Socket网络编程(二)——UDP快速入门

目录

  • UDP相关概念
    • UDP是什么
    • 为什么不可靠
    • UDP能做什么
    • UDP包最大长度
  • UDP单播、广播、多播概念
    • 1. 单播、广播、多播模型图
    • 2. ip地址分类
    • 3. 子网掩码的作用：
    • 4. 广播地址
    • 5. 网段划分
    • 6. 变长子网掩码
  • UDP核心API
    • API-DatagramSocket
      • Api方法（构造方法）
    • API-DatagramPacket
      • API-DatagramPacket（常用方法）
    • 局域网搜索案例

UDP相关概念

UDP是什么

  • 英语:User Datagram Protocol，缩写为UDP
  • 一种用户数据报协议，又称用户数据报文协议
  • 是一个简单的面向数据报的传输层协议，正式规范为RFC 768
  • 用户数据协议、非连接协议（不可靠协议）

为什么不可靠

  • 它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份
  • UDP在IP数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验（字段)
  • 发送端生产数据，接收端从网络中抓取数据
  • 结构简单、无校验、速度快、容易丢包、可广播

UDP能做什么

  • DNS(域名系统)、TFTP(简单文件传输协议)、SNMP(简单网络管理协议)
  • 视频、音频、普通数据（无关紧要数据）

UDP包最大长度

  • 16位-> 2字节存储长度信息
  • 2个16-1 = 64K-1 = 65536-1 = 65535
  • 自身协议占用:32+32位=64位=8字节
  • 65535-8 = 65507 byte

20240129-162937-0z.png

UDP单播、广播、多播概念

1. 单播、广播、多播模型图

20240131-095225-YI.png

2. ip地址分类

20240131-101516-Kt.png

IP地址分以下五类：

A类 ： 从1.0.0.0 到126.255.255.255 ，适用于大型网络B类 ： 从128.0.0.0到191.255.255.255 ，适用于中型网络C类 ： 从192.0.0.0到223.255.255.255 ，适用于小型网络D类 ： 从224.0.0.0到239.255.255.255，用于组播E类 ： 从240.192.0.0.0到255.255.255.255，用于科研保留A,B,C为常用类别。其中127.x.x.x段地址空间是被保留的回环地址网络部分（网络地址）和主机部分（主机地址）IP地址由2部分组成：网络部分+主机部分IP地址=网络地址+主机地址

3. 子网掩码的作用：

子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。
通俗的说，就是用来分割子网和区分那些ip是同一个网段的，那些不是同一网段的。

①通过子网掩码，就可以判断两个IP在不在一个局域网内部。②子网掩码可以看出有多少位是网络号，有多少位是主机号③其对应的IP地址中网络地址的所有位置都为1，对应于主机地址的所有位置都为0。每一类IP地址都有默认的子网掩码对于A类地址来说，默认的子网掩码是255.0.0.0；对于B类地址来说，默认的子网掩码是255.255.0.0；对于C类地址来说，默认的子网掩码是255.255.255.0。

网络地址就是：把IP地址转成二进制和子网掩码进行与运算
与位运算：0与任何数运算为0,1与1运算为1

示例：一个主机的IP地址是202.112.14.137，掩码是255.255.255.224，要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址

子网掩码255.255.255.224 转二进制：11111111.11111111.11111111.11100000其中网络位部分是27位，主机位部分是5位IP地址202.112.14.137转二进制：11001010 01110000 00001110 10001001IP地址&子网掩码(进行与运算)11001010 01110000 00001110 1000100111111111 11111111 11111111 1110000011001010 01110000 00001110 10000000注：与位运算：0与任何数运算为0,1与1运算为1结果为：202.112.14.128
即网络地址为：202.112.14.128网络地址的主机位全部变成1，10011111，即159 
即广播地址为：202.112.14.159

判断两个IP地址是否为同一个网段，就是分别根据对应的IP地址和子网掩码计算出对应的网络地址，网络地址相同就是在同一个网段，不相同就不在同一个网段，不在同一个网段的ip地址之间无法进行直接通信（无法收到广播消息）。

