);
        // 使用非守护线程来运行监听器，因为守护线程可能会在Spring Boot关闭时立即退出
        Thread thread = new Thread(udpListener, "UDP-Listener-Thread");
        // 设置为守护线程，以便在 Springboot 应用停止时自动退出
        thread.start();
        // 返回 Runnable 符合@Bean的返回类型,实际上不需要 Spring 容器管理该 Runnable
        return udpListener;
    }

}

2.2.5、执行日志

UdpClient 执行日志：

java 复制代码 
21:20:07.101 [main] INFO com.zim.udp.UdpClient - this is a udpMessage->已发送
21:20:07.105 [main] INFO com.zim.udp.UdpClient - this is a udpMessage Received your message!->已接收

服务端执行日志：

java 复制代码 
2024-08-22 21:20:07.099  INFO 9432 --- [pool-1-thread-4] com.zim.udp.UdpProcessTask               : 从127.0.0.1:55089 接收的数据为：this is a udpMessage ==> 开始执行业务

.

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