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Java網(wǎng)絡(luò)編程（3）：使用 UDP 探測局域網(wǎng)內(nèi)特定類型的機器

focusj / 1936人閱讀

摘要：那沒有建立連接的情況下，發(fā)現(xiàn)房間這個功能是怎么實現(xiàn)的呢首先，既然手機處于局域網(wǎng)中，那么根據(jù)手機當前在局域網(wǎng)的地址和子網(wǎng)掩碼，就可以獲得這個局域網(wǎng)內(nèi)所有機器的地址的范圍。

記得以前我們使用類似“快牙”這些文件分享工具的時候，一開始就是先在 手機A 上創(chuàng)建一個“房間”，然后連接上 手機A WiFi 熱點的其他手機（即這些手機處于一個局域網(wǎng)內(nèi)）就可以發(fā)現(xiàn)到這個房間并加入到這個房間里面，然后就可以互相分享文件了。那沒有建立連接的情況下，“發(fā)現(xiàn)房間”這個功能是怎么實現(xiàn)的呢？
首先，既然 手機A 處于局域網(wǎng)中，那么根據(jù) 手機A 當前在局域網(wǎng)的 IP 地址和子網(wǎng)掩碼，就可以獲得這個局域網(wǎng)內(nèi)所有機器的 IP 地址 的范圍。如果在沒有建立連接的情況下，手機A 就可以給這個范圍內(nèi)的每個 IP 地址都發(fā)送一個消息 —— 那么如果某個 IP 地址的機器（設(shè)為 手機B）會對這個消息做出回應(yīng)，便說明 手機B 是 手機A 的“自己人”，那么 手機A 便可以告訴 手機B 它在當前的局域網(wǎng)建了一個“房間”，房間號是個啥，然后 手機B 可以選擇是否加入到這個“房間”。

在Java網(wǎng)絡(luò)編程（1）中，我們已經(jīng)知道可以使用 NetworkInterface 來獲得機器在局域網(wǎng)內(nèi) IP 地址；

在Java網(wǎng)絡(luò)編程（2）中，我們知道使用 UDP，便可以在不建立連接的情況下，直接向某個 IP 地址發(fā)送消息；

如果每次都是遍歷這個局域網(wǎng)內(nèi)所有的 IP 地址，并使用 UDP 向每個 IP 發(fā)送消息，那樣就有點麻煩了。事實上，我們可以使用廣播。每個局域網(wǎng)都有一個對應(yīng)的廣播地址，向廣播地址發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備（比如路由器）時，網(wǎng)關(guān)設(shè)備會向局域網(wǎng)的每臺設(shè)備發(fā)送一份該數(shù)據(jù)包的副本。通過 IP 和子網(wǎng)掩碼計算廣播地址的方法簡單的形容就是 （IP地址）|（~子網(wǎng)掩碼）—— 將子網(wǎng)掩碼按位取反再和IP地址進行或運算，比如當前機器在局域網(wǎng)內(nèi)的地址為 192.168.1.3，子網(wǎng)掩碼為 255.255.255.0（取反后為 0.0.0.255），那么廣播地址為 192.168.1.255。廣播也是在不建立連接的情況下就發(fā)送數(shù)據(jù)，所以廣播不能通過 TCP 實現(xiàn)，只能是 UDP。在 Java 中，通過 UDP 進行廣播和單播（即只向一個 IP 地址發(fā)送數(shù)據(jù)包）的程序幾乎沒有區(qū)別，只是地址由一個特定的單播地址（如 192.168.1.3)變?yōu)榱似鋵?yīng)的廣播地址（192.168.1.255）。

現(xiàn)在讓我們來實現(xiàn)下面的功能：
1、Broadcaster 創(chuàng)建一個房間，并每隔 1 秒向局域網(wǎng)廣播一個特定的消息；
2、同一個局域網(wǎng)的 Device 如果收到了 3 次這個特定的消息，之后便向 Broadcaster 發(fā)送加入房間的消息；
3、Broadcaster 收到 Device 請求加入房間的消息后，將 Device 加入房間。