4. 广播地址

广播地址(Broadcast Address)是专门用于同时向网络中所有工作站进行发送的一个地址。
在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID（主机位） 为全1 的IP 地址为广播地址，广播的分组传送给host ID段所涉及的所有计算机。
例如，对于10.1.1.0 （255.255.255.0 ）网段，其广播地址为10.1.1.255 （255 即为2 进制的11111111 ），当发出一个目的地址为10.1.1.255 的分组（封包）时，它将被分发给该网段上的所有计算机。

5. 网段划分

常见数字：

  2,  4,  8, 16, 32, 64,128,2561,  3,  7, 14, 31, 63,127,255
255,254,252,248,240,224,192,128

大部分的情况下，我们网络中只要不超过254台主机的的话，子网掩码都可以设置成255.255.255.0。
那么超过了254台主机的话怎么办呢？600个ip地址的项目如何设置子网掩码呢？
可以划分vlan，也可以设置成一个大网段。
比如下面这个例子：

假设监控网络中有600个点位，我们现在也不想把它划分vlan（实际项目中大部分是会划分vlan的），假设只想用一个大网段把这600个点位分配ip地址，如何设置ip地址，如何确实子网掩码？

分析：首先我们知道600个点位，可以使用3个254个ip地址段来分配。

可以使用ip段一：192.168.0.1——192.168.0.254ip段二：192.168.1.1——192.168.1.254ip段三：192.168.2.1——192.168.2.254

每个网段有254个ip地址，完全够600个点位用的。
那么问题来了，如果要使这三个ip段在同一个网段内，那么这个大网段共同的子网掩码是多少呢？

将ip地址192.168.1.1转换为二进制11000000 10101000 00000000 00000001将ip地址192.168.1.1转换为二进制11000000 10101000 00000001 00000001将ip地址192.168.2.1转换为二进制11000000 10101000 00000010 00000001转换成了二进制，可以看得出，三个ip段的二进制前面22位的是不变的，那么可以将他们表示成：ip段一：192.168.0.1/22ip段二：192.168.1.1/22ip段三：192.168.2.1/22这种192.168.1.x/22形式的ip地址相信大家平时都见过，就是已经告诉了子网掩码了。也就是说他们共同的子网掩码二进制前面22个都是1。11111111 11111111 11111100 00000000转换成十进制，那就是255.255.252.0，所以他们共同的子网掩码就是255.255.252.0。

注意：子网掩码越精准越好，范围不要太大，不要统一写255.255.0.0，太大的范围在分配ip地址后，容易出现一些掉线故障，实际项目中，不用做这些复杂的运算，熟悉原理过后，看到了IP地址数量基本上就可以写出来。

所以通常：

网段ip地址低于254个，子网掩码可以设置成255.255.255.0网段ip地址低于600个，子网掩码可以设置成255.255.252.0网段ip地址低于1000个，子网掩码可以设置成255.255.248.0

6. 变长子网掩码

定义：变长子网掩码（VLSM）是指一个网络可以用不同的掩码进行配置，将一个网络（网络地址）划分为多个子网，提供更多的灵活性，同时保证在每个子网能够有足够数量的主机。

好处：可变长子网掩码缓解了使用缺省子网掩码导致的地址浪费问题；同时也为企业网络提供了更为有效的偏址方案。

原理：其实变长子网掩码和子网划分类似，一个ip地址的网络位，是通过ip地址与子网掩码进行“与”运算得到的。我们以C类ip地址192.168.1.1为例，C类ip地址的缺省子网掩码为：255.255.255.0，转化为二进制为11111111.11111111.11111111.00000000，可用主机位为2^8-2=254个。
所以可以通过向最后8位借位的方式，将整个192.168.1.0网段划分出更多的网段。但是为什么借位就能划分出更多的网段呢？
通过计算的方式，可以得到结果：

如果我们借1位会出现以下情况：借1位后，子网掩码变成了11111111.11111111.11111111.10000000
255.255.255.128(注：借位时只能从最高位开始借。)此时，我们通过ip地址与子网掩码进行“与”运算的方式，计算192.168.1.1与192.168.1.129的网络位，如下图：

20240227-181330-fi.png
得出的结果转化为10进制 为：192.168.1.0与192.168.1.128，计算出来的结果不同，意味着这两个ip在修改子网掩码后，已经成为两个不同网段的ip地址了。

