Netzwerkprogrammierung
Kurz gesagt: Netzwerkprogrammierung heißt, dass zwei Programme über das Netzwerk miteinander sprechen: Der Server wartet auf einer IP-Adresse und einem Port, der Client verbindet sich, und Sockets senden die Daten über TCP oder UDP.
Problem
Die Kasse und das Lager
Die Kasse im Shop muss das Lager fragen, wie viel Kaffee noch da ist, und das Lagerprogramm läuft auf einem anderen Computer. Eine Datei hilft nicht: Die beiden Programme sehen die Festplatten des anderen nicht. Eins muss fragen und das andere antworten, sofort, über das Netzwerk.
So funktioniert fast alles um dich herum: Der Browser fragt den Server nach einer Seite, die Banking-App fragt die Bank nach deinem Kontostand, ein Spiel schickt deine Züge an die anderen Spieler.
Die Idee
Adresse, Port und zwei Arten zu senden
Damit Daten ein Programm auf einem anderen Computer erreichen, brauchst du zwei Dinge:
- Eine IP-Adresse: die Nummer des Computers im Netzwerk, zum Beispiel
192.168.1.20oder142.250.185.78. Dein eigener Computer ist immer127.0.0.1, mit dem Namenlocalhost. - Einen Port: eine Zahl von 0 bis 65 535 für das Programm auf diesem Computer. Die Adresse ist das Gebäude, der Port ist die Wohnung. HTTPS nutzt 443, und wir nutzen 5971 und höher.
Das Programm, das darauf wartet, dass man es erreicht, ist der Server. Das Programm, das ihn erreicht, ist der Client. Wie die Daten reisen, entscheidet das Protokoll:
| TCP | UDP | |
|---|---|---|
| Verbindung | erst verbinden sie sich, dann sprechen sie | keine Verbindung, jedes Paket ist ein eigener Brief |
| Zustellung | alles kommt an, in derselben Reihenfolge, oder du erfährst, dass es nicht geklappt hat | ein Paket kann verloren gehen oder in anderer Reihenfolge ankommen |
| Geschwindigkeit | langsamer | schneller |
| Wofür | Web, E-Mail, Zahlungen, Dateien | Sprache und Video live, Spiele, Sensoren |
System.Net.Sockets.Genauer, für Neugierige
- Das Netzwerk wird in Schichten beschrieben. Das OSI-Modell hat sieben: Bitübertragung (Bits über das Kabel oder die Luft), Sicherung (die Verbindung zum nächsten Gerät), Vermittlung (IP-Adressen und Routen), Transport (TCP, UDP), Sitzung, Darstellung und Anwendung (HTTP, E-Mail). In der Praxis nutzt das Internet das einfachere TCP/IP-Modell mit vier Schichten. Dein Programm arbeitet auf der obersten: Um alles darunter kümmern sich .NET und das Betriebssystem.
- IP liefert einzelne Pakete an eine Adresse, verspricht aber nicht, dass sie ankommen. TCP baut auf IP auf und nummeriert die Pakete, damit es sie ordnen und die verlorenen noch einmal anfordern kann.
- Protokolle, denen du begegnen wirst: HTTP und HTTPS (das Web; HTTPS ist HTTP, verschlüsselt mit TLS, dessen älterer Name SSL ist), WebSocket (eine Verbindung in beide Richtungen für Chat und Benachrichtigungen im Browser), FTP (Dateien), SSH (sicherer Zugriff auf einen entfernten Computer).
