UDP协议网络Socket编程(java实现C/S通信案例)
2024-10-19 19:27:21
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一、前言：认识UDP
UDP，全称User Datagram Protocol(用户数据报协议)，是Internet 协议集支持一个无连接的传输协议。UDP 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 数据包的方法。
UDP主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序的检查与排序由应用层完成，提供面向报文的简单不可靠信息传送服务。UDP 协议基本上是IP协议与上层协议的接口，适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。
二、UDP的特点(与TCP相比)
正是UDP提供不可靠服务，具有了TCP所没有的优势。无连接使得它具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以音频、视频和普通数据在传送时经常使用UDP，偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。
UDP有别于TCP，有自己独立的套接字(IP+Port)，它们的端口号不冲突。和TCP编程相比，UDP在使用前不需要进行连接，没有流的概念。
如果说TCP协议通信与电话通信类似，那么UDP通信就与邮件通信类似：不需要实时连接，只需要目的地址；
UDP通信前不需要建立连接，只要知道地址（ip地址和端口号）就可以给对方发送信息；
基于用户数据报文（包）读写；
UDP通信一般用于线路质量好的环境，如局域网内，如果是互联网，往往应用于对数据完整性不是过于苛刻的场合，例如语音传送等。
以上是对UDP的基本认识，与以前学习的理论相比，接下来的实践更加有趣，实践出真知。
三、UDP网络Socket编程(Java实现)
首先，熟悉java中UDP编程的几个关键类：DatagramSocket（套接字类），DatagramPacket（数据报类），MulticastSocket（组播）。本篇主要使用前两个。
1、创建客户端
第一步，实例化一个数据报套接字，用于与服务器端进行通信。与TCP不同，UDP中只有DatagramSocket一种套接字，不区分服务端和客户端，创建的时候并不需要指定目的地址，这也是TCP协议和UDP协议最大的不同点之一。
public UDPClient(String remoteIP,String remotePort) throws IOException{
this.remoteIP=InetAddress.getByName(remoteIP);
this.remotePort=Integer.parseInt(remotePort);
//创建UDP套接字，系统随机选定一个未使用的UDP端口绑定
socket=new DatagramSocket();
}
第二步， 创建UDP数据报，实现发送和接收数据的方法。UDP发送数据是基于报文DatagramPacket，网络中传递的UDP数据都要封装在这种自包含的报文中。
实现DatagramPacket发送数据的方法：
//定义一个数据的发送方法
public void send(String msg){
try {
//将待发送的字符串转为字节数组
byte[] outData=msg.getBytes("utf-8");
//构建用于发送的数据报文，构造方法中传入远程通信方（服务器）的ip地址和端口
DatagramPacket outPacket=new DatagramPacket(outData,outData.length,remoteIP,remotePort);
//给UDP发送数据报
socket.send(outPacket);
}catch (IOException e){
e.printStackTrace();
}
}
DatagramPacket接收数据的方法：
public String receive(){
String msg;
//准备空的数据报文
DatagramPacket inPacket=new DatagramPacket(new byte[MAX_PACKET_SIZE],MAX_PACKET_SIZE);
try {
//读取报文，阻塞语句，有数据就装包在inPacket报文中，以装完或装满为止
socket.receive(inPacket);
//将接收到的字节数组转为对应的字符串
msg=new String(inPacket.getData(),0,inPacket.getLength(),"utf-8");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
msg=null;
}
return msg;
}
可以看到，发送和接收数据中使用DatagramSocket的实例的send和receive方法，这就是数据报套接字的两个重要方法。
通信结束，销毁Socket的方法如下：
public void close(){
if (socket!=null)
socket.close();
}
到这里，客户端已全部完成，等待接下来与服务端的通信...
