基于Android平台利用UDP广播/多播数据传输研究

前言

很久没更新技术文章了,先更新一篇对于UDP多播研究的文章。

UDP广播与多播

在之前学习计算机网络课程时,了解到了TCP网络以及UDP网络,TCP是需要进行三次握手的可靠网络,而UDP则是不可靠的传输方式。但是不可靠并不意味着UDP就是没有用的传输方式,例如腾讯的QQ客户端传输以及一些网络游戏中的数据传输都是用了UDP协议。因为不需要建立连接,客户端可以直接向服务器发送信息,客户端只需要给出服务器的IP地址以及端口号,然后将信息封装到报文当中,就不需要再管其他,不像TCP那样需要等待服务器返回报文。服务器可能不存在或者能否收到相应的报文,UDP协议中客户端根本不用管。

之前学习了UDP实践过一对一的单播程序,但是鲜有接触一对多的服务:广播(broadcast)、多播(multicast)。经过查阅相关资料以及研究,发现广播中网络中所有主机都会接受一份数据副本,而多播只会发送到一个多播地址,由地址转发给需要接受该数据的主机。

UDP广播

UDP广播与单播的最大区别在于IP地址不同,广播使用的预留的255.255.255.255地址,通过这一广播地址消息会被发送到该网络上的所有网络主机上。并且通过查阅资料,其实广播地址分为以下四种:

  • 有限广播,有限广播的地址设为255.255.255.255。并且使用了该广播地址的是不会被路由器转发的,因为如果路由器转发了广播信息,那么网络上的所有器都会进行链式传播,引发网络瘫痪。在指定给本地网络的广播数据包时,目的地址的网络标识部分和主机标识部分全都是1(255.255.255.255)。在任何情况下,路由器都不转发目的地址为有限广播地址的数据报,这样的数据报仅出现在本地网络中
  • 非定向广播,这种地址的形式为“netid.255.255.255。”如126.255.255.255。网络使用非定向广播向特定网段上的所有主机发送数据包!
  • 子网定向广播,在划分为子网的网络中,子网定向广播地址限于表示特定子网上的主机。
  • 全部子网定向广播,在划分为子网的internet网络中,网络设备可以使用全部子网定向广播地址向所有子网的主机发送广播消息。这一类型的地址现在已经基本不使用了,而由D类组播地址所取代 。

我理解的是广播多应用于网络游戏中处于同一本地网络客户端之间的信息交流,意思就是游戏中常用的大喇叭、或者是对所有人说话,但是还是需要指定主机的端口号,不可能主机的所有端口都会监听。

UDP多播

多播和广播类似,指定接受者的端口号,并且地址范围是224.0.0.0至239.255.255.255,由于其和广播类似,接下来例子就以UDP多播来实现Android平台上的发送与接收。

经过研究与查阅资料,发现Java上实现多播需要用到MulticastSocket类,其实该类就是DatagramSocket的子类,在使用时除了多播自己的一些特性外,把它当做DatagramSocket类使用就可以了。

首先是利用多播发送数据:

public class MultiCastClientActivity extends AppCompatActivity {

    private static final String TAG = "MultiCastClientActivity";

    private MulticastSocket mSocket;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_multi_cast_client);
        startService(new Intent(this, MultiCastService.class));
        startService(new Intent(this, MulticastServiceB.class));
        try {
            mSocket = new MulticastSocket(UDPConstant.PORT);
            mSocket.setTimeToLive(UDPConstant.TTLTIME);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void sendMulticast(View view) {
        new SendThread().start();
    }

    private class SendThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            DatagramPacket datagramPacket = null;
            byte[] data = "hello world!".getBytes();
            try {
                InetAddress address = InetAddress.getByName(UDPConstant.IP_ADDRESS);
                if (!address.isMulticastAddress()) {
                    throw new NoMulticastException();
                }
                datagramPacket = new DatagramPacket(data, data.length, address, UDPConstant.PORT);
                mSocket.send(datagramPacket);
//                mSocket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

大概步骤是:

  1. 建立多播的socket
  2. 设置端口以及TTL(避免延时导致等待循环)
  3. 当需要发送的packet时,建立一个DatagramPacket并且设置好相应的多播地址以及数据,然后利用socket进行发送数据。

我在这里建立了两个Service充当网络上的主机,就拿其中一个service拿演示:

public class MultiCastService extends Service {

    private static final String TAG = "MultiCastService";

    private MulticastSocket mSocket;
    private InetAddress mAddress;

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        try {
            mAddress = InetAddress.getByName(UDPConstant.IP_ADDRESS);

            if (!mAddress.isMulticastAddress()) {
                throw new NoMulticastException();
            }

            mSocket = new MulticastSocket(UDPConstant.PORT);
            mSocket.setTimeToLive(UDPConstant.TTLTIME);
            mSocket.joinGroup(mAddress);
            new WorkThread().start();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Nullable
    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return null;
    }

    private class WorkThread extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(buffer, 1024);
            while (true) {
                try {
                    mSocket.receive(datagramPacket);
                    String result = new String(buffer,0,datagramPacket.getLength());
                    Log.i(TAG, "run: " + result);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }

        }
    }
}

基本流程如下:

  1. 同样是建立一个MulticastSocket来进行监听
  2. 然后让其加入到多播网段组当中。
  3. 让其开启对packet的监听,当接收到多播时,便可拿到数据并打印出来。

当触发发送事件时,得到的结论与预期是一致的,结果如下:

02-11 11:42:36.811 24526-24565/com.nickming.tcpudpdemo I/MulticastServiceB: run: hello world!
02-11 11:42:36.811 24526-24564/com.nickming.tcpudpdemo I/MultiCastService: run: hello world!

两个service都能够收到相应的发送的数据。证明这个多播的方案是可行的,由于多播具有广播所有的优点,并且使用起来更方便,所以UDP多播作为Android上的数据传输还是很方便的。

需要说到的是广播的话只需要将其中的地址改为255.255.255.255便可改为广播方式发送数据。

小结

利用UDP多播,我们可以轻松的在Android平台上实现局域网内的文件传输、视频聊天、广播聊天等功能。例如像实现IPC通信,在同一局域网的环境下就可以利用TCP或者UDP来实现,比用AIDL等方式要方便些。还有系统里面也有一些功能也是利用多播实现的,例如像WifiManager.MulticastLock就可以发送packet来改变wifi的状态。总而言之,UDP多播在Android平台上还是有很多用途的。

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