Sieh es dir an
Der Server
Der Lagerserver bekommt den Namen eines Produkts und antwortet mit seinem Preis:
static readonly Dictionary<string, double> Prices = new Dictionary<string, double> { ["Kaffee"] = 7.50, ["Tee"] = 3.20 };
static void Serve(TcpListener server){ try { using (TcpClient client = server.AcceptTcpClient()) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { string product = reader.ReadLine(); Console.WriteLine("Server erhielt: " + product); writer.WriteLine(Prices.TryGetValue(product, out double price) ? product + ": " + price + " €" : "unbekanntes Produkt"); } } catch (IOException e) { Console.WriteLine("Server: " + e.Message); }}TcpListenerlauscht auf einem Port.server.AcceptTcpClient()wartet, bis sich ein Client verbindet, und gibt einenTcpClientfür die Verbindung mit ihm zurück: denselben Typ, mit dem sich auch der Client verbindet.client.GetStream()gibt dir den Stream der Verbindung: Über ihn fließen Bytes in beide Richtungen. Wir verpacken ihn in zwei Klassen:StreamReaderliest Text Zeile für Zeile mitReadLine(), undStreamWriterschreibt mitWriteLine(). Dieselben Klassen lesen und schreiben auch Dateien.AutoFlush = truebedeutet „nach jedemWriteLinesenden“. Du wirst gleich sehen, warum das wichtig ist.using (…)schließt die Verbindung und die Streams am Ende des Blocks, auch wenn in der Mitte eine Exception auftritt: als würde einfinallyDispose()aufrufen. Mehrereusing-Zeilen untereinander teilen sich einen Block und werden in umgekehrter Reihenfolge geschlossen.TryGetValuesucht das Produkt und gibt dir den Preis überout.
Sieh es dir an
Der Client
new TcpClient(address, port) und nutzt dieselben StreamReader und StreamWriter. Hier sind Server und Client in einem Programm: Der Server läuft in seinem eigenen Thread, und Main ist der Client. So kannst du beide ohne zweiten Computer ausprobieren:TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5971);server.Start();new Thread(() => Serve(server)).Start();
using (TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5971))using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream()))using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }){ writer.WriteLine("Kaffee"); Console.WriteLine("Client erhielt: " + reader.ReadLine());}server.Stop();Server erhielt: KaffeeClient erhielt: Kaffee: 7.5 €new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5971) öffnet den Port noch nicht. Das macht server.Start() in Main, bevor der Thread startet. So lauscht der Server schon, wenn sich der Client verbindet. IPAddress.Loopback ist 127.0.0.1: Der Server nimmt nur Programme vom selben Computer an.Die beiden Seiten wechseln sich ab: Der Client schreibt eine Zeile und wartet mit ReadLine() auf eine Antwort, und der Server liest die Zeile und antwortet. Wenn sie die Rollen tauschen und beide darauf warten, etwas zu lesen, warten sie ewig.
TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5971);server.Start();new Thread(() => Serve(server)).Start();
using (TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5971))using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream()))using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }){ writer.WriteLine("Kaffee"); Console.WriteLine("Client erhielt: " + reader.ReadLine());}server.Stop();Schritt für Schritt, in Worten
- Der Server öffnet Port 5971 und beginnt zu lauschen.
- In seinem eigenen Thread ruft der Server AcceptTcpClient() auf und wartet auf einen Client.
- Der Client verbindet sich. AcceptTcpClient() gibt einen TcpClient zurück, und jede Seite hat einen writer zum Schreiben und einen reader zum Lesen.
- Der Client schreibt eine Zeile: „Kaffee“. Sie wandert über die Verbindung zum Server.
- Der Client wartet in ReadLine(). Der Server liest die Zeile und gibt sie aus.
- Der Server findet den Preis und schreibt zurück: „Kaffee: 7.5 €“.
- ReadLine() gibt dem Client die Antwort zurück, und der Client gibt sie aus.
- using schließt die Verbindung, und server.Stop() schließt den Port.