2、客户端图形界面
现在，设计客户端通信的简单界面，一方面可以更方便的和服务器连续对话通信，另一方面，有了图形界面，体验感更加！图形化界面主要使用JavaFX实现，代码容易看懂。
1 import javafx.application.Application;
2 import javafx.event.EventHandler;
3 import javafx.geometry.Insets;
4 import javafx.geometry.Pos;
5 import javafx.scene.Scene;
6 import javafx.scene.control.*;
7 import javafx.scene.input.KeyCode;
8 import javafx.scene.input.KeyEvent;
9 import javafx.scene.layout.BorderPane;
10 import javafx.scene.layout.HBox;
11 import javafx.scene.layout.Priority;
12 import javafx.scene.layout.VBox;
13 import javafx.stage.Stage;
14
15 import java.io.IOException;
16
17
18 public class UDPClientFX extends Application {
19
20 private Button btnExit=new Button("退出");
21 private Button btnSend = new Button("发送");
22
23 private TextField tfSend=new TextField();//输入信息区域
24
25 private TextArea taDisplay=new TextArea();//显示区域
26 private TextField ipAddress=new TextField();//填写ip地址
27 private TextField tfport=new TextField();//填写端口
28 private Button btConn=new Button("连接");
29 private UDPClient UDPClient;
30
31 private String ip;
32 private String port;
33
34
35 @Override
36 public void start(Stage primaryStage) {
37 BorderPane mainPane=new BorderPane();
38
39 //连接服务器区域
40 HBox hBox1=new HBox();
41 hBox1.setSpacing(10);
42 hBox1.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
43 hBox1.setAlignment(Pos.CENTER);
44 hBox1.getChildren().addAll(new Label("ip地址："),ipAddress,new Label("端口："),tfport,btConn);
45 mainPane.setTop(hBox1);
46
47 VBox vBox=new VBox();
48 vBox.setSpacing(10);
49
50 vBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
51 vBox.getChildren().addAll(new Label("信息显示区"),taDisplay,new Label("信息输入区"),tfSend);
52
53 VBox.setVgrow(taDisplay, Priority.ALWAYS);
54 mainPane.setCenter(vBox);
55
56
57 HBox hBox=new HBox();
58 hBox.setSpacing(10);
59 hBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
60 hBox.setAlignment(Pos.CENTER_RIGHT);
61 hBox.getChildren().addAll(btnSend,btnExit);
62 mainPane.setBottom(hBox);
63
64 Scene scene =new Scene(mainPane,700,500);
65 primaryStage.setScene(scene);
66 primaryStage.show();
67
68 //连接服务器之前，发送bye后禁用发送按钮，禁用Enter发送信息输入区域，禁用下载按钮
69 btnSend.setDisable(true);
70 tfSend.setDisable(true);
71
72 //连接按钮
73 btConn.setOnAction(event -> {
74 ip=ipAddress.getText().trim();
75 port=tfport.getText().trim();
76
77 try {
78 UDPClient = new UDPClient(ip,port);
79 //连接服务器之后未结束服务前禁用再次连接
80 btConn.setDisable(true);
81 //重新连接服务器时启用输入发送功能
82 tfSend.setDisable(false);
83 btnSend.setDisable(false);
84 } catch (IOException e) {
85 e.printStackTrace();
86 }
87 });
88
89 //发送按钮事件
90 btnSend.setOnAction(event -> {
91 String msg=tfSend.getText();
92 UDPClient.send(msg);//向服务器发送一串字符
93 taDisplay.appendText("客户端发送："+msg+"\n");
94
95 String Rmsg=null;
96 Rmsg=UDPClient.receive();
97 // System.out.println(Rmsg);
98 taDisplay.appendText(Rmsg+"\n");
99
100 if (msg.equals("bye")){
101 btnSend.setDisable(true);//发送bye后禁用发送按钮
102 tfSend.setDisable(true);//禁用Enter发送信息输入区域
103 //结束服务后再次启用连接按钮
104 btConn.setDisable(false);
105 }
106 tfSend.clear();
107 });
108 //对输入区域绑定键盘事件
109 tfSend.setOnKeyPressed(new EventHandler<KeyEvent>() {
110 @Override
111 public void handle(KeyEvent event) {
112 if(event.getCode()==KeyCode.ENTER){
113 String msg=tfSend.getText();
114 UDPClient.send(msg);//向服务器发送一串字符
115 taDisplay.appendText("客户端发送："+msg+"\n");
116
117
118 String Rmsg=null;
119 Rmsg=UDPClient.receive();
