13.3 UDP通信

最新推荐文章于 2025-04-10 19:29:15 发布
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分类专栏： 夏驰和徐策从零开始学JAVA 文章标签： udp 网络协议 网络 JAVA
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/tang7mj/article/details/135323287
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本文详细介绍了UDP通信在性能与可靠性的权衡，展示了Java中DatagramSocket和DatagramPacket的使用，以及如何在多线程环境中优化UDP网络程序。重点讲解了UDP的无连接特性、数据封装和接收，以及如何处理UDP通信的不可靠性问题。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

思维导图：

 理解13.3 UDP通信：性能与可靠性的权衡

引言： 在网络编程的世界中，理解不同的传输协议对于构建高效和可靠的应用至关重要。在本篇博客中，我们将深入探讨UDP通信，了解其在特定场景下的优势，并通过Java代码示例揭示其工作原理。

性能与可靠性的权衡： 首先，要明白在选择传输协议时性能与可靠性的权衡。如果你的应用，比如实时视频会议或在线游戏，需要快速传输数据而不太关心每一个数据包是否完整，那么UDP（User Datagram Protocol）是你的不二之选。相反，如果你需要确保每一个字节都准确无误地传输，比如在文件传输或网页加载中，TCP（Transmission Control Protocol）将是更好的选择。

UDP的无连接特性： 接下来，让我们聊聊UDP的核心特性：无连接。这意味着发送端和接收端不必建立持久的连接。这就像快递服务，你只需把包裹交给快递员，它们就会尽力在没有固定路线的情况下尽快送达。这种方式减少了沟通的开销，使得传输速度更快。

Java中的UDP实现： 在Java中，UDP通信可以通过DatagramSocket和DatagramPacket类来实现。DatagramPacket就像是用来装载数据的集装箱，而DatagramSocket则是码头，负责发送和接收集装箱。通过这两个类的合作，我们可以在Java程序中实现UDP通信。

代码示例： （这里可以插入一些简短的Java代码示例，展示如何创建DatagramSocket和DatagramPacket，以及如何通过它们发送和接收数据。）

深入理解DatagramPacket和DatagramSocket： 我们也将详细探讨DatagramPacket和DatagramSocket类的构造方法和常用方法。例如，你将学习如何创建用于发送和接收的数据报对象，以及如何通过这些对象获取发送或接收的数据、数据长度和IP地址等信息。

实践案例： 为了更好地理解，我们将通过一个简单的UDP通信实例来演示发送和接收数据的整个过程。这将涵盖创建数据报、绑定端口、发送和接收数据，以及设置超时等关键步骤。

注意事项和最佳实践： 在使用UDP时，有几个要点需要注意。例如，由于UDP是不可靠的，接收端可能不会收到所有发送的数据。因此，了解如何处理这种情况以及如何设置超时参数是非常重要的。

结语： 通过本篇博客，你应该对UDP通信有了深入的了解，包括它的优势、工作方式以及如何在Java中实现它。记住，选择正确的协议是确保你的应用性能和可靠性的关键。

参考资料：

  • Java Documentation on DatagramSocket
  • Java Documentation on DatagramPacket

13.3 UDP通信

核心概念：

  • 性能与可靠性权衡： 对于需要高性能而非高可靠性的应用场景（如语音和视频通话），UDP是更合适的选择。相比之下，TCP更适用于需要高可靠性的数据传输。
  • 无连接协议： UDP是一种面向无连接的协议，这意味着通信双方在传输数据前不需要建立连接。

通信过程类比：

  • 货运公司类比： UDP通信就像货运公司在两个码头间发送货物。就如码头使用集装箱装载货物，UDP也使用类似“集装箱”的结构（即DatagramPacket类的实例）来封装发送和接收的数据。

关键类：

  • DatagramPacket类： 类似于“集装箱”，用于封装发送或接收的数据。
  • DatagramSocket类： 类似于“码头”，用于发送和接收DatagramPacket数据包。这两个类协同工作，实现UDP数据的传输。

数据传输过程：

  • 图解： 可以参照图13-15（如果有的话）来理解DatagramPacket类和DatagramSocket类如何协同工作完成数据传输。

详细讲解：

  • DatagramPacket类： 本节将详细讲解DatagramPacket类的用法和作用。
  • DatagramSocket类： 本节还会详细讲解DatagramSocket类的用法和作用。

13.3.1 DatagramPacket类

定义与用途：

  • DatagramPacket类是用于封装UDP通信中发送或接收的数据的核心类，通常称为数据报对象。
  • 它用于在网络上发送或接收数据包，包括需要传输的数据、数据的长度、目标IP地址和端口号等信息。

构造方法：

  1. 接收端构造方法：

    • DatagramPacket(byte[] buf, int length):
      • 用于创建一个接收端的数据报对象。
      • buf数组用于接收发送端发送的数据，length为接收长度。
      • 没有指定IP地址和端口号，因为接收端不需要知道数据的来源，只需要接收数据。

