UDP協議網路Socket程式設計(java實現C/S通訊案例)

Charzueus發表於2020-10-16

一、前言：認識UDP

UDP，全稱User Datagram Protocol(使用者資料包協議)，是Internet 協議集支援一個無連線的傳輸協議。UDP 為應用程式提供了一種無需建立連線就可以傳送封裝的 IP 資料包的方法。

UDP主要用於不要求分組順序到達的傳輸中，分組傳輸順序的檢查與排序由應用層完成，提供面向報文的簡單不可靠資訊傳送服務。UDP 協議基本上是IP協議與上層協議的介面，適用埠分別執行在同一臺裝置上的多個應用程式。

二、UDP的特點(與TCP相比)

正是UDP提供不可靠服務，具有了TCP所沒有的優勢。無連線使得它具有資源消耗小，處理速度快的優點，所以音訊、視訊和普通資料在傳送時經常使用UDP，偶爾丟失一兩個資料包，也不會對接收結果產生太大影響。

UDP有別於TCP，有自己獨立的套接字(IP+Port)，它們的埠號不衝突。和TCP程式設計相比，UDP在使用前不需要進行連線，沒有流的概念。
如果說TCP協議通訊與電話通訊類似，那麼UDP通訊就與郵件通訊類似：不需要實時連線，只需要目的地址；
UDP通訊前不需要建立連線，只要知道地址（ip地址和埠號）就可以給對方傳送資訊；
基於使用者資料包文（包）讀寫；
UDP通訊一般用於線路質量好的環境，如區域網內，如果是網際網路，往往應用於對資料完整性不是過於苛刻的場合，例如語音傳送等。

以上是對UDP的基本認識，與以前學習的理論相比，接下來的實踐更加有趣，實踐出真知。

三、UDP網路Socket程式設計(Java實現)

首先，熟悉java中UDP程式設計的幾個關鍵類：DatagramSocket（套接字類），DatagramPacket（資料包類），MulticastSocket（組播）。本篇主要使用前兩個。

1、建立客戶端

第一步，例項化一個資料包套接字，用於與伺服器端進行通訊。與TCP不同，UDP中只有DatagramSocket一種套接字，不區分服務端和客戶端，建立的時候並不需要指定目的地址，這也是TCP協議和UDP協議最大的不同點之一。

public UDPClient(String remoteIP,String remotePort) throws IOException{
        this.remoteIP=InetAddress.getByName(remoteIP);
        this.remotePort=Integer.parseInt(remotePort);
        //建立UDP套接字，系統隨機選定一個未使用的UDP埠繫結
        socket=new DatagramSocket();
}

第二步，建立UDP資料包，實現傳送和接收資料的方法。UDP傳送資料是基於報文DatagramPacket，網路中傳遞的UDP資料都要封裝在這種自包含的報文中。

實現DatagramPacket傳送資料的方法：

//定義一個資料的傳送方法
public void send(String msg){
    try {
        //將待傳送的字串轉為位元組陣列
        byte[] outData=msg.getBytes("utf-8");
        //構建用於傳送的資料包文，構造方法中傳入遠端通訊方（伺服器）的ip地址和埠
        DatagramPacket outPacket=new DatagramPacket(outData,outData.length,remoteIP,remotePort);
        //給UDP傳送資料包
        socket.send(outPacket);
    }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
     }
}

DatagramPacket接收資料的方法：

public String receive(){
    String msg;
    //準備空的資料包文
    DatagramPacket inPacket=new DatagramPacket(new byte[MAX_PACKET_SIZE],MAX_PACKET_SIZE);
    try {
        //讀取報文，阻塞語句，有資料就裝包在inPacket報文中，以裝完或裝滿為止
        socket.receive(inPacket);
        //將接收到的位元組陣列轉為對應的字串
        msg=new String(inPacket.getData(),0,inPacket.getLength(),"utf-8");
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        msg=null;
    }
    return msg;
}

可以看到，傳送和接收資料中使用DatagramSocket的例項的send和receive方法，這就是資料包套接字的兩個重要方法。

通訊結束，銷燬Socket的方法如下：

public void close(){
    if (socket!=null)
        socket.close();
}

到這裡，客戶端已全部完成，等待接下來與服務端的通訊...