我们知道了子网掩码借位可以增加网段，相应的主机位会相应减少，具体是多少呢？又如何计算呢？
总结如下：

每当子网掩码借n位，就会将原网段划分为2^n个网段，主机位为2^(8-n) -2  (减2为减去该网段的网络地址与主机位)。例如：借1位，原网段就会被划分为2^1=2个网段，主机位为2^(8-1)-2=126个。此时，我们就可以根据需要的网段，需要的设备进行网段划分了。

举个例子：

主机一：192.168.124.7，子网掩码：255.255.255.192
主机二：192.168.124.100，子网掩码：255.255.255.192
通过计算网络地址，得到广播地址为：
主机一广播地址：192.168.124.63
主机二广播地址：192.168.124.127

因此该两个主题无法广播通信。

UDP核心API

API-DatagramSocket

  • 用于接收与发送UDP的类
  • 负责发送某一个UDP包，或者接收UDP包
  • 不同于TCP，UDP并没有合并到Socket API中
  • 因此UDP发送消息没有服务端和客户端，它既是服务端也是客户端

Api方法（构造方法）

  • DatagramSocket()创建简单实例，不指定端口与IP
  • DatagramSocket(int port)创建监听固定端口的实例
  • DatagramSocket(int port, InetAddress localAddr)创建固定端口指定IP的实例
  • receive(DatagramPacket d):接收
  • send(DatagramPacket d):发送
  • setSoTimeout(int timeout):设置超时，毫秒
  • close():关闭、释放资源

API-DatagramPacket

  • 用于处理报文
  • 将byte数组、目标地址、目标端口等数据包装成报文或者将报文拆卸成byte数组
  • 是UDP的发送实体，也是接收实体

API-DatagramPacket（常用方法）

  • DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddressaddress, int port)
    前面3个参数指定buf的使用区间
    后面2个参数指定目标机器地址与端口

  • DatagramPacket(byte[] buf, int length, SocketAddressaddress)
    前面3个参数指定buf的使用区间
    SocketAddress相当于InetAddress+Port

  • setData(byte[] buf, int offset, int length)

  • setData(byte[] buf)

  • setLength(int length)

  • getData()，getOffset()，getLength()

  • setAddress(InetAddress iaddr)、setPort(int iport)

  • getAddress()、getPort()

  • setSocketAddress(SocketAddress address)

  • getSocketAddress()