首先定義發(fā)送者類和接收者類，他們都實現(xiàn)了 Runnable，分別可以用來發(fā)送和接收：

Sender.java

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class Sender implements Runnable {

    private static final byte[] EMPTY_DATA = new byte[0];

    private final DatagramSocket socket;
    private final SocketAddress broadcastAddress;
    private final long sendingInterval; // unit is ms

    public Sender(DatagramSocket socket,
            SocketAddress broadcastAddress, int sendingInterval) {
        this.socket = socket;
        this.broadcastAddress = broadcastAddress;
        this.sendingInterval = sendingInterval;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            byte[] data = getNextData();
            if (data == null || data.length == 0) {
                break;
            }

            DatagramPacket outPacket = new DatagramPacket(
                    data, data.length, broadcastAddress);
            try {
                socket.send(outPacket);
                System.out.println("Sender: Data has been sent");

                Thread.sleep(sendingInterval);
            } catch (IOException | InterruptedException ex) {
                System.err.println("Sender: Error occurred while sending packet");
                break;
            }

        }
        System.out.println("Sender: Thread is end");
    }

    /**
     * 獲得下一次發(fā)送的數(shù)據(jù)

     * 子類需要重寫這個方法，返回下一次要發(fā)送的數(shù)據(jù)
     *
     * @return 下一次發(fā)送的數(shù)據(jù)
     */
    public byte[] getNextData() {
        return EMPTY_DATA;
    }
}

Receiver.java

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class Receiver implements Runnable {

    private final int BUF_SIZE = 512;

    private final DatagramSocket socket;

    public Receiver(DatagramSocket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        byte[] inData = new byte[BUF_SIZE];
        DatagramPacket inPacket = new DatagramPacket(inData, inData.length);

        while (true) {
            try {
                socket.receive(inPacket);
                if (!handlePacket(inPacket)) {
                    break;
                }
            } catch (IOException ex) {
                System.out.println("Receiver: Socket was closed.");
                break;
            }
        }
        System.out.println("Receiver: Thread is end");
    }

    /**
     * 處理接收到的數(shù)據(jù)報

     * 子類需要重寫這個方法，處理接收到的數(shù)據(jù)包，并返回是否繼續(xù)接收
     *
     * @param packet 接收到的數(shù)據(jù)報
     * @return 是否需要繼續(xù)接收
     */
    public boolean handlePacket(DatagramPacket packet) {
        return false;
    }
}

然后我們定義 Device 和 Broadcaster：

Device.java

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class Device {

    private static final int DEFAULT_LISTENING_PORT = 10000;

    private final InetAddress address;
    private final int port;

    private DatagramSocket socket;

    public Device(int port) throws IOException {
        this.port = port;
        this.address = InetAddress.getLocalHost();
    }

    public Device(InetAddress address, int port) {
        this.address = address;
        this.port = port;
    }

    public void start() throws SocketException, InterruptedException {
        System.out.println("Device has been started...");
        InetAddress lanAddr = LANAddressTool.getLANAddressOnWindows();
        if (lanAddr != null) {
            System.out.println("Device: LAN Address: " + lanAddr.getHostAddress());
        }

        socket = new DatagramSocket(port);
        Receiver receiver = new Receiver(socket) {
            int recvCount = 0;

            @Override
            public boolean handlePacket(DatagramPacket packet) {
                String recvMsg = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
                if ("ROOM".equals(recvMsg)) {
                    System.out.printf("Device: Received msg "%s"
", recvMsg);
                    recvCount++;
                    if (recvCount == 3) {
                        byte[] data = "JOIN".getBytes();
                        DatagramPacket respMsg = new DatagramPacket(
                                data, data.length, packet.getSocketAddress()); // 此時 packet 包含了發(fā)送者地址和監(jiān)聽端口
                        try {
                            socket.send(respMsg);
                            System.out.println("Device: Sent response "JOIN"");
                        } catch (IOException ex) {
                            ex.printStackTrace(System.err);
                        }
                        return false; // 停止接收
                    }
                }
                return true;
            }
        };

        Thread deviceThread = new Thread(receiver);
        deviceThread.start(); // 啟動接收數(shù)據(jù)包的線程
        deviceThread.join();

        close();

