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1、TCP与UDP通信协议
网络传输层协议有两种，一种是TCP，另外一种是UDP。
TCP是一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输。TCP通过三次握手建立连接，并通过确认和重传机制，保证数据的完整性和可靠性。TCP适用于对数据准确性要求较高、对实时性要求较低的应用场景，如网页浏览、文件传输等。
UDP是一种无连接的协议，不保证数据的可靠性传输。UDP通过尽力交付数据包的方式进行传输，不对数据包的传输状态进行确认和重传，因此速度较快。UDP适用于对实时性要求较高、对数据准确性要求较低的应用场景，如视频传输、语音通信等。
那么，这两种有哪些区别呢？请看下面：
- 连接方式：UDP是无连接的，TCP是面向连接的；
- 可靠性：UDP不保证数据的可靠性传输，TCP保证数据的可靠传输；
- 速度：UDP传输速度较快，TCP传输速度较慢；
- 传输方式：UDP采用尽力交付的方式传输数据包，不进行确认和重传；TCP通过确认和重传机制保证数据的完整性和可靠性；
- 开销：UDP的开销较低，TCP的开销较高。
总结：我们可以根据具体的应用场景和需求选择使用UDP或TCP进行数据传输。如果对数据的实时性要求较高，且对数据准确性要求较低，可以选择使用UDP。如果对数据的准确性要求较高，可以选择使用TCP。
2、游戏行业选择的通信协议
游戏由于对数据的准确性（不允许丢包，乱序）非常高，一般都是选择基于TCP的socket通信。但UDP的低时延，快速传输对实时性要求非常高的游戏类型也是非常大的吸引力。据说，魔兽世界以及Dota2使用UDP开发。当然，使用udp通信的游戏肯定在通信层做了适配，保证关键数据不丢包，不乱序。
近年来，基于UDP协议的KCP（Kuai Control Protocol，快速可靠传输协议），也得到了快速的发展。据说，原神是使用KCP通信的。
3、Netty使用UDP协议
netty使用udp协议，网上的例子都是非常简单的。都是两个类搞定。没有解决以下几个问题：
- 如何与现有网络框架适配（支持私有协议栈，支持javabean，不单单是字符串）
- 如何主动与客户端通信（不再是客户端发一个消息，服务器直接推送一个回包）
本文主要就这两个问题进行案例说明。
3.1、netty数据包载体
udp是无连接的，这意味着通信双方无需像TCP那般“三次握手四次释放”。只要知道对方的socket地址（Ip+Port），即可发送数据，发完即终止。在Netty里，udp的通信载体叫做DatagramPacket，负责将数据（ByteBuf）从源头发送到目的地。
public class DatagramPacket extends DefaultAddressedEnvelope<ByteBuf, InetSocketAddress> implements ByteBufHolder { public DatagramPacket(ByteBuf data, InetSocketAddress recipient) { super(data, recipient); } public DatagramPacket(ByteBuf data, InetSocketAddress recipient, InetSocketAddress sender) { super(data, recipient, sender); } }3.2私有协议栈编解码
3.2.1、通信基类
而我们的网络底层通信是基于javabean的，因此定义我们的消息基类如下：
public class UdpMessage implements Message { private String senderIp; private int senderPort; private String receiverIp; private int receiverPort; }3.2.2、私有协议栈消息编码
我们将私有协议栈定义为 包头（消息类型id），包体（具体消息经编码后的字节数组）。将自定义消息UdpMessage转为DatagramPacket。
public class UdpProtocolEncoder extends MessageToMessageEncoder<UdpMessage> { private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger("socketserver"); private final MessageFactory messageFactory; private final MessageCodec messageCodec; public UdpProtocolEncoder(MessageFactory messageFactory, MessageCodec messageCodec) { this.messageFactory = messageFactory; this.messageCodec = messageCodec; } @Override protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, UdpMessage message, List<Object> out) throws Exception { // ----------------protocol pattern------------------------- // packetLength | cmd | body // int int byte[] int cmd = messageFactory.getMessageId(message.getClass()); try { byte[] body = messageCodec.encode(message); //消息内容长度 ByteBuf buf = Unpooled.buffer(body.length+4); // 写入cmd类型 buf.writeInt(cmd); buf.writeBytes(body); out.add(new DatagramPacket(buf, new InetSocketAddress(message.getReceiverIp(), message.getReceiverPort()))); } catch (Exception e) { logger.error("wrote message {} failed", cmd, e); } } }这里消息pojo编码，使用了jforgame的组件，根据javabean的字段元信息，自动编码为byte数组。
依赖申明如下：
<dependency> <groupId>io.github.jforgame</groupId> <artifactId>jforgame-codec-struct</artifactId> <version>1.1.0</version> </dependency>3.2.3、私有协议栈消息解码
私有协议栈解码负责将数据包DatagramPacket转为UdpMessage。将底层数据流转为ByteBuf之后，还需要将字节数据进行解码，才可以转换为应用程序认识的消息。