2、客戶端圖形介面

現在，設計客戶端通訊的簡單介面，一方面可以更方便的和伺服器連續對話通訊，另一方面，有了圖形介面，體驗感更加！圖形化介面主要使用JavaFX實現，程式碼容易看懂。

  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("傳送");
 22  
 23     private TextField tfSend=new TextField();//輸入資訊區域
 24  
 25     private TextArea taDisplay=new TextArea();//顯示區域
 26     private TextField ipAddress=new TextField();//填寫ip地址
 27     private TextField tfport=new TextField();//填寫埠
 28     private Button btConn=new Button("連線");
 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         //連線伺服器區域
 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("埠："),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("資訊顯示區"),taDisplay,new Label("資訊輸入區"),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         //連線伺服器之前，傳送bye後禁用傳送按鈕，禁用Enter傳送資訊輸入區域，禁用下載按鈕
 69         btnSend.setDisable(true);
 70         tfSend.setDisable(true);
 71  
 72         //連線按鈕
 73         btConn.setOnAction(event -> {
 74             ip=ipAddress.getText().trim();
 75             port=tfport.getText().trim();
 76  
 77             try {
 78                 UDPClient = new UDPClient(ip,port);
 79                 //連線伺服器之後未結束服務前禁用再次連線
 80                 btConn.setDisable(true);
 81                 //重新連線伺服器時啟用輸入傳送功能
 82                 tfSend.setDisable(false);
 83                 btnSend.setDisable(false);
 84             } catch (IOException e) {
 85                 e.printStackTrace();
 86             }
 87         });
 88  
 89         //傳送按鈕事件
 90         btnSend.setOnAction(event -> {
 91             String msg=tfSend.getText();
 92             UDPClient.send(msg);//向伺服器傳送一串字元
 93             taDisplay.appendText("客戶端傳送："+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);//傳送bye後禁用傳送按鈕
102                 tfSend.setDisable(true);//禁用Enter傳送資訊輸入區域
103                 //結束服務後再次啟用連線按鈕
104                 btConn.setDisable(false);
105             }
106             tfSend.clear();
107         });
108         //對輸入區域繫結鍵盤事件
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);//向伺服器傳送一串字元
115                    taDisplay.appendText("客戶端傳送："+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傳送資訊輸入區域
124                        btnSend.setDisable(true);//傳送bye後禁用傳送按鈕
125                        //結束服務後再次啟用連線按鈕
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         //窗體關閉響應的事件,點選右上角的×關閉,客戶端也關閉
142         primaryStage.setOnCloseRequest(event -> {
143             try {
144                 exit();
145             } catch (InterruptedException e) {
146                 e.printStackTrace();
147             }
148         });
149  
150  
151         //資訊顯示區滑鼠拖動高亮文字直接複製到資訊輸入框，方便選擇檔名
152         //taDispaly為資訊選擇區的TextArea，tfSend為資訊輸入區的TextField
153         //為taDisplay的選擇範圍屬性新增監聽器，當該屬性值變化(選擇文字時)，會觸發監聽器中的程式碼
154         taDisplay.selectionProperty().addListener(((observable, oldValue, newValue) -> {
155             //只有當滑鼠拖動選中了文字才複製內容
156             if(!taDisplay.getSelectedText().equals(""))
157                 tfSend.setText(taDisplay.getSelectedText());
158         }));
159     }
160  
161     private void exit() throws InterruptedException {
162         if (UDPClient!=null){
163             //向伺服器傳送關閉連線的約定資訊
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 }