Genauer, für Neugierige
- Das ganze Programm, mit den
imports:
using System.Net;using System.Net.Sockets;
class Program{ static readonly Dictionary<string, double> Prices = new Dictionary<string, double> { ["Kaffee"] = 7.50, ["Tee"] = 3.20 };
static void Serve(TcpListener server) { try { using (TcpClient client = server.AcceptTcpClient()) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { string product = reader.ReadLine(); Console.WriteLine("Server erhielt: " + product); writer.WriteLine(Prices.TryGetValue(product, out double price) ? product + ": " + price + " €" : "unbekanntes Produkt"); } } catch (IOException e) { Console.WriteLine("Server: " + e.Message); } }
static void Main() { TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5971); server.Start(); new Thread(() => Serve(server)).Start();
using (TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5971)) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { writer.WriteLine("Kaffee"); Console.WriteLine("Client erhielt: " + reader.ReadLine()); } server.Stop(); }}- In zwei getrennten Dateien und zwei Terminals ist es dasselbe: Du startest zuerst den Server, dann den Client. Wenn auf dem Port kein Server ist, wirft
new TcpClienteineSocketException(Connection refused). Wenn der Port schon von einem anderen Programm belegt ist, wirftserver.Start()eineSocketException(Address already in use). In .NET ist eineSocketExceptionkeineIOException, deshalb fängtcatch (IOException)sie nicht. - Text reist als Bytes über das Netzwerk.
StreamReaderundStreamWriternutzen standardmäßig UTF-8, deshalb kommen Umlaute wie ü und das Zeichen € unversehrt an. usinghat auch eine kurze Form, ohne Klammern und ohne Block:using TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5971);schließt die Verbindung am Ende des Blocks, in dem die Zeile steht.
Probier es aus
Auf einen Client warten
Welche Methode wartet, bis sich ein Client verbindet?
TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5971);
server.Start();
TcpClient client = server.();AcceptTcpClient() blockiert, bis sich jemand verbindet, und gibt einen TcpClient für die Verbindung mit ihm zurück. Der Server kann es viele Male aufrufen, für viele Clients.Die Idee
Viele Clients gleichzeitig
AcceptTcpClient() nicht aufgerufen, und die anderen warten. Deshalb läuft ein echter Server in einer Endlosschleife: Er nimmt einen Client an, gibt ihn an einen neuen Thread und kehrt sofort zu AcceptTcpClient() zurück:static void AcceptAll(TcpListener server){ int number = 0; while (true) { try { TcpClient client = server.AcceptTcpClient(); number++; int n = number; new Thread(() => Handle(client, n)).Start(); } catch (SocketException) { return; } }}
static void Handle(TcpClient client, int number){ try { using (client) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { string line; while ((line = reader.ReadLine()) != null) { Console.WriteLine("Client " + number + ": " + line); writer.WriteLine("Echo: " + line); } } } catch (IOException e) { Console.WriteLine("Client " + number + " getrennt: " + e.Message); }}Handle beantwortet jede Zeile, bis der Client die Verbindung schließt: Dann gibt ReadLine() null zurück. Zwei Clients nacheinander:TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Loopback, 5972);server.Start();Thread acceptor = new Thread(() => AcceptAll(server));acceptor.IsBackground = true;acceptor.Start();
foreach (string order in new string[] { "Tisch 4: zwei Kaffee", "Tisch 7: die Rechnung" }){ using (TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5972)) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { writer.WriteLine(order); Console.WriteLine(reader.ReadLine()); }}server.Stop();Client 1: Tisch 4: zwei KaffeeEcho: Tisch 4: zwei KaffeeClient 2: Tisch 7: die RechnungEcho: Tisch 7: die RechnungGenauer, für Neugierige
IsBackground = truemacht den Thread zu einem „Hintergrund“-Thread: Das Programm endet, wennMainendet, ohne auf die Endlosschleife zu warten. Ein Thread ausnew Threadist standardmäßig kein Hintergrund-Thread. Ein echter Server macht ihn nicht zum Hintergrund-Thread: Er muss laufen, bis du ihn stoppst.server.Stop()schließt den Port. Das wartendeAcceptTcpClient()wirft eineSocketException, und die Schleife endet mitreturn.using (client)nimmt den schon vorhandenenTcpClientin einusingauf, damit er am Ende geschlossen wird.int n = number;ist nötig: Das Lambda merkt sich nicht den Wert vonnumber, sondern die Variable selbst. Ohne die Kopie könnte der Thread des ersten Clientsnumberlesen, nachdem die Schleife es für den zweiten schon erhöht hat.- Bei Tausenden von Clients ist ein Thread für jeden teuer. Dann gibt die Annahmeschleife die Clients an den Thread-Pool aus der vorigen Lektion:
Task.Run(() => Handle(client, n)).