  2. 发送端构造方法：

    • DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress addr, int port):
      • 创建一个用于发送给远程系统的数据报对象。
      • 将buf中长度为length的数据发送到地址为addr、端口号为port的主机上。

  3. 带偏移量的构造方法：

    • 接收端：DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length):
      • 类似于基本的接收端构造方法，但添加了offset参数，指定接收到的数据在放入buf数组时从offset索引处开始。
    • 发送端：DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress addr, int port):
      • 类似于基本的发送端构造方法，但添加了offset参数，指定从数组的offset索引处开始发送数据。

常用方法：

  1. InetAddress getAddress(): 返回发送端或接收端的IP地址。
  2. int getPort(): 返回发送端或接收端的端口号。
  3. byte[] getData(): 返回接收或发送的数据。
  4. int getLength(): 返回接收或发送的数据的长度。

实际应用：

  • 在UDP通信中，发送端通常使用带有目标IP和端口号的构造方法创建DatagramPacket实例，然后通过DatagramSocket发送。
  • 接收端则使用带有足够空间的字节数组的构造方法创建DatagramPacket实例来接收数据。

注意事项：

  • 由于UDP协议的无连接性质，确保数据的完整性和顺序是上层应用的责任。
  • 在实际应用中，通常需要结合其他机制（如校验和、序列号等）来确保数据的正确性和完整性。

小结：

  • DatagramPacket类是实现UDP通信的基石，它提供了灵活的方式来发送和接收网络数据。
  • 通过理解其构造方法和常用操作，我们可以更有效地利用UDP协议进行网络编程。

 

 

13.3.2 DatagramSocket类

定义与用途：

  • DatagramSocket类是用于在发送和接收主机中建立数据报通信方式的基础类。
  • 它负责提出发送请求、实现数据报的发送与接收。

构造方法：

  1. 无参数构造方法：

    • DatagramSocket():
      • 创建一个发送端对象，不指定端口号。系统会自动分配一个未被使用的端口号。

  2. 指定端口的构造方法：

    • DatagramSocket(int port):
      • 可用于创建发送端或接收端对象。必须指定端口号以便监听指定端口。适用于接收端，也可用于发送端。

  3. 指定端口和地址的构造方法：

    • DatagramSocket(int port, InetAddress addr):
      • 在有多个IP地址的主机上创建一个指定IP地址（addr）和端口号（port）的数据报连接。

常用方法：

  1. 接收数据：

    • void receive(DatagramPacket p):
      • 用于接收数据，将接收到的数据保存到DatagramPacket数据报中。在接收到数据之前，receive()方法会一直处于阻塞状态。

  2. 发送数据：

    • void send(DatagramPacket p):
      • 用于发送DatagramPacket数据报，将数据报中包含的报文发送到指定的IP地址的主机。

  3. 设置超时：

    • void setSoTimeout(int timeout):
      • 设置传输数据时的超时时间为timeout。用于防止无限期等待导致线程阻塞。

  4. 关闭连接：

    • void close():
      • 关闭数据报连接。

注意事项：

  • 由于UDP连接是不可靠的通信方式，调用receive()方法时不一定能接收到数据。为了防止线程因无限期等待而陷入死循环，应使用setSoTimeout()方法设置超时。
  • receive()和send()方法都可能产生输入输出异常，可能抛出IOException，因此需要妥善处理这些异常情况。

小结：

  • DatagramSocket类为UDP通信提供了基础架构，使得发送和接收数据报成为可能。
  • 理解其构造方法和常用操作对于有效地实现网络通信至关重要。
  • 鉴于UDP的不可靠性，合理设置超时并妥善处理异常将有助于提高程序的稳定性和健壮性。

13.3.3 简单的UDP通信

概述：

  • 在掌握了DatagramPacket类和DatagramSocket类后，本节将详细讲解UDP通信中数据报的发送与接收过程。

发送过程：

  1. 创建DatagramPacket对象：
    • 包含要发送的数据、数据报分组的长度、目的地主机的IP地址和端口号。
  2. 创建DatagramSocket对象：
    • 在指定的或可用的本机端口创建。
  3. 发送数据报：
    • 调用DatagramSocket对象的send()方法，以DatagramPacket对象为参数发送数据报。

接收过程：

  1. 创建DatagramSocket对象：
    • 包含空白数据缓冲区和指定数据报分组的长度，用于接收数据报。
  2. 创建DatagramSocket对象：
    • 在指定的或可用的本机端口创建。
  3. 接收数据报：
    • 调用DatagramSocket对象的receive()方法，以DatagramPacket对象为参数接收数据报。接收到的信息包括数据报分组、发送端主机的IP地址和端口号。

案例学习：

  • 实现UDP通信需要创建发送端和接收端程序。
  • 接收端程序需要先运行，以避免发送端找不到接收端而导致数据丢失。
  • 接收端程序（Receiver.java）：
    • 定义一个足够大的字节数组来接收数据。
    • 创建DatagramSocket对象，监听指定端口（例如8954）。
    • 创建DatagramPacket对象，用于接收数据。
    • 调用receive()方法等待接收数据，程序将在这里阻塞直到接收到数据。
    • 接收到数据后，解析并打印出来，然后关闭数据报连接。
  • 发送端程序（Sender.java）：
    • 定义要发送的数据。
    • 创建DatagramSocket对象。
    • 创建DatagramPacket对象，包含要发送的数据、长度、接收端的IP地址及端口号。
    • 调用send()方法发送数据，然后关闭数据报连接。

