詳解UDP協議格式及在java中的使用
UDP是面向無連接的通訊協議，由於通訊不需要連接，所以可以實現廣播發送。UDP通訊時不需要接收方確認，屬於不可靠的傳輸，可能會出現丟包現象，實際應用中要求程序員編程驗證。
UDP適用於DNS、視頻音頻等多媒體通信、廣播通信（廣播、多播）。例如我們常用的QQ，就是一個以UDP為主，TCP為輔的通訊協議。
UDP報文格式如下：
UDP首部有8個字節，由4個字段構成，每個字段都是兩個字節，
- 源端口：數據發送方的端口號.
- 目的端口：數據接收方的端口號。
- 長度：UDP數據報的整個長度（包括首部和數據），其最小值為8（隻有首部）。
- 校驗和：檢測UDP數據報在傳輸中是否有錯，有錯則丟棄。
可以使用nc發送UDP數據包：echo hello | nc -uv 127.0.0.1 9999。
用tcpdump抓取到的數據包如下（註意先運行tcpdump，然後再執行nc命令）：
# tcpdump -i lo -X udp port 9999 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes 11:19:39.267912 IP localhost.45666 > localhost.distinct: UDP, length 6 0x0000: 4500 0022 5914 4000 4011 e3b4 7f00 0001 E.."Y.@.@....... 0x0010: 7f00 0001 b262 270f 000e fe21 6865 6c6c .....b'....!hell 0x0020: 6f0a o. ... ...
說明：
- 源端口：0xb262，十進制的45666。
- 目的端口：0x270f，十進制的9999。
- 長度：0x000e，14個字節的報文長度。
- 校驗和：0xfe21。
bio之單播
單播就是一對一通信。
服務器端代碼如下：
package com.morris.udp.bio.single;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(9999);
byte[] bytes = new byte[1024];
DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
datagramSocket.receive(datagramPacket);
System.out.println("receive from client: " + new String(bytes));
byte[] req = "hello client".getBytes();
DatagramPacket resp = new DatagramPacket(req, req.length, datagramPacket.getSocketAddress());
datagramSocket.send(resp);
}
}
客戶端代碼如下：
package com.morris.udp.bio.single;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetSocketAddress;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
byte[] req = "hello server".getBytes();
DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(req, req.length, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
datagramSocket.send(datagramPacket);
datagramSocket.receive(datagramPacket);
System.out.println("receive from server: " + new String(datagramPacket.getData()));
}
}
客戶端和服務端的代碼幾乎一致，隻不過接收和發送數據的順序不一致，receive和send都歐式阻塞方法。
bio之廣播
廣播：同一網段所有主機都能接收，前提是端口要開啟監聽。
隻需要將單播的例子中客戶端發送數據的IP修改為255.255.255.255即可，具體修改如下：
DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(req, req.length, new InetSocketAddress("255.255.255.255", 9999));
bio之多播（組播）
多播數據報套接字類用於發送和接收IP多播包。MulticastSocket是一種DatagramSocket，它具有加入Internet上其他多播主機的“組”的附加功能。
多播組通過D類IP地址和標準UDP端口號指定。D類IP地址在224.0.0.0和239.255.255.255的范圍內。地址224.0.0.0被保留，不應使用。
可以通過首先使用所需端口創建MulticastSocket，然後調用joinGroup(InetAddress groupAddr)方法來加入多播組。
服務器端代碼如下：
package com.morris.udp.bio.multicast;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
InetAddress group = InetAddress.getByName("228.5.6.7");
MulticastSocket s = new MulticastSocket(6789);
s.joinGroup(group);
byte[] buf = new byte[1000];
DatagramPacket recv = new DatagramPacket(buf, buf.length);
s.receive(recv);
System.out.println("receive : " + new String(buf));
s.leaveGroup(group);
}
}
客戶端代碼如下：
package com.morris.udp.bio.multicast;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
String msg = "Hello";
InetAddress group = InetAddress.getByName("228.5.6.7");
MulticastSocket s = new MulticastSocket();
s.joinGroup(group);
DatagramPacket hi = new DatagramPacket(msg.getBytes(), msg.length(), group, 6789);
s.send(hi);
s.leaveGroup(group);
}
}
NIO實現單播
服務器端代碼如下：
package com.morris.udp.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();
datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
// datagramChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
SocketAddress receive = datagramChannel.receive(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.remaining()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("receive from client: " + new String(bytes));
byteBuffer.clear();
byteBuffer.put("hello client".getBytes());
datagramChannel.send(byteBuffer, receive);
}
}
客戶端代碼如下：
package com.morris.udp.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();