Probier es aus
Beide warten
Der Client sendet „Kaffee“ und wartet auf eine Antwort. Der Server ist derselbe, aber das Programm hängt und gibt nichts aus. In welcher Zeile ist der Fehler?
Wähle die Zeile mit dem Fehler.
StreamWriter ohne AutoFlush = true sendet nicht sofort: Er hält den Text in einem Puffer, bis sich mehr davon angesammelt hat. WriteLine("Kaffee") bleibt im Speicher des Clients, der Server wartet auf eine Zeile, und der Client wartet auf eine Antwort. Die Korrektur ist new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true } oder writer.Flush() nach WriteLine.Die Idee
UDP: Briefe ohne Verbindung
UdpClient:UdpClient receiver = new UdpClient(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 5973));
using (UdpClient sensor = new UdpClient()){ foreach (string reading in new string[] { "Küche 21.5", "Lager 4.0", "Kühlschrank 3.2" }) { byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(reading); sensor.Send(data, data.Length, "localhost", 5973); }}
IPEndPoint sender = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);for (int i = 0; i < 3; i++){ byte[] data = receiver.Receive(ref sender); string text = Encoding.UTF8.GetString(data); Console.WriteLine("Temperatur: " + text + " °C");}receiver.Close();Temperatur: Küche 21.5 °CTemperatur: Lager 4.0 °CTemperatur: Kühlschrank 3.2 °C- Der Empfänger lauscht auf Port 5973:
new UdpClient(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 5973)). EinIPEndPointist eine Adresse plus ein Port. Der Sender istnew UdpClient()ohne Port: Das System gibt ihm einen freien. - Über das Netzwerk reisen Bytes.
Encoding.UTF8.GetByteswandelt den Text in Bytes um, undEncoding.UTF8.GetStringwandelt sie zurück (Encodingist inSystem.Text). Send(bytes, count, address, port)sendet ein Paket.Receive(ref sender)wartet auf ein Paket, gibt seine Bytes zurück und schreibt insender, woher es kam: deshalbref.- Niemand bestätigt, dass das Paket angekommen ist. Auf
localhostgehen keine verloren, in einem echten Netzwerk kann das passieren.
Genauer, für Neugierige
Wenn der Empfänger antworten muss, sendet er ein neues Paket an die Adresse, die Receive in sender geschrieben hat: receiver.Send(answer, answer.Length, sender).
Ein Paket hat eine Größengrenze (unter 64 KB, und über das Internet bleibt man sinnvollerweise bei etwa 1 400 Bytes), deshalb taugt UDP nicht für Dateien.
Die Idee
HTTP: die Sprache des Webs
Wenn du eine Seite öffnest, baut der Browser eine TCP-Verbindung zum Server auf und sendet eine textbasierte HTTP-Anfrage (Request): „gib mir /“. Der Server schickt eine Antwort (Response) zurück: einen Status, Header und einen Body (HTML, JSON, ein Bild). In C# macht das HttpClient, aber er arbeitet mit async und await, die erst im Modul „Web und Desktop“ kommen. Hier ist die Anfrage von Hand geschrieben und über einen TcpClient gesendet. So siehst du, dass HTTP einfach Text über eine TCP-Verbindung ist:
using System.Net.Sockets;
using (TcpClient client = new TcpClient("example.com", 80))using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream()))using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }){ writer.Write("GET / HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\nConnection: close\r\n\r\n");
string status = reader.ReadLine(); Console.WriteLine("Status: " + status.Split(' ')[1]); string line; while ((line = reader.ReadLine()) != "") { if (line.StartsWith("Content-Type: ")) { Console.WriteLine("Typ: " + line.Substring(14)); } } string body = reader.ReadToEnd(); int start = body.IndexOf("<title>") + 7; Console.WriteLine("Titel: " + body.Substring(start, body.IndexOf("</title>") - start));}Status: 200Typ: text/html; charset=utf-8Titel: Example Domain- Die Anfrage besteht aus ein paar Zeilen, und jede endet mit
\r\n:GET / HTTP/1.1(„gib mir/“),Host:(welche Website) undConnection: close(„nach der Antwort schließen“). Die leere Zeile am Ende sagt, dass die Anfrage zu Ende ist. - Die Antwort beginnt mit einer Zeile wie
HTTP/1.1 200 OK. Ihr zweiter Teil ist der Status. Danach folgen die Header (Content-Type: …) bis zu einer leeren Zeile, und dann kommt der Body.ReadToEnd()liest ihn, bis der Server die Verbindung schließt. - Der Status sagt dir, wie es gelaufen ist:
200ist Erfolg,404heißt, dass es keine solche Seite gibt,500ist ein Fehler auf dem Server. - Port 80 ist HTTP ohne Verschlüsselung. Die meisten Websites wollen heute HTTPS auf Port 443, wo der Text verschlüsselt reist (TLS).