public class UdpProtocolDecoder extends MessageToMessageDecoder<DatagramPacket> { private final MessageFactory messageFactory; private final MessageCodec messageCodec; public UdpProtocolDecoder(MessageFactory messageFactory, MessageCodec messageCodec) { this.messageFactory = messageFactory; this.messageCodec = messageCodec; } @Override protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, DatagramPacket msg, List<Object> out) throws Exception { ByteBuf in = msg.content(); int length = in.readableBytes(); int cmd = in.readInt(); byte[] body = new byte[length - 4]; in.readBytes(body); Class<?> msgClazz = messageFactory.getMessage(cmd); out.add(messageCodec.decode(msgClazz, body)); } } 4、服务端代码
4.1、会话管理
服务端会话管理（建立及摧毁），以及消息接受（下文的channelRead方法）。
@ChannelHandler.Sharable public class UdpChannelIoHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { private final static Logger logger = LoggerFactory.getLogger("socketserver"); /** 消息分发器 */ private final SocketIoDispatcher messageDispatcher; public UdpChannelIoHandler(SocketIoDispatcher messageDispatcher) { super(); this.messageDispatcher = messageDispatcher; } @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { Channel channel = ctx.channel(); ChannelUtils.duplicateBindingSession(ctx.channel(), new NSession(channel)); SessionManager.getInstance().buildSession(ChannelUtils.getSessionBy(channel)); System.out.println("socket register " + channel); } @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext context, Object packet) throws Exception { logger.debug("receive pact, content is {}", packet.getClass().getSimpleName()); final Channel channel = context.channel(); IdSession session = ChannelUtils.getSessionBy(channel); messageDispatcher.dispatch(session, packet); } @Override public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { Channel channel = ctx.channel(); System.out.println("socket inactive " + channel); IdSession userSession = ChannelUtils.getSessionBy(channel); messageDispatcher.onSessionClosed(userSession); } }需要注意的是，UDP Socket Server的链接建立，只在启动的时候触发一次。之后，无论有多少个客户端，上文的channelActive都不会再次触发。也就是说，客户端的链接不是一对一的，全局只有一个服务端链接。这点与tcp不同。那么，怎么区分不同的客户端呢？后文例子揭晓。
4.2、消息路由
具体的消息处理（通过消息路由及消息处理器注解）。网关接受到消息之后，自动把消息分发到对应的处理器。类似与springmvc的Controller以及RequestMapper功能。
public class MessageIoDispatcher extends ChainedMessageDispatcher { private MessageHandlerRegister handlerRegister; MessageFactory messageFactory = GameMessageFactory.getInstance(); private MessageParameterConverter msgParameterConverter= new DefaultMessageParameterConverter(messageFactory); public MessageIoDispatcher() { LoginRouter router = new LoginRouter(); this.handlerRegister = new CommonMessageHandlerRegister(Collections.singletonList(router), messageFactory); MessageHandler messageHandler = (session, message) -> { int cmd = GameMessageFactory.getInstance().getMessageId(message.getClass()); MessageExecutor cmdExecutor = handlerRegister.getMessageExecutor(cmd); if (cmdExecutor == null) { logger.error("message executor missed, cmd={}", cmd); return true; } Object[] params = msgParameterConverter.convertToMethodParams(session, cmdExecutor.getParams(), message); Object controller = cmdExecutor.getHandler(); MessageTask task = MessageTask.valueOf(session, session.hashCode(), controller, cmdExecutor.getMethod(), params); task.setRequest(message); // 丢到任务消息队列，不在io线程进行业务处理 GameServer.getMonitorGameExecutor().accept(task); return true; }; addMessageHandler(messageHandler); } @Override public void onSessionCreated(IdSession session) { } @Override public void onSessionClosed(IdSession session) { } }4.3、服务端启动代码
