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## 第二章 套接字类型与协议设置
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到，直接点连接可能进不去。
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本章仅需了解创建套接字时调用的 socket 函数。
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### 2.1 套接字协议及数据传输特性
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#### 2.1.1 创建套接字
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```c
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#include <sys/socket.h>
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int socket(int domain, int type, int protocol);
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/*
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成功时返回文件描述符，失败时返回-1
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domain: 套接字中使用的协议族（Protocol Family）
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type: 套接字数据传输的类型信息
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protocol: 计算机间通信中使用的协议信息
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*/
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```
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#### 2.1.2 协议族（Protocol Family）
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通过 socket 函数的第一个参数传递套接字中使用的协议分类信息。此协议分类信息称为协议族，可分成如下几类：
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> 头文件 `sys/socket.h` 中声明的协议族
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>
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| 名称 | 协议族 |
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| --------- | -------------------- |
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| PF_INET | IPv4 互联网协议族 |
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| PF_INET6 | IPv6 互联网协议族 |
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| PF_LOCAL | 本地通信 Unix 协议族 |
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| PF_PACKET | 底层套接字的协议族 |
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| PF_IPX | IPX Novell 协议族 |
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本书着重讲 PF_INET 对应的 IPv4 互联网协议族。其他协议并不常用，或并未普及。**另外，套接字中采用的最终的协议信息是通过 socket 函数的第三个参数传递的。在指定的协议族范围内通过第一个参数决定第三个参数。**
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#### 2.1.3 套接字类型（Type）
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套接字类型指的是套接字的数据传输方式，是通过 socket 函数的第二个参数进行传递，只有这样才能决定创建的套接字的数据传输方式。**已经通过第一个参数传递了协议族信息，为什么还要决定数据传输方式？问题就在于，决定了协议族并不能同时决定数据传输方式。换言之， socket 函数的第一个参数 PF_INET 协议族中也存在多种数据传输方式。**
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#### 2.1.4 套接字类型1：面向连接的套接字（SOCK_STREAM）
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如果 socket 函数的第二个参数传递`SOCK_STREAM`，将创建面向连接的套接字。
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传输方式特征整理如下：
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- 传输过程中数据不会消失
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- 按序传输数据
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- 传输的数据不存在数据边界（Boundary）
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这种情形适用于之前说过的 write 和 read 函数
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> 传输数据的计算机通过调用3次 write 函数传递了 100 字节的数据，但是接受数据的计算机仅仅通过调用 1 次 read 函数调用就接受了全部 100 个字节。
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收发数据的套接字内部有缓冲（buffer），简言之就是字节数组。只要不超过数组容量，那么数据填满缓冲后过 1 次 read 函数的调用就可以读取全部，也有可能调用多次来完成读取。
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**套接字缓冲已满是否意味着数据丢失？**
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> 答：缓冲并不总是满的。如果读取速度比数据传入过来的速度慢，则缓冲可能被填满，但是这时也不会丢失数据，因为传输套接字此时会停止数据传输，所以面向连接的套接字不会发生数据丢失。
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套接字联机必须一一对应。面向连接的套接字可总结为：
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**可靠地、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式的套接字。**
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#### 2.1.5 面向消息的套接字（SOCK_DGRAM）
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如果 socket 函数的第二个参数传递`SOCK_DGRAM`，则将创建面向消息的套接字。面向消息的套接字可以比喻成高速移动的摩托车队。特点如下：
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- 强调快速传输而非传输有序
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- 传输的数据可能丢失也可能损毁
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- 传输的数据有边界
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- 限制每次传输数据的大小
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面向消息的套接字比面向连接的套接字更具有传输速度，但可能丢失。特点可总结为：
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**不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的套接字。**
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#### 2.1.6 协议的最终选择
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socket 函数的第三个参数决定最终采用的协议。前面已经通过前两个参数传递了协议族信息和套接字数据传输方式，这些信息还不够吗？为什么要传输第三个参数呢？
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> 可以应对同一协议族中存在的多个数据传输方式相同的协议，所以数据传输方式相同，但是协议不同，需要用第三个参数指定具体的协议信息。
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本书用的是 IPv4 的协议族，和面向连接的数据传输，满足这两个条件的协议只有 IPPROTO_TCP ，因此可以如下调用 socket 函数创建套接字，这种套接字称为 TCP 套接字。
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```c
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int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
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```
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SOCK_DGRAM 指的是面向消息的数据传输方式，满足上述条件的协议只有 IPPROTO_UDP 。这种套接字称为 UDP 套接字：
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```c
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int udp_socket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
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```
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#### 2.1.7 面向连接的套接字：TCP 套接字示例
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需要对第一章的代码做出修改，修改好的代码如下：
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- [tcp_client.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch02/tcp_client.c)
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- [tcp_server.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch02/tcp_server.c)
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编译：
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```shell
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gcc tcp_client.c -o hclient
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gcc tcp_server.c -o hserver
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```
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运行：
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```shell
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./hserver 9190
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./hclient 127.0.0.1 9190
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```
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结果：
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```
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Message from server : Hello World!