120 taDisplay.appendText(Rmsg+"\n");
121
122 if (msg.equals("bye")){
123 tfSend.setDisable(true);//禁用Enter发送信息输入区域
124 btnSend.setDisable(true);//发送bye后禁用发送按钮
125 //结束服务后再次启用连接按钮
126 btConn.setDisable(false);
127 }
128 tfSend.clear();
129 }
130 }
131 });
132
133 btnExit.setOnAction(event -> {
134 try {
135 exit();
136 } catch (InterruptedException e) {
137 e.printStackTrace();
138 }
139
140 });
141 //窗体关闭响应的事件,点击右上角的×关闭,客户端也关闭
142 primaryStage.setOnCloseRequest(event -> {
143 try {
144 exit();
145 } catch (InterruptedException e) {
146 e.printStackTrace();
147 }
148 });
149
150
151 //信息显示区鼠标拖动高亮文字直接复制到信息输入框，方便选择文件名
152 //taDispaly为信息选择区的TextArea，tfSend为信息输入区的TextField
153 //为taDisplay的选择范围属性添加监听器，当该属性值变化(选择文字时)，会触发监听器中的代码
154 taDisplay.selectionProperty().addListener(((observable, oldValue, newValue) -> {
155 //只有当鼠标拖动选中了文字才复制内容
156 if(!taDisplay.getSelectedText().equals(""))
157 tfSend.setText(taDisplay.getSelectedText());
158 }));
159 }
160
161 private void exit() throws InterruptedException {
162 if (UDPClient!=null){
163 //向服务器发送关闭连接的约定信息
164 UDPClient.send("bye");
165 UDPClient.close();
166 }
167 System.exit(0);
168 }
169
170
171 public static void main (String[] args) {
172 launch(args);
173 }
174 }
重点在各个控件的事件处理逻辑上，需避免要一些误操作导致异常抛出，如：连接服务器前禁用发送按钮，在连接服务器成功后禁用连接按钮，禁用输入区等。另外，实现了回车发送的快捷功能，详见代码的键盘事件绑定部分。（注：这里的UDP连接应该视为初始化，不属于连接服务器，相当于我们发邮件时候填写对方的地址一样）
还有，约定发送"bye"或者退出按钮结束通信关闭Socket。
成功连接后：
3、创建服务器端
服务器端为客户端提供服务，实现通信。这里包括了几个方法Service(),udpSend()和udpReceive().
首先，我将UDP数据报发送和接收写成一个方法，作为整体方便多次调用。
public DatagramPacket udpReceive() throws IOException {
DatagramPacket receive;
byte[] dataR = new byte[1024];
receive = new DatagramPacket(dataR, dataR.length);
socket.receive(receive);
return receive;
}
public void udpSend(String msg,InetAddress ipRemote,int portRemote) throws IOException {
DatagramPacket sendPacket;
byte[] dataSend = msg.getBytes();
sendPacket = new DatagramPacket(dataSend,dataSend.length,ipRemote,portRemote);
socket.send(sendPacket);
}
与TCP的Socket通信不同，需要将数据转化成字节数据形式，封装成数据报进行传输，接收时解析数据为字节，再进行读取。
服务器端核心部分为Service()方法，实例化一个DatagramSocket类套接字，实现循环与客户端的通信。
与客户端约定的结束标志"bye"进行处理，结束对话。
public void Service() throws IOException {
try {
socket = new DatagramSocket(port);
System.out.println("服务器创建成功，端口号：" + socket.getLocalPort());
while (true) {
//服务器接收数据
String msg=null;
receivePacket = udpReceive();
InetAddress ipR = receivePacket.getAddress();
int portR = receivePacket.getPort();
msg = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength(), "utf-8");
// System.out.println("收到："+receivePacket.getSocketAddress()+"内容："+msg);
if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) {
udpSend("来自服务器消息：服务器断开连接，结束服务！",ipR,portR);
System.out.println(receivePacket.getSocketAddress()+"的客户端离开。");
continue;
}
System.out.println("建立连接："+receivePacket.getSocketAddress());
String now = new Date().toString();
String hello = "From 服务器：&" + now + "&" + msg;
udpSend(hello,ipR,portR);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
四、服务器端和客户端完整代码
服务器端：
1 //UDPServer.java
2 import java.io.IOException;
3 import java.net.DatagramPacket;
4 import java.net.DatagramSocket;
5 import java.net.InetAddress;
6 import java.util.Date;
7
8 public class UDPServer {
9 private DatagramSocket socket = null;
10 private int port = 8888;
11 private DatagramPacket receivePacket;
12
13 public UDPServer() throws IOException {
14 System.out.println("服务器启动监听在" + port + "端口...");
