Python 套接字通訊入門：TCP/UDP 基礎到實踐範例徹底解析

1. 介紹

2. 套接字通訊的基礎概述

TCP 與 UDP 的差異

• TCP 重視資料可靠性的通訊方式。會自動確認與修正資料是否依序到達、途中是否遺失等。瀏覽網頁或傳送電子郵件等，需要精確資料傳輸的情況下使用。
• UDP 輕量且高速的通訊方式。資料可能途中遺失或順序顛倒，但因此開銷較少，適合重視即時性的影片串流或線上遊戲等。

與網路模型的關係

3. Python 中的基本套接字操作（含程式碼）

3.1 伺服器端：簡單的接收處理

import socket

# 建立套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 指定 IP 位址和埠號並綁定
server_socket.bind(('127.0.0.1', 5000))

# 設定為連接等待狀態
server_socket.listen(1)
print("伺服器正在等待連線...")

# 接受來自客戶端的連線
client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"已連線: {addr}")

# 接收資料
data = client_socket.recv(1024)
print(f"接收資料: {data.decode('utf-8')}")

# 傳送回應資料
client_socket.send("Hello from server!".encode('utf-8'))

# 關閉套接字
client_socket.close()
server_socket.close()

3.2 客戶端：連線與傳送

import socket

# 建立套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 連線至伺服器
client_socket.connect(('127.0.0.1', 5000))

# 傳送資料
client_socket.send("Hello from client!".encode('utf-8'))

# 接收回應資料
data = client_socket.recv(1024)
print(f"來自伺服器的回應: {data.decode('utf-8')}")

# 關閉套接字
client_socket.close()

3.3 伺服器端：持續連線處理

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("伺服器正在等待多個連線...")

try:
    while True:
        client_socket, addr = server_socket.accept()
        print(f"已連線: {addr}")
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f"接收資料: {data.decode('utf-8')}")
        client_socket.send("Hello, client!".encode('utf-8'))
        client_socket.close()
except KeyboardInterrupt:
    print("正在結束伺服器。")
finally:
    server_socket.close()

4. 應用篇：非同步通訊與物件傳送的技巧

4.1 非同步通訊（使用 asyncio 的範例）

import asyncio

async def handle_client(reader, writer):
    data = await reader.read(1024)
    message = data.decode()
    addr = writer.get_extra_info('peername')
    print(f"收到: {message} 來自 {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("非同步伺服器正在等待...")
        await server.serve_forever()

# 執行
# asyncio.run(main())

4.2 Python 物件的發送與接收（使用 pickle）

伺服器端範例

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"收到的物件: {obj}")

client_socket.close()
server_socket.close()

客戶端範例

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. 故障排除與常見疑問

5.1 常見錯誤與對應方法

• 伺服器端沒有啟動，或者bind()指定的IP・連接埠有誤時，客戶端無法連接。
• 對策：重新確認伺服器是否正確啟動、IP和連接埠是否相符。另外，也確認防火牆或安全軟體是否阻礙通訊。

• 在資料送受信時，如果沒有適當設定編碼和解碼，日文等多位元組文字會產生亂碼。
• 對策：務必明確使用encode('utf-8')和decode('utf-8')。

• Socket的recv()一次只接收指定的位元組數。對於大資料，可能會分成多次傳送。
• 對策：為了接收所有必要資料，基本是建立用迴圈重複recv()的機制。

• 連續執行伺服器程式時，前次的Socket尚未關閉，相同連接埠號碼無法使用的情況時有發生。
• 對策：可以使用server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)來許可位址再利用。

5.2 安全性與網路環境的注意事項

• 外部公開時需注意 實際在網際網路上公開時，需要設定防火牆或存取限制，備妥防範不正存取的措施。
• LAN內測試的IP指定 在相同LAN內進行測試時，不要使用127.0.0.1，而是使用實際的本地IP（例如：192.168.1.10等）。

5.3 除錯的訣竅

• 在伺服器・客戶端雙方嵌入print文，確認哪個處理停滯，就能更容易特定原因。
• Socket的送受信是否正常，可以用netstat或lsof指令確認連接埠狀態，就很有幫助。

6. 常見問題（常見問題及其答案）

import socket

# 伺服器端
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind(('127.0.0.1', 5001))
data, addr = sock.recvfrom(1024)
print(f"接收: {data.decode()} from {addr}")

# 客戶端
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto("Hello UDP".encode(), ('127.0.0.1', 5001))