Einstieg in Socket-Kommunikation mit Python: TCP/UDP-Grundlagen bis Praxisbeispiele

1. Einführung

2. Grundlagen der Socket-Kommunikation

Unterschiede zwischen TCP und UDP

• TCP Ein Kommunikationsverfahren, das die Zuverlässigkeit der Daten betont. Es überprüft und korrigiert automatisch, ob die Daten in der richtigen Reihenfolge ankommen und nicht unterwegs verloren gehen. Wird für das Browsen von Webseiten oder das Senden von E-Mails usw. verwendet, wo genaue Datenübertragung erforderlich ist.
• UDP Ein leichtgewichtiges und schnelles Kommunikationsverfahren. Daten können unterwegs verloren gehen oder die Reihenfolge verlieren, aber dadurch entsteht weniger Overhead und es eignet sich für Echtzeit-Anwendungen wie Videostreaming oder Online-Spiele.

Beziehung zu Netzwerkmodellen

3. Grundlegende Socket-Operationen in Python (mit Code)

3.1 Server-Seite: Einfache Empfangsverarbeitung

import socket

# Erstellung des Sockets
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# Binden an IP-Adresse und Port
server_socket.bind(('127.0.0.1', 5000))

# In den Wartemodus versetzen
server_socket.listen(1)
print("Der Server wartet auf Verbindungen...")

# Verbindung vom Client akzeptieren
client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"Verbindung hergestellt: {addr}")

# Daten empfangen
data = client_socket.recv(1024)
print(f"Empfangene Daten: {data.decode('utf-8')}")

# Antwortdaten senden
client_socket.send("Hallo vom Server!".encode('utf-8'))

# Socket schließen
client_socket.close()
server_socket.close()

3.2 Client-Seite: Verbindung und Senden

import socket

# Erstellung des Sockets
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# Mit dem Server verbinden
client_socket.connect(('127.0.0.1', 5000))

# Daten senden
client_socket.send("Hallo vom Client!".encode('utf-8'))

# Antwortdaten empfangen
data = client_socket.recv(1024)
print(f"Antwort vom Server: {data.decode('utf-8')}")

# Socket schließen
client_socket.close()

3.3 Server-Seite: Kontinuierliche Verbindungsabwicklung

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("Der Server wartet auf mehrere Verbindungen...")

try:
    while True:
        client_socket, addr = server_socket.accept()
        print(f"Verbindung hergestellt: {addr}")
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f"Empfangene Daten: {data.decode('utf-8')}")
        client_socket.send("Hallo, Client!".encode('utf-8'))
        client_socket.close()
except KeyboardInterrupt:
    print("Server wird beendet.")
finally:
    server_socket.close()

4. Anwendungsbeispiel: Techniken für asynchrone Kommunikation und Objektübertragung

4.1 Asynchrone Kommunikation (Beispiel mit asyncio)

import asyncio

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

    response = "Hallo, asynchroner 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("Der asynchrone Server wartet...")
        await server.serve_forever()

# Ausführung
# asyncio.run(main())

4.2 Senden und Empfangen von Python-Objekten (Verwendung von pickle)

Beispiel auf Serverseite

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"Empfangene Objekt: {obj}")

client_socket.close()
server_socket.close()

Beispiel auf Clientseite

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. Maßnahmen bei Problemen und häufige Fragen

5.1 Häufige Fehler und deren Behebung

• Der Server ist nicht gestartet, oder es gibt einen Fehler in der angegebenen IP und Port bei bind(), dann kann der Client keine Verbindung herstellen.
• Maßnahme: Überprüfen Sie, ob der Server korrekt gestartet ist und ob IP und Port übereinstimmen. Überprüfen Sie auch, ob Firewall oder Sicherheitssoftware die Kommunikation behindert.

• Bei der Datenübertragung, wenn Encode und Decode nicht richtig eingestellt sind, werden mehrbyte-Zeichen wie Japanisch falsch dargestellt.
• Maßnahme: Verwenden Sie encode('utf-8') und decode('utf-8') immer explizit.

• recv() des Sockets empfängt nur die angegebene Byte-Anzahl auf einmal. Bei großen Daten kann es mehrmals gesendet werden.
• Maßnahme: Um alle notwendigen Daten zu empfangen, ist es grundlegend, recv() in einer Schleife zu wiederholen.

• Beim wiederholten Ausführen des Serverprogramms kann der vorherige Socket noch nicht geschlossen sein, sodass der gleiche Port nicht verwendet werden kann.
• Maßnahme: Mit server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) kann die Adresswiederverwendung erlaubt werden.

5.2 Hinweise zu Sicherheit und Netzwerkumgebung

• Bei externer Veröffentlichung Vorsicht walten lassen Bei der tatsächlichen Veröffentlichung im Internet sind Firewall oder Zugriffsbeschränkungen notwendig, um sich gegen unbefugten Zugriff zu schützen.
• IP-Spezifikation bei Tests im LAN Bei Tests im selben LAN verwenden Sie anstelle von 127.0.0.1 die tatsächliche lokale IP (z. B. 192.168.1.10).

5.3 Tipps zum Debuggen

• Durch das Einfügen von print-Anweisungen auf Server- und Client-Seite lässt sich leicht erkennen, wo der Prozess hängen bleibt.
• Um zu überprüfen, ob Socket-Übertragungen normal ablaufen, sind Befehle wie netstat oder lsof zur Überwachung des Port-Status hilfreich.

6. FAQ (Häufig gestellte Fragen und deren Antworten)

import socket

# Server-Seite
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind(('127.0.0.1', 5001))
data, addr = sock.recvfrom(1024)
print(f"Empfangen: {data.decode()} from {addr}")

# Client-Seite
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto("Hello UDP".encode(), ('127.0.0.1', 5001))