局域网搜索案例

需求：
UDP接收消息并回送功能实现
UDP局域网广播发送实现
UDP局域网回送消息实现

步骤如下

  1. 新建一个消息生产和解析类
package cn.kt.SocketDemoL3;public class MessageCreator {private static final String SN_HEADER = "收到暗号，我是（SN）:";private static final String PORT_HEADER = "这是暗号，请回电端口（Port）:";public static String buildWithPort(int port) {return PORT_HEADER + port;}public static int parsePort(String data) {if (data.startsWith(PORT_HEADER)) {return Integer.parseInt(data.substring(PORT_HEADER.length()));}return -1;}public static String buildWithSn(String sn) {return SN_HEADER + sn;}public static String parseSn(String data) {if (data.startsWith(SN_HEADER)) {return data.substring(SN_HEADER.length());}return null;}}
  1. 新建消息提供者客户端
package cn.kt.SocketDemoL3;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.util.UUID;/*** UDP 提供者，用于提供服务*/
public class UDPProvider {public static void main(String[] args) throws IOException {// 生成一份唯一标示String sn = UUID.randomUUID().toString();Provider provider = new Provider(sn);provider.start();// 读取任意键盘信息后可以退出//noinspection ResultOfMethodCallIgnoredSystem.in.read();provider.exit();}private static class Provider extends Thread {private final String sn;private boolean done = false;private DatagramSocket ds = null;public Provider(String sn) {super();this.sn = sn;}@Overridepublic void run() {super.run();System.out.println("UDPProvider Started.");try {// 监听20000 端口ds = new DatagramSocket(20000);while (!done) {// 构建接收实体final byte[] buf = new byte[512];DatagramPacket receivePack = new DatagramPacket(buf, buf.length);// 接收ds.receive(receivePack);// 打印接收到的信息与发送者的信息// 发送者的IP地址String ip = receivePack.getAddress().getHostAddress();int port = receivePack.getPort();int dataLen = receivePack.getLength();String data = new String(receivePack.getData(), 0, dataLen);System.out.println("UDPProvider receive form ip:" + ip+ "\tport:" + port + "\tdata:" + data);// 解析端口号int responsePort = MessageCreator.parsePort(data);if (responsePort != -1) {// 构建一份回送数据String responseData = MessageCreator.buildWithSn(sn);byte[] responseDataBytes = responseData.getBytes();// 直接根据发送者构建一份回送信息DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(responseDataBytes,responseDataBytes.length,receivePack.getAddress(),responsePort);ds.send(responsePacket);}}} catch (Exception ignored) {} finally {close();}// 完成System.out.println("UDPProvider Finished.");}private void close() {if (ds != null) {ds.close();ds = null;}}/*** 提供结束*/void exit() {done = true;close();}}}
  1. 新建消息搜寻者客户端
package cn.kt.SocketDemoL3;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;/*** UDP 搜索者，用于搜索服务支持方*/
public class UDPSearcher {private static final int LISTEN_PORT = 30000;public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {System.out.println("UDPSearcher Started.");Listener listener = listen();sendBroadcast();// 读取任意键盘信息后可以退出//noinspection ResultOfMethodCallIgnoredSystem.in.read();List<Device> devices = listener.getDevicesAndClose();for (Device device : devices) {System.out.println("Device:" + device.toString());}// 完成System.out.println("UDPSearcher Finished.");}private static Listener listen() throws InterruptedException {System.out.println("UDPSearcher start listen.");CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);Listener listener = new Listener(LISTEN_PORT, countDownLatch);listener.start();countDownLatch.await();return listener;}private static void sendBroadcast() throws IOException {System.out.println("UDPSearcher sendBroadcast started.");// 作为搜索方，让系统自动分配端口DatagramSocket ds = new DatagramSocket();// 构建一份请求数据String requestData = MessageCreator.buildWithPort(LISTEN_PORT);byte[] requestDataBytes = requestData.getBytes();// 直接构建packetDatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(requestDataBytes,requestDataBytes.length);// 20000端口, 广播地址requestPacket.setAddress(InetAddress.getByName("255.255.255.255"));requestPacket.setPort(20000);// 发送ds.send(requestPacket);ds.close();// 完成System.out.println("UDPSearcher sendBroadcast finished.");}// 设备实体类private static class Device {final int port;final String ip;final String sn;private Device(int port, String ip, String sn) {this.port = port;this.ip = ip;this.sn = sn;}@Overridepublic String toString() {return "Device{" +"port=" + port +", ip='" + ip + '\'' +", sn='" + sn + '\'' +'}';}}private static class Listener extends Thread {private final int listenPort;private final CountDownLatch countDownLatch;private final List<Device> devices = new ArrayList<>();private boolean done = false;private DatagramSocket ds = null;public Listener(int listenPort, CountDownLatch countDownLatch) {super();this.listenPort = listenPort;this.countDownLatch = countDownLatch;}@Overridepublic void run() {super.run();// 通知已启动countDownLatch.countDown();try {// 监听回送端口ds = new DatagramSocket(listenPort);while (!done) {// 构建接收实体final byte[] buf = new byte[512];DatagramPacket receivePack = new DatagramPacket(buf, buf.length);// 接收ds.receive(receivePack);// 打印接收到的信息与发送者的信息// 发送者的IP地址String ip = receivePack.getAddress().getHostAddress();int port = receivePack.getPort();int dataLen = receivePack.getLength();String data = new String(receivePack.getData(), 0, dataLen);System.out.println("UDPSearcher receive form ip:" + ip+ "\tport:" + port + "\tdata:" + data);String sn = MessageCreator.parseSn(data);if (sn != null) {Device device = new Device(port, ip, sn);devices.add(device);}}} catch (Exception ignored) {} finally {close();}System.out.println("UDPSearcher listener finished.");}private void close() {if (ds != null) {ds.close();ds = null;}}List<Device> getDevicesAndClose() {done = true;close();return devices;}}
}

运行结果：
提供者发送暗号
20240228-133900-FT.png

搜索者收到暗号
20240228-133939-2b.png

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