public class UdpSocketServer implements ServerNode { private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger("socketserver"); private EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); protected HostAndPort nodesConfig = HostAndPort.valueOf(8088); public SocketIoDispatcher socketIoDispatcher; public MessageFactory messageFactory; public MessageCodec messageCodec; @Override public void start() throws Exception { try { SessionManager.getInstance().schedule(); Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); bootstrap.group(group) .channel(NioDatagramChannel.class) .handler(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG)) .handler(new ChannelInitializer<DatagramChannel>() { @Override public void initChannel(DatagramChannel ch) throws Exception { ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline(); pipeline.addLast("protocolDecoder", new UdpProtocolDecoder(messageFactory, messageCodec)); pipeline.addLast("protocolEncoder", new UdpProtocolEncoder(messageFactory, messageCodec)); pipeline.addLast(new UdpChannelIoHandler(socketIoDispatcher)); } }); logger.info("socket server is listening at " + nodesConfig.getPort() + "......"); bootstrap.bind(nodesConfig.getPort()).sync().channel().closeFuture().sync(); } catch (Exception e) { logger.error("", e); group.shutdownGracefully(); } } @Override public void shutdown() throws Exception { group.shutdownGracefully(); } public static void main(String[] args) throws Exception { UdpSocketServer udpSocketServer = new UdpSocketServer(); udpSocketServer.messageFactory = GameMessageFactory.getInstance(); udpSocketServer.messageCodec = new StructMessageCodec(); udpSocketServer.socketIoDispatcher = new MessageIoDispatcher(); udpSocketServer.start(); } }5、客户端代码
5.1、客户端启动代码
public class UdpSocketClient extends AbstractSocketClient { private final EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(1); private HostAndPort nativeHostPort; public UdpSocketClient(SocketIoDispatcher messageDispatcher, MessageFactory messageFactory, MessageCodec messageCodec, HostAndPort hostPort) { this.ioDispatcher = messageDispatcher; this.messageFactory = messageFactory; this.messageCodec = messageCodec; this.targetAddress = hostPort; } @Override public IdSession openSession() throws IOException { try { final NioEventLoopGroup nioEventLoopGroup = new NioEventLoopGroup(); Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); bootstrap.channel(NioDatagramChannel.class); bootstrap.group(nioEventLoopGroup); bootstrap.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)); bootstrap.handler(new UdpProtoBufClientChannelInitializer()); ChannelFuture f = bootstrap.connect(new InetSocketAddress(targetAddress.getHost(), targetAddress.getPort()), new InetSocketAddress(nativeHostPort.getHost(), nativeHostPort.getPort())).sync(); IdSession session = new NSession(f.channel()); this.session = session; return session; } catch (Exception e) { group.shutdownGracefully(); throw new IOException(e); } } @Override public void close() throws IOException { this.session.close(); } public void send(UdpMessage message) { message.setSenderIp(nativeHostPort.getHost()); message.setSenderPort(nativeHostPort.getPort()); message.setReceiverIp(targetAddress.getHost()); message.setReceiverPort(targetAddress.getPort()); session.send(message); } class UdpProtoBufClientChannelInitializer extends ChannelInitializer<NioDatagramChannel> { @Override protected void initChannel(NioDatagramChannel ch) throws Exception { ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline(); pipeline.addLast("protocolDecoder", new UdpProtocolDecoder(messageFactory, messageCodec)); pipeline.addLast("protocolEncoder", new UdpProtocolEncoder(messageFactory, messageCodec)); pipeline.addLast(new UdpChannelIoHandler(ioDispatcher)); } } }这里需要注意下：