View Code

重點在各個控制元件的事件處理邏輯上，需避免要一些誤操作導致異常丟擲，如：連線伺服器前禁用傳送按鈕，在連線伺服器成功後禁用連線按鈕，禁用輸入區等。另外，實現了回車傳送的快捷功能，詳見程式碼的鍵盤事件繫結部分。（注：這裡的UDP連線應該視為初始化，不屬於連線伺服器，相當於我們發郵件時候填寫對方的地址一樣）

還有，約定傳送"bye"或者退出按鈕結束通訊關閉Socket。

成功連線後：

3、建立伺服器端

伺服器端為客戶端提供服務，實現通訊。這裡包括了幾個方法Service(),udpSend()和udpReceive().

首先，我將UDP資料包傳送和接收寫成一個方法，作為整體方便多次呼叫。

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);
}

與TCP的Socket通訊不同，需要將資料轉化成位元組資料形式，封裝成資料包進行傳輸，接收時解析資料為位元組，再進行讀取。

伺服器端核心部分為Service()方法，例項化一個DatagramSocket類套接字，實現迴圈與客戶端的通訊。

與客戶端約定的結束標誌"bye"進行處理，結束對話。

    public void Service() throws IOException {
        try {
            socket = new DatagramSocket(port);
            System.out.println("伺服器建立成功，埠號：" + socket.getLocalPort());
 
            while (true) {
 
                //伺服器接收資料
                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()+"內容："+msg);
 
                if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) {
                    udpSend("來自伺服器訊息：伺服器斷開連線，結束服務！",ipR,portR);
                    System.out.println(receivePacket.getSocketAddress()+"的客戶端離開。");
                    continue;
                }
                System.out.println("建立連線："+receivePacket.getSocketAddress());
 
                String now = new Date().toString();
                String hello = "From 伺服器：&" + now + "&" + msg;
                udpSend(hello,ipR,portR);
 
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

四、伺服器端和客戶端完整程式碼

伺服器端：

 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("伺服器啟動監聽在" + port + "埠...");
15     }
16  
17     public void Service() throws IOException {
18         try {
19             socket = new DatagramSocket(port);
20             System.out.println("伺服器建立成功，埠號：" + socket.getLocalPort());
21  
22             while (true) {
23  
24                 //伺服器接收資料
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()+"內容："+msg);
32  
33                 if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) {
34                     udpSend("來自伺服器訊息：伺服器斷開連線，結束服務！",ipR,portR);
35                     System.out.println(receivePacket.getSocketAddress()+"的客戶端離開。");
36                     continue;
37                 }
38                 System.out.println("建立連線："+receivePacket.getSocketAddress());
39  
40                 String now = new Date().toString();
41                 String hello = "From 伺服器：&" + 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 }

View Code

客戶端：

 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     //用於接收資料的報文位元組陣列快取最最大容量，位元組為單位
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         //建立UDP套接字，系統隨機選定一個未使用的UDP埠繫結
19         socket=new DatagramSocket();
20  
21     }
22  
23     //定義一個資料的傳送方法
24     public void send(String msg){
25         try {
26             //將待傳送的字串轉為位元組陣列
27             byte[] outData=msg.getBytes("utf-8");
28             //構建用於傳送的資料包文，構造方法中傳入遠端通訊方（伺服器）的ip地址和埠
29             DatagramPacket outPacket=new DatagramPacket(outData,outData.length,remoteIP,remotePort);
30             //給UDP傳送資料包
31             socket.send(outPacket);
32         }catch (IOException e){
33             e.printStackTrace();
34         }
35     }
36  
37     public String receive(){
38         String msg;
39         //準備空的資料包文
40         DatagramPacket inPacket=new DatagramPacket(new byte[MAX_PACKET_SIZE],MAX_PACKET_SIZE);
41         try {
42             //讀取報文，阻塞語句，有資料就裝包在inPacket報文中，以裝完或裝滿為止
43             socket.receive(inPacket);
44             //將接收到的位元組陣列轉為對應的字串
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 }