Android - 基於TCP和UDP Socket通訊講解

前言

許多專案都使用網路通訊協議傳送資料，除了與網站後端通訊之外，裝置與裝置之間的網路通訊也非常重要，所以網絡協議是必須掌握的知識，TCP/IP 中最具代表性的傳輸層協議分別為 TCP 與 UDP，根據不同專案的功能需求使用TCP或UDP通訊協定，同時，跨平台與手機App進行互動，本文介紹TCP和UDP相關基礎知識，並提供Android TCP及UDP 簡易聊天室的開發範例。

淺談TCP、UDP

「傳輸控制協定」(Transmission Control Protocol，TCP) 是一種具有可連接性及可靠性的位於傳輸層的位元組傳輸協定，由「網際網路工程任務小組」(Internet Engineer Task Force；IETF)的RFC793制定說明，在開放式系統互聯模型（英語：Open System Interconnection Model，縮寫：OSI；簡稱為OSI模型）為第四層傳輸層的協定，在傳輸資料內加入驗證碼，當對方收到後，依據此驗證碼，回傳對應的確認訊息，發送端再繼續下一筆資料封包的傳送，若對方未及時傳回確認訊息，封包就重新發送一次，以確保資料傳輸的完整性，為了確保每一個封包都可在目的端依照順序接受到，在每一個位元組前給一個序號(ISN)，且每一筆封包都會進行Check Sum確保資料的正確性及完整性。

「使用者資料流協定」( User Datagram Protocol，UDP) 是屬於一種非可靠性的非連線導向傳輸協定，與TCP同樣屬於OSI第四層傳輸層的協定，負責網路層到應用層間的傳輸功能，而UDP跟TCP不同的地方，UDP只提供資料的不可靠傳遞，當封包發送出去，並不保留資料備份，所以傳輸過程中掉封包並不會有重新傳送封包的動作，且UDP不需大量的欄位，相較於TCP的負載少，適用於一些資料量大、具時效性及資料正確性要求較低的應用。

TCP與UDP介紹與比較表

範例製作：簡易聊天室

範例為實作一個客戶端和伺服器的簡易聊天系統，訊息的傳送和接收是基於TCP協議。

程式碼通訊流程如下圖：

Manifest權限設定：

android.permission.INTERNET
android.permission.ACCESS_WIFI_STATE

Android TCP函式介紹

ServerSocket：

ServerSocket(int port)：建構監聽指定Port，Port範圍介於1024~65535，其中0~1023為系統保留不可使用，建構時必須注意，避免發生衝突。
accept()：客戶端的Socket未發出連線請求，伺服器就會一直等待，直到客戶端發送連線請求，請求成功後返回一個與客戶端對應的服務端Socket，如果設置Timeout時間，當伺服器等待的時間超過了超時時間,就會拋出異常SocketTimeoutException。
setSoTimeout：設置accept()超實時間，以毫秒為單位。
isClosed()：查詢連接是否已關閉。
close()：關閉此ServerSocket。

Socket：

Socket(String host, int port) ：建構一個串流，連接到指定的主機位置及指定Port。
isConnected()：是否連線。
getInputStream()：取得Socket輸入流，用於接收送過來的資料。
getOutputStream()：取得Socket輸出流，發送資料。
getInetAddress().getHostAddress()：取得客戶端的IP位置。

Android TCP Server端

建立ServerSocket，並執行accept()，這裡執行緒會阻塞等待Client端連線，當連線完成後輸出Socket，透過Socket將getInputStream及getOutputStream建立，如此即可完成送收資料流，資料接收端則使用While迴圈判斷reader.readLine()的資料是否為Null，若是則跳開。

TCP Client端

建立Socket連接指定IP及Port，判斷是否連線，若連線成功則在螢幕顯示“Connected”，並透過Socket將getInputStream及getOutputStream建立，如此即可完成送收資訊流，資料接收端則使用While迴圈判斷reader.readLine()的資料是否為Null，若是則跳開。

TCP簡易聊天室執行畫面
圖左為Server伺服器端，圖右為Client客戶端。

接下來實現一個簡易聊天系統，訊息的傳送和接收是基於UDP協議，使用者不需要輸入IP，但需要對應指定Port（範例設定為8085）做發送與接收。

Android UDP函式介紹

DatagramSocket：

DatagramSocket()：綁定到本地主機上任何可用的端口。
DatagramSocket(int port)：綁定到本機IP位置及指定埠。
DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)：綁定到指定IP位置及指定埠。
receive(DatagramPacket p)：接收資料封包。
send(DatagramPacket p)：發送資料封包。

DatagramPacket

DatagramPacket(byte[] buf,int length)：建構DatagramPacket，負責接收長度為length的數據封包。
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress addr, int port)：建構DatagramPacket，發送資料長度為length至指定IP位置和指定Port。

UDP完成數據的接收

由於UDP無明顯的Server端與Client端，一開始執行程式直接開啟接收執行緒，建立DatagramSocket監聽Port，範例Port設定為8085，並且使用While迴圈內包含DatagramPacket接收UDP廣播封包資料，並將資料顯示於畫面中。

UDP完成數據的發送

建立DatagramSocket用於發送DatagramPacket封包，DatagramPacket建立設定封包、封包長度、IP、指定Port（範例設定為8085），DatagramPacket建立完成後透過DatagramSocket發送廣播封包。

UDP簡易聊天室執行畫面

小結

開發相關產品時，需要清楚自身需求選用適合的通訊協議，TCP連接只能是點到點，並提供安全可靠服務，通過TCP傳送數據，不丟包、不重複，且按序到達，應用於瀏覽器使用HTTP、Outlook使用POP/SMTP、指令傳輸及文件傳輸。UDP支持一對一，一對多，多對一和多對多的交互通信，通過UDP傳送數據，不安全、會丟包及重複數據，應用於語音通話、多媒體及網路視訊等。

GitHub程式網址：https://github.com/s801210/AndroidTcpUdpDemo.git

參考資料

維基百科：傳輸控制協定(TCP)

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%A0%E8%BE%93%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%8D%8F%E8%AE%AE

維基百科：用戶資料報協定(UDP)

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%8A%A5%E5%8D%8F%E8%AE%AE

維基百科：TCP/UDP埠列表

https://zh.wikipedia.org/wiki/TCP/UDP%E7%AB%AF%E5%8F%A3%E5%88%97%E8%A1%A8

Android 開發人員 Docs：Socket

https://developer.android.com/reference/java/net/Socket