客户端需要指定端口与服务器通信，这样才能方便消息包携带自己的地址信息。
5.2、测试代码
客户端测试代码如下：
模拟10个玩家登录。读者可自行修改程序。udp是不可靠链接，不保证交付。如果在外网跑，是会出现消息丢包，或者乱序。在本地跑，是不太可能出现这种情况。读者可自行测试，同一个角色发送一大堆消息（附加上次序字段），看服务器收到的消息序号是否完整有序。
private static AtomicLong idFactory = new AtomicLong(1000); public static void main(String[] args) throws Exception { MessageCodec messageCodec = new StructMessageCodec(); GameMessageFactory.getInstance().registeredClassTypes().forEach(Codec::getSerializer); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("----------i=" + i); UdpSocketClient socketClient = new UdpSocketClient(new SocketIoDispatcherAdapter() { @Override public void dispatch(IdSession session, Object message) { System.out.println("receive package ---------" + JsonUtil.object2String(message)); } }, GameMessageFactory.getInstance(), messageCodec, HostAndPort.valueOf(8088)); socketClient.nativeHostPort = HostAndPort.valueOf(8099 + i); socketClient.openSession(); for (int j = 0; j < 1; j++) { ReqLogin req = new ReqLogin(); req.setPlayerId(idFactory.getAndIncrement()); socketClient.send(req); } } }6、游戏服务器示例功能
6.1、demo逻辑
我们以上面的代码，实现一个简单的游戏逻辑。
- 玩家根据服务端的地址进行udp通信。链接建立之后，模拟账号登录逻辑。
- 服务器接收到登录消息之后，立马推送登录成功的协议。
- 服务器每隔一段时间，向所有注册的客户端推送一个消息包。
6.2、登录请求/响应包
@MessageMeta(cmd = 55555) public class ReqLogin extends UdpMessage { private long playerId; }@MessageMeta(cmd = 55556) public class ResPlayerLogin extends UdpMessage { private long playerId; }6.3、登录路由
@MessageRoute public class LoginRouter { @RequestHandler public void reqTime(IdSession session, ReqLogin req) { long playerId = req.getPlayerId(); System.out.println("player login" + playerId); Player player = new Player(); player.setId(playerId); player.setRemoteAddr(HostAndPort.valueOf(req.getSenderIp(), req.getSenderPort())); SessionManager.getInstance().register(playerId, player); ResPlayerLogin resp = new ResPlayerLogin(); resp.setPlayerId(playerId); player.receive(session, resp); } } 其中SessionManager 类缓存服务器的全局session，以及各个客户端环境的通信地址。以及，每隔一段时间主动向客户端推送消息。
public class SessionManager { private static SessionManager inst = new SessionManager(); private ConcurrentMap<Long, Player> id2Players = new ConcurrentHashMap<>(); private IdSession serverSession; public static SessionManager getInstance() { return inst; } public void register(long playerId, Player player) { id2Players.put(playerId, player); } public void buildSession(IdSession session) { serverSession = session; } public void schedule() { SchedulerManager.getInstance().scheduleAtFixedRate(()->{ id2Players.forEach((key, value) -> { ResWelcome push = new ResWelcome(); push.setTime(System.currentTimeMillis()); value.receive(serverSession, push); }); }, TimeUtil.MILLIS_PER_MINUTE, 10*TimeUtil.MILLIS_PER_SECOND); } }需要注意的是，客户端只有在登录成功之后，服务器才能绑定玩家与对应的客户端地址，才能主动推送消息。也就是说，在登录之前，服务器也是无法主动推送消息的，在业务上来说，也是没有意义的。
6.4、客户端测试代码输出
7、总结
udp是一种无连接的协议，t提供不可靠性传输。UDP通过尽力交付数据包的方式进行传输，不对数据包的传输状态进行确认和重传，因此速度较快。UDP适用于对实时性要求较高、对数据准确性要求较低的应用场景。例如，如果语音视频服务。如果游戏服务器确实需要使用udp协议的话，需要在应用层解决丢包乱序问题。
对于乱序，接受方可以先把数据都缓存起来，等一段窗口期的数据接受完毕后再分发给业务层。对于丢包，无论是发送方还是接受方，都需要缓存最近发送的消息。以便用于丢包重传。当然，这只是基本的思路，实际处理起来可能会非常复杂。如果考虑到UDP协议的话，可能KCP会是更好的选择。