// datagramChannel.configureBlocking(false);
String req = "hello server";
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length());
byteBuffer.put(req.getBytes());
byteBuffer.flip();
datagramChannel.send(byteBuffer, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
datagramChannel.receive(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.remaining()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("receive from server: " + new String(bytes));
}
}
Netty實現單播
服務器端代碼如下：
package com.morris.udp.netty.single;
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;
import io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel;
import io.netty.util.CharsetUtil;
public class Server {
private static final int port = 8899;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(group).channel(NioDatagramChannel.class)
.handler(new SimpleChannelInboundHandler<DatagramPacket>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, DatagramPacket msg) throws Exception {
// 接收數據
System.out.println(msg.content().toString(CharsetUtil.UTF_8));
// 發送數據
ctx.writeAndFlush(new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer("hello client", CharsetUtil.UTF_8), msg.sender()));
ctx.close();
}
});
bootstrap.bind(port).sync().channel().closeFuture().await();
} finally {
group.shutdownGracefully();
}
}
}
客戶端代碼如下：
package com.morris.udp.netty.single;
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.DatagramPacket;
import io.netty.channel.socket.nio.NioDatagramChannel;
import io.netty.util.CharsetUtil;
import java.net.InetSocketAddress;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(group).channel(NioDatagramChannel.class)
.handler(new SimpleChannelInboundHandler<DatagramPacket>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, DatagramPacket msg) throws Exception {
// 接收數據
System.out.println(msg.content().toString(CharsetUtil.UTF_8));
ctx.close();
}
});
Channel channel = bootstrap.bind(0).sync().channel();
// 發送數據
channel.writeAndFlush(new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer("hello server", CharsetUtil.UTF_8), new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8899)));
if (!channel.closeFuture().await(30 * 1000)) {
System.err.println("查詢超時");
}
} finally {
group.shutdownGracefully();
}
}
}
Netty實現廣播
隻需要將netty實現的單播的客戶端代碼做如下修改：
1.增加option：
.option(ChannelOption.SO_BROADCAST, true)
2.將IP地址修改為廣播地址255.255.255.255：
channel.writeAndFlush(new DatagramPacket(Unpooled.copiedBuffer("hello server", CharsetUtil.UTF_8), new InetSocketAddress("255.255.255.255", 8899)));
底層實現
recvfrom負責接收UDP數據，其函數聲明如下：
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
sendto負責發送UDP數據，其函數聲明如下：
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
下面通過對bio之單播的例子所產生的系統調用進行跟蹤：
啟動服務器端服務Server：
# strace -ff -o out java Server
然後使用nc命令充當客戶端進行連接：echo hello | nc -uv 127.0.0.1 9999。
產生的系統調用中關鍵信息如下：
socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP) = 4
bind(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9999), inet_pton(AF_INET6, “::”, &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, 28) = 0
recvfrom(4, “hello\n”, 1024, 0, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(7361), inet_pton(AF_INET6, “::ffff:127.0.0.1”, &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, [28]) = 6
write(1, “receive from client: hello\n\0\0\0\0\0″…, 1045) = 1045
write(1, “\n”, 1)
sendto(4, “hello client”, 12, 0, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(7361), inet_pton(AF_INET6, “::ffff:127.0.0.1”, &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, 28) = 12
可見發送和接收數據確實使用瞭上面的系統調用，另外上面的系統調用中並沒有listen函數，不需要監聽端口，再次驗證UDP是面向無連接的。
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