注意事项：

  • 端口占用问题：如果UDP程序使用的端口号被占用，程序将抛出异常。可以使用netstat -ano命令查看端口占用情况，并相应地调整端口号。
  • 阻塞状态：发送端和接收端在等待数据时会处于阻塞状态，合理管理这一状态对于程序的稳定运行非常重要。
  • 异常处理：receive()和send()方法都可能抛出IOException，应当适当处理这些异常。

13.3.4 多线程的UDP网络程序

概述：

  • 本节介绍如何使用Java实现多线程的UDP网络程序，提高数据传输的效率和响应能力。

基本原理：

  • 通常，一个接收端（服务器）可以同时处理多个发送端（客户端）的请求。为了不阻塞主线程，同时处理多个请求，我们采用多线程技术。

案例概述：

  • 文件13-8展示了一个简单的多线程UDP程序，包括一个发送端和一个接收端。

接收端（Receiver）实现：

  1. 创建Socket和Packet：
    • 创建DatagramSocket和DatagramPacket对象，类比于创建码头和集装箱。
  2. 无限循环监听：
    • 使用while(true)循环不断监听端口，等待数据的到来。
  3. 接收数据：
    • 使用socket.receive(packet)方法接收数据。
  4. 处理数据：
    • 在接收到数据后，解析并打印出数据内容，显示发送端的IP地址和端口号。

发送端（Sender）实现：

  1. 创建Socket和Packet：
    • 创建DatagramSocket对象，准备发送数据。
    • 输入字符串数据，并封装成DatagramPacket对象。
  2. 循环发送数据：
    • 使用while(true)循环不断发送数据，直到输入特定命令（例如"quit"）退出。
  3. 发送数据：
    • 使用socket.send(packet)方法发送数据。

多线程实现：

  • 接收端和发送端各自运行在不同的线程中：
    • 通过继承Thread类并覆写run()方法来实现。
    • 使用start()方法启动线程，让接收端和发送端可以同时运行。

运行与测试：

  • 运行文件13-8，分别在发送端输入不同的消息并发送。
  • 观察接收端是否能够同时接收并处理这些消息。

注意事项：

  • 多线程安全： 在多线程环境下，确保共享资源（如共享变量）的访问是安全的。
  • 异常处理： 适当处理IOException，确保网络异常情况下程序能够正确响应。
  • 端口占用： 注意检查端口是否被占用，避免因端口冲突导致程序无法运行。

小结：

  • 多线程的UDP程序能够有效提升网络程序的并发处理能力。
  • 通过案例分析，了解多线程UDP程序的基本架构和关键实现方式。
  • 掌握异常处理和资源管理，确保程序的稳定运行。

 

 

总结：

重点：

  1. UDP通信:

    • 了解UDP协议的无连接特性和适用场景。
    • 理解UDP相较于TCP的优势和不足。

  2. DatagramPacket类:

    • 掌握如何创建和使用DatagramPacket来封装数据。
    • 理解不同构造函数的使用场景和参数意义。

  3. DatagramSocket类:

    • 了解如何创建和使用DatagramSocket来发送和接收DatagramPackets。
    • 掌握如何设置超时和关闭连接。

  4. 多线程UDP程序:

    • 理解如何使用多线程技术提升UDP程序的并发处理能力。
    • 掌握如何实现和管理多线程，特别是在发送端和接收端。

难点：

  1. UDP通信的不可靠性:

    • 处理UDP数据包丢失、重复或乱序的问题，这在TCP中自动处理，但在UDP中需要手动管理。

  2. DatagramPacket和DatagramSocket的协同工作:

    • 理解这两者如何配合完成数据的发送和接收，特别是在处理大量数据和多客户端时。

  3. 多线程管理:

    • 理解并实现线程安全的数据处理，避免资源竞争和共享问题。
    • 正确处理线程生命周期，包括创建、运行、阻塞和结束。

易错点：

  1. 端口和地址配置:

    • 错误地绑定IP地址或端口号，尤其是在多网络接口的机器上。
    • 忽略已被占用的端口号，导致BindException。

  2. 资源管理:

    • 在使用完DatagramSocket后未正确关闭，可能导致资源泄露。
    • 在多线程环境下，未妥善同步和管理共享资源，导致数据错乱或竞态条件。

  3. 异常处理:

    • 忽略或不正确处理IOException，导致程序在遇到网络错误时崩溃或挂起。
    • 在多线程程序中，未捕获和处理线程中的异常，导致问题难以追踪。

总结：

理解这些重点、难点和易错点对于掌握UDP通信及其在Java中的实现至关重要。通过练习和深入理解这些概念，你将能够更有效地使用Java进行网络编程，创建可靠、高效的应用程序。

 

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