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Function read call count: 13
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```
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从运行结果可以看出服务端发送了13字节的数据，客户端调用13次 read 函数进行读取。
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### 2.2 Windows 平台下的实现及验证
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在 Windows 平台下使用套接字需要进行一些初始化工作，这与 Linux 平台有所不同。
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#### 2.2.1 Winsock 初始化
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Windows 下的套接字称为 Winsock，使用前必须调用 `WSAStartup` 函数进行初始化：
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```c
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#include <winsock2.h>
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int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
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/*
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成功时返回0，失败时返回非0错误代码
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wVersionRequested: 程序员请求的Winsock版本，高字节指副版本，低字节指主版本
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lpWSAData: 指向WSADATA结构的指针，用于接收Windows Sockets实现的详细信息
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*/
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```
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使用 Winsock 完成后，应调用 `WSACleanup` 函数释放资源：
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```c
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int WSACleanup(void);
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/*
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成功时返回0，失败时返回SOCKET_ERROR
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*/
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```
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#### 2.2.2 Windows 与 Linux 套接字编程的主要区别
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| 特性 | Linux | Windows |
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| ---- | ----- | ------- |
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| 头文件 | `sys/socket.h` 等 | `winsock2.h`, `ws2tcpip.h` |
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| 初始化 | 无需初始化 | 必须调用 `WSAStartup` |
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| 套接字类型 | 文件描述符（int） | `SOCKET` 类型（实际是 `UINT_PTR`） |
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| 错误检查 | 返回-1表示失败 | 返回 `INVALID_SOCKET` 表示失败 |
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| 关闭套接字 | `close(fd)` | `closesocket(socket)` |
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| 获取错误码 | 访问全局变量 `errno` | 调用 `WSAGetLastError()` |
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| I/O 函数 | `read`, `write` 可用于套接字 | `recv`, `send` 必须用于套接字 |
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#### 2.2.3 Windows 平台代码示例
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Windows 平台下的 TCP 客户端和服务端代码结构类似，主要区别在于初始化和清理过程。以下是 Windows 版本的基本结构：
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```c
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#include <winsock2.h>
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#include <ws2tcpip.h>
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#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 链接 Winsock 库
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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WSADATA wsaData;
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SOCKET hServSock, hClntSock;
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SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;
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int szClntAddr;
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// 1. 初始化 Winsock
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if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
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printf("WSAStartup() error");
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return 1;
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}
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// 2. 创建套接字
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hServSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
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if (hServSock == INVALID_SOCKET) {
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printf("socket() error");
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WSACleanup();
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return 1;
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}
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// ... 其余代码与 Linux 版本类似 ...
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// 9. 关闭套接字
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closesocket(hServSock);
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// 10. 清理 Winsock
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WSACleanup();
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return 0;
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}
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```
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编译命令（使用 Visual Studio 的命令行工具）：
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```cmd
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cl tcp_client_win.c /link ws2_32.lib
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cl tcp_server_win.c /link ws2_32.lib
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```
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或者使用 MinGW：
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```cmd
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gcc tcp_client_win.c -o hclient -lws2_32
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gcc tcp_server_win.c -o hserver -lws2_32
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```
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### 2.3 习题
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1. 什么是协议？在收发数据中定义协议有何意义？
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> 答：协议是对话中使用的通信规则，简言之，协议就是为了完成数据交换而定好的约定。在收发数据中定义协议，能够让计算机之间进行对话，以此来实现信息交换和资源共享。
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2. 面向连接的套接字 TCP 套接字传输特性有 3 点，请分别说明。
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> 答：①传输过程中数据不会消失②按序传输数据③传输的数据不存在数据边界（Boundary）
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3. 下面那些是面向消息的套接字的特性？
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- **传输数据可能丢失**
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- 没有数据边界（Boundary）
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- **以快速传递为目标**
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- 不限制每次传输数据大小
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- **与面向连接的套接字不同，不存在连接概念**
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4. 下列数据适合用哪类套接字进行传输？
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- 演唱会现场直播的多媒体数据（UDP）
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- 某人压缩过的文本文件（TCP）
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- 网上银行用户与银行之间的数据传递（TCP）
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5. 何种类型的套接字不存在数据边界？这类套接字接收数据时应该注意什么？
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> 答：面向连接的 TCP 套接字不存在数据边界。接收数据时需要注意：
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> 1. **数据可能分多次到达**：发送方调用一次 write 发送 100 字节，接收方可能需要多次 read 才能读完，或者一次 read 就能读完多次 write 的数据。
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> 2. **需要定义应用层协议**：由于没有边界，必须在应用层定义数据边界（如固定长度、分隔符、长度前缀等方式），否则无法正确解析数据。
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> 3. **缓冲区管理**：虽然 TCP 内部有流量控制机制保证不丢数据，但应用层仍应及时读取数据，避免接收缓冲区占用过多内存。
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