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UDP协议详解+代码演示

backend 2025/5/6 8:13:17

1、UDP协议基础

1. UDP是什么？

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是传输层的核心协议之一，与TCP并列。它的主要特点是：

无连接：通信前不需要建立连接（知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接）
不可靠：不保证数据包的顺序、完整性或可达性（没有确认机制，没有重传机制；如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息）
大小受限：⼀次最多传输64k（UDP协议首部中有⼀个16位的最大长度.也就是说⼀个UDP能传输的数据最大长度是 64K（包含UDP首部））
轻量级：头部开销小（仅8字节）
高效：没有TCP的握手、确认和重传机制

2. UDP报文结构

UDP数据包（称为数据报）由头部和数据部分组成：

源端口号（2字节）：发送方端口
目标端口号（2字节）：接收方端口
数据报长度（2字节）：头部+数据的长度
校验和（2字节）：错误检测（可选）如果校验和出错则直接丢弃

2、UDP的核心特性

1. 无连接通信：UDP不需要预先建立连接，直接发送数据报。这类似于寄信，不需要确认收件人是否在家。

2. 不可靠传输：UDP不提供：数据包确认机制、丢失重传机制、数据包排序功能

3.面向数据报：每个UDP数据报都是独立的，这与TCP的字节流模式不同

4.支持广播和多播：UDP可以向多个主机同时发送数据：

单播：一对一
广播：一对所有
多播：一对一组

3、基于UDP的应用层协议

NFS：网络文件系统
TFTP：简单文件传输协议
DHCP：动态主机配置协议
BOOTP：启动协议(用于无盘设备启动)
DNS：域名解析协议

当然,也包括我们自己写UDP程序时自定义的应用层协议。

4、Java中的UDP编程

主要使用了两个类 :

1、DatagramSocket ：用于发送和接收数据报的套接字

// 创建UDP套接字（绑定随机端口）
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

// 创建绑定特定端口的套接字
DatagramSocket serverSocket = new DatagramSocket(8080);

2、DatagramPacket ：表示UDP数据报的容器

// 创建接收数据包
byte[] buffer = new byte[1024];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

// 创建发送数据包
String message = "Hello UDP";
byte[] data = message.getBytes();
DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(
data,
data.length,
InetAddress.getByName("localhost"),
8080
);

5、完整Java UDP示例

1.Echoserver：UDP服务器，接收客户端消息并原样返回

package Network.UDP;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class Echoserver {//创建一个socket对象private DatagramSocket socket;//构造方法，初始化socket对象public Echoserver(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}//启动服务器，完成主要的业务逻辑public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");while(true) {//1.接收客户端的请求并解析//1)创建一个字节数组（DatagramPacket 对象)，用于存储接收到的数据DatagramPacket reqPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//2)通过receive读取网卡的数据，如果网卡没有收到数据，就会阻塞等待socket.receive(reqPacket);//3)把DATagramPacket中的数据解析成字符串，只需要从DatagramPacket取到有效的树即可String request = new String(reqPacket.getData(),0,reqPacket.getLength());//2.根据请求计算响应String response = process(request);//3.把响应写回客户端//1)把响应字符串转成字节数组，并封装成DatagramPacket对象DatagramPacket resPacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,reqPacket.getSocketAddress());//2)通过socket把DatagramPacket对象发送出去 （把DatagramPacket写回到客户端）socket.send(resPacket);//4.打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s,resp: %s\n",reqPacket.getAddress(),reqPacket.getPort(),request,response);}}//由于是“回显服务器”，所以响应和请求是一样的，直接返回请求即可public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {Echoserver server = new Echoserver(9090);server.start();          //回显服务器完成}
}

代码详细解析：

①创建 EchoServer 服务端的类，定义成员变量

DatagramSocket：UDP通信的核心类，用于发送和接收数据报
封装在类中作为成员变量，整个生命周期内有效

②构造方法

创建绑定到指定端口的 DatagramSocket（可能会抛出异常，如：该端口已被占用）
port 是服务器自身绑定的监听端口号，等待客户端发送数据，客户端需要知道服务器的这个端口号才能向其发送消息。

客户端通过该端口找到服务器，而客户端的端口由系统动态分配。

这种设计体现了 UDP 无连接的特性，服务器只需关注自身绑定端口即可接收所有客户端消息。

③核心业务逻辑(start方法)

while 无限循环接收来自客户端的数据，这里可以根据自己的需求更改接收次数
创建缓冲区：分配一个4096字节（字节大小自行定义不溢出就行）的空数组，存储接收到的数据
阻塞等待数据报到达（数据此时已存入 reqPacket 的字节数组中）如果 reqPacket 没有接收到客户端发来的数据这里会阻塞等待
声明 String 类型的 request 变量，将 reqPacket 中的数据解析为字符串

getData() ：获取字节数组（可能包含多余的空字节）
getLength() ：获取实际有效数据长度（避免解析无效字节）

在网络编程中，将响应（response）转成字节数组（byte[]）再发送是必要的步骤，这与计算机底层的数据传输机制和网络协议的特性密切相关。

process() ：返回响应后的数据，由于整段代码实现的是 Echo(回显) 服务器代码，响应内容=请求内容，所以方法中直接返回请求即可
soclet.send() ：将数据发送回客户端

附上发送回客户端的终端代码

打印日志：打印客户端信息和通信内容

④主方法

new Echoserver(9090) ：调用构造函数，创建绑定到 9090 端口的 DatagramSocket（UDP套接字）
server.start() ：启动服务器循环，等待客户端数据报

2.EchoClient：UDP客户端，发送消息并显示服务器返回的响应

package Network.UDP;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Scanner;public class EchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public EchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {  socket = new DatagramSocket();this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}   //启动客户端,发送数据,接收数据,关闭连接public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("客户端启动！");while(true) {//1.从控制台读取要发送的数据内容(用字符串表示)System.out.print(">");String request = scanner.nextLine(); //2.构造成UDP请求，并发送.不光要填内容，还要填服务器的地址和端口号DatagramPacket reqPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort); socket.send(reqPacket);//3.接收服务器响应的数据DatagramPacket resPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(resPacket);String response = new String(resPacket.getData(),0,resPacket.getLength());//4.把响应的数据解析并打印System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient echoclient = new EchoClient("127.0.0.1",9090);echoclient.start();}
}

详细代码解析：

①创建 EchoClient 客户端的类，定义成员变量