Pythonで始めるソケット通信入門｜TCP・UDPの基礎から実践例まで徹底解説

1. はじめに

2. ソケット通信の基礎概要

TCPとUDPの違い

• TCP データの信頼性を重視した通信方式です。データが順番通りに届くか、途中で消失しないかなどを自動で確認・補正します。Webページの閲覧やメール送信など、正確なデータ転送が必要な場合に使われます。
• UDP 軽量かつ高速な通信が可能な方式です。データが途中で失われたり順序が入れ替わる可能性もありますが、その分オーバーヘッドが少なく、リアルタイム性が重視される動画配信やオンラインゲームなどに適しています。

ネットワークモデルとの関係

3. Pythonでの基本的なソケット操作（コード付き）

3.1 サーバー側：シンプルな受信処理

import socket

# ソケットの作成
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# IPアドレスとポートを指定してバインド
server_socket.bind(('127.0.0.1', 5000))

# 接続待ち状態に設定
server_socket.listen(1)
print("サーバーは接続待ちです...")

# クライアントからの接続を受け入れる
client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"接続されました: {addr}")

# データの受信
data = client_socket.recv(1024)
print(f"受信データ: {data.decode('utf-8')}")

# 応答データの送信
client_socket.send("Hello from server!".encode('utf-8'))

# ソケットを閉じる
client_socket.close()
server_socket.close()

3.2 クライアント側：接続と送信

import socket

# ソケットの作成
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# サーバーに接続
client_socket.connect(('127.0.0.1', 5000))

# データの送信
client_socket.send("Hello from client!".encode('utf-8'))

# 応答データの受信
data = client_socket.recv(1024)
print(f"サーバーからの応答: {data.decode('utf-8')}")

# ソケットを閉じる
client_socket.close()

3.3 サーバー側：継続的な接続対応

import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('127.0.0.1', 5000))
server_socket.listen(5)
print("サーバーは複数接続待ちです...")

try:
    while True:
        client_socket, addr = server_socket.accept()
        print(f"接続されました: {addr}")
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f"受信データ: {data.decode('utf-8')}")
        client_socket.send("Hello, client!".encode('utf-8'))
        client_socket.close()
except KeyboardInterrupt:
    print("サーバーを終了します。")
finally:
    server_socket.close()

4. 応用編：非同期通信やオブジェクト送信のテクニック

4.1 非同期通信（asyncioを使った例）

import asyncio

async def handle_client(reader, writer):
    data = await reader.read(1024)
    message = data.decode()
    addr = writer.get_extra_info('peername')
    print(f"受信: {message} from {addr}")

    response = "Hello, async client!"
    writer.write(response.encode())
    await writer.drain()
    writer.close()

async def main():
    server = await asyncio.start_server(handle_client, '127.0.0.1', 5000)
    async with server:
        print("非同期サーバーは待機中です...")
        await server.serve_forever()

# 実行
# asyncio.run(main())

4.2 Pythonオブジェクトの送受信（pickle利用）

サーバー側例

import socket
import pickle

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('127.0.0.1', 5000))
server_socket.listen(1)

client_socket, addr = server_socket.accept()
data = client_socket.recv(4096)
obj = pickle.loads(data)
print(f"受信したオブジェクト: {obj}")

client_socket.close()
server_socket.close()

クライアント側例

import socket
import pickle

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1', 5000))

data = {"key": "value", "number": 42}
serialized_data = pickle.dumps(data)
client_socket.send(serialized_data)

client_socket.close()

5. トラブル対策とよくある疑問

5.1 よくあるエラーと対処法

• サーバー側が起動していない、またはbind()で指定したIP・ポートに誤りがある場合、クライアントは接続できません。
• 対策: サーバーが正しく起動しているか、IPとポートが合っているかを再確認しましょう。また、ファイアウォールやセキュリティソフトが通信を妨げていないかも確認してください。

• データの送受信時にエンコードとデコードを適切に設定しないと、日本語などマルチバイト文字が文字化けします。
• 対策: encode('utf-8')とdecode('utf-8')を必ず明示的に使用しましょう。

• ソケットのrecv()は指定したバイト数までしか一度に受信しません。大きなデータの場合、複数回に分けて送られてくることがあります。
• 対策: 必要なデータをすべて受信できるように、ループでrecv()を繰り返す仕組みを作るのが基本です。

• サーバープログラムを連続で実行すると、前回のソケットがまだ閉じられておらず、同じポート番号が使えない状態になることがあります。
• 対策: server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)でアドレス再利用を許可できます。

5.2 セキュリティやネットワーク環境の注意

• 外部公開時は注意 実際にインターネット上で公開する場合、ファイアウォールやアクセス制限を設け、不正アクセスへの備えが必要です。
• LAN内テストでのIP指定 同一LAN内でテストする場合は、127.0.0.1ではなく実際のローカルIP（例：192.168.1.10など）を使用しましょう。

5.3 デバッグのコツ

• サーバー・クライアント双方にprint文を仕込んで、どの処理で止まっているかを確認すると、原因が特定しやすくなります。
• ソケットの送受信が正常に行われているかは、netstatやlsofコマンドでポートの状態を確認すると役立ちます。

6. FAQ（よくある質問とその答え）

import socket

# サーバー側
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind(('127.0.0.1', 5001))
data, addr = sock.recvfrom(1024)
print(f"受信: {data.decode()} from {addr}")

# クライアント側
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto("Hello UDP".encode(), ('127.0.0.1', 5001))