15 }
16
17 public void Service() throws IOException {
18 try {
19 socket = new DatagramSocket(port);
20 System.out.println("服务器创建成功，端口号：" + socket.getLocalPort());
21
22 while (true) {
23
24 //服务器接收数据
25 String msg=null;
26 receivePacket = udpReceive();
27 InetAddress ipR = receivePacket.getAddress();
28 int portR = receivePacket.getPort();
29 msg = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength(), "utf-8");
30
31 // System.out.println("收到："+receivePacket.getSocketAddress()+"内容："+msg);
32
33 if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) {
34 udpSend("来自服务器消息：服务器断开连接，结束服务！",ipR,portR);
35 System.out.println(receivePacket.getSocketAddress()+"的客户端离开。");
36 continue;
37 }
38 System.out.println("建立连接："+receivePacket.getSocketAddress());
39
40 String now = new Date().toString();
41 String hello = "From 服务器：&" + now + "&" + msg;
42 udpSend(hello,ipR,portR);
43
44 }
45 } catch (IOException e) {
46 e.printStackTrace();
47 }
48 }
49
50 public DatagramPacket udpReceive() throws IOException {
51 DatagramPacket receive;
52 byte[] dataR = new byte[1024];
53 receive = new DatagramPacket(dataR, dataR.length);
54 socket.receive(receive);
55 return receive;
56 }
57
58 public void udpSend(String msg,InetAddress ipRemote,int portRemote) throws IOException {
59 DatagramPacket sendPacket;
60 byte[] dataSend = msg.getBytes();
61 sendPacket = new DatagramPacket(dataSend,dataSend.length,ipRemote,portRemote);
62 socket.send(sendPacket);
63 }
64
65 public static void main(String[] args) throws IOException {
66 new UDPServer().Service();
67 }
68 }
客户端：
1 //UDPClient.java
2
3 import java.io.IOException;
4 import java.net.DatagramPacket;
5 import java.net.DatagramSocket;
6 import java.net.InetAddress;
7
8 public class UDPClient {
9 private int remotePort;
10 private InetAddress remoteIP;
11 private DatagramSocket socket;
12 //用于接收数据的报文字节数组缓存最最大容量，字节为单位
13 private static final int MAX_PACKET_SIZE=512;
14
15 public UDPClient(String remoteIP,String remotePort) throws IOException{
16 this.remoteIP=InetAddress.getByName(remoteIP);
17 this.remotePort=Integer.parseInt(remotePort);
18 //创建UDP套接字，系统随机选定一个未使用的UDP端口绑定
19 socket=new DatagramSocket();
20
21 }
22
23 //定义一个数据的发送方法
24 public void send(String msg){
25 try {
26 //将待发送的字符串转为字节数组
27 byte[] outData=msg.getBytes("utf-8");
28 //构建用于发送的数据报文，构造方法中传入远程通信方（服务器）的ip地址和端口
29 DatagramPacket outPacket=new DatagramPacket(outData,outData.length,remoteIP,remotePort);
30 //给UDP发送数据报
31 socket.send(outPacket);
32 }catch (IOException e){
33 e.printStackTrace();
34 }
35 }
36
37 public String receive(){
38 String msg;
39 //准备空的数据报文
40 DatagramPacket inPacket=new DatagramPacket(new byte[MAX_PACKET_SIZE],MAX_PACKET_SIZE);
41 try {
42 //读取报文，阻塞语句，有数据就装包在inPacket报文中，以装完或装满为止
43 socket.receive(inPacket);
44 //将接收到的字节数组转为对应的字符串
45 msg=new String(inPacket.getData(),0,inPacket.getLength(),"utf-8");
46 } catch (IOException e) {
47 e.printStackTrace();
48 msg=null;
49 }
50 return msg;
51 }
52
53 public void close(){
54 if (socket!=null)
55 socket.close();
56 }
57 }
五、效果展示
这里的终端打印“建立连接”应该是 “通信成功”，UDP是无连接协议。
六、总结
这一篇详细记录学习运用java进行网络编程，基于UDP套接字(Socket)实现服务器与客户端间的通信，在实战案例中更深刻理解UDP的实现原理，掌握UDP实践应用步骤。
起初完成UDP通信时，遇到了几个问题，相比较TCP的实现，确实体会到数据传输的过程的不同，UDP服务和客户端共用了一个DatagramSocket，另外需要DatagramPacket数据报的协作。另外，UDP没有数据流的概念，所以读写不同于TCP，需要以字节数据进行读取。
接下来将继续探索网络编程，基于TCP的Socket编程更加有趣！一起学习期待！
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