        System.out.println("Device has been closed.");
    }

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

    @Override
    public String toString() {
        return "Device {" + "address=" + address + ", port=" + port + "}";
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Device device = new Device(DEFAULT_LISTENING_PORT);
        device.start();
    }
}

Broadcaster.java

import java.net.*;

public class Broadcaster {

    private static final int DEFAULT_BROADCAST_PORT = 10000;

    private final InetAddress bcAddr;
    private final int bcPort;

    private DatagramSocket socket;

    public Broadcaster(InetAddress broadcastAddress, int broadcastPort) {
        this.bcAddr = broadcastAddress;
        this.bcPort = broadcastPort;
    }

    public void start() throws SocketException, InterruptedException {
        System.out.println("Broadcaster has been started...");

        final Room room = new Room("Test");
        System.out.printf("Broadcaster: Created room "%s"

", room.getName());

        socket = new DatagramSocket();
        SocketAddress bcSocketAddr = new InetSocketAddress(bcAddr, bcPort);

        Sender sender = new Sender(socket, bcSocketAddr, 1000) {// 每隔 1000ms 廣播一次
            final byte[] DATA = "ROOM".getBytes();

            @Override
            public byte[] getNextData() {
                return DATA;
            }
        };

        Receiver recver = new Receiver(socket) {

            @Override
            public boolean handlePacket(DatagramPacket packet) {
                String recvMsg = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
                if ("JOIN".equals(recvMsg)) {
                    Device device = new Device(packet.getAddress(), packet.getPort());
                    room.addDevice(device);
                    room.listDevices();
                }
                return true; // 一直接收
            }
        };

        Thread senderThread = new Thread(sender);
        Thread recverThread = new Thread(recver);
        senderThread.start(); // 啟動發(fā)送（廣播）數(shù)據(jù)包的線程
        recverThread.start(); // 啟動接收數(shù)據(jù)包的線程

        senderThread.join();
        recverThread.join();

        close();
    }

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

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InetAddress bcAddr = LANAddressTool.getLANBroadcastAddressOnWindows();

        if (bcAddr != null) {
            System.out.println("Broadcast Address: " + bcAddr.getHostAddress());
            Broadcaster broadcaster = new Broadcaster(bcAddr, DEFAULT_BROADCAST_PORT);
            broadcaster.start();
        } else {
            System.out.println("Please check your LAN~");
        }
    }
}

Room.java

import java.util.*;

public class Room {

    private final String name;
    private final List devices;

    public Room(String name) {
        this.name = name;
        this.devices = new ArrayList<>();
    }

    public boolean addDevice(Device device) {
        return devices.add(device);
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void listDevices() {
        System.out.printf("Room (%s), current devices:
", name);
        for (Device device : devices) {
            System.out.println(device);
        }
    }
}

（完整的 Demo 可以訪問：https://github.com/mizhoux/LA...）

我們將這個 Demo 打包成 jar，然后開始運行：
1、首先我們在本機上啟動 Broadcaster：

2、我們將本機作為一個 Device 啟動：

可以看到此時 Broadcaster 創(chuàng)建的房間已經(jīng)有了一個 Device：

3、我們啟動局域網(wǎng)內(nèi)的另外一臺設(shè)備：

此時 Broadcaster 創(chuàng)建的房間便有兩個 Device：

4、再啟動局域網(wǎng)內(nèi)的一臺設(shè)備：

此時房間里則有三個 Device：

因為 UDP 在不需要建立連接的基礎(chǔ)上就可以發(fā)送消息，所以它可以方便的用來探測局域網(wǎng)內(nèi)特定類型的機器 —— 這是個很有用的功能 —— 又比如一個集群當中可能會突然有機器宕機，為了檢測這一事件的發(fā)生，就需要集群 master機器 每隔一定的時間向每臺機器發(fā)送若干心跳檢測包，如果有回復(fù)說明機器正常，否則說明該機器出現(xiàn)了故障，此時不需要連接而且高效的 UDP 就十分適合這種場合。當然，我們始終還是要考慮到 UDP 是不可靠的協(xié)議，它并不能代替 TCP —— 永遠需要根據(jù)環(huán)境，來選擇最合適的技術(shù)。

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