HttpClienterledigt das für dich.
Die Codeprüfung der Website läuft ohne Internet, deshalb wird dieses Programm mit der Ausgabe eines Laufs mit Netzwerk gezeigt. Ohne Netzwerk wirft new TcpClient eine SocketException. Im Modul „Web und Desktop“ werden Anfrage und Antwort Zeile für Zeile zerlegt, und dann erledigt HttpClient das alles für dich.
Genauer, für Neugierige
HttpListener). So kannst du dieselbe Anfrage auch ohne Internet ausprobieren, auf localhost:static void Answer(HttpListener server){ try { while (true) { HttpListenerContext context = server.GetContext(); bool found = context.Request.Url.AbsolutePath == "/stock"; byte[] answer = Encoding.UTF8.GetBytes(found ? "Kaffee: 12 Stk." : "unbekannte Adresse"); context.Response.StatusCode = found ? 200 : 404; context.Response.ContentLength64 = answer.Length; context.Response.OutputStream.Write(answer, 0, answer.Length); context.Response.Close(); } } catch (HttpListenerException) { return; }}
HttpListener server = new HttpListener();server.Prefixes.Add("http://localhost:5974/");server.Start();Thread answering = new Thread(() => Answer(server));answering.IsBackground = true;answering.Start();
foreach (string path in new string[] { "/stock", "/prices" }){ using (TcpClient client = new TcpClient("localhost", 5974)) using (StreamReader reader = new StreamReader(client.GetStream())) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(client.GetStream()) { AutoFlush = true }) { writer.Write("GET " + path + " HTTP/1.1\r\nHost: localhost\r\nConnection: close\r\n\r\n"); string status = reader.ReadLine().Split(' ')[1]; while (reader.ReadLine() != "") { // die Header der Antwort brauchen wir hier nicht } Console.WriteLine(path + " -> " + status + " " + reader.ReadToEnd()); }}server.Stop();/stock -> 200 Kaffee: 12 Stk./prices -> 404 unbekannte AdresseGetContext() wartet auf eine Anfrage, so wie AcceptTcpClient() auf einen Client wartet. Für /prices setzt der Server den Status 404 selbst. ContentLength64 sagt, wie viele Bytes der Body hat, damit der Client weiß, wo er endet. server.Stop() unterbricht das wartende GetContext() mit einer HttpListenerException. In echten Projekten schreibt man Webserver mit ASP.NET Core, im Modul „Web und Desktop“. Es baut auf denselben Sockets und Threads auf.Übung
Server auf localhost
1. Echo-Server. Der Server schickt jede Zeile mit „Echo: “ davor zurück, bis er „ende“ bekommt. Dann antwortet er „Auf Wiedersehen“ und schließt die Verbindung. Der Client sendet „hallo“, „wie geht es dir“ und „ende“ und gibt die Antworten aus:
Echo: halloEcho: wie geht es dirAuf Wiedersehen2. Ein Server mit Befehlen. GROSS Text gibt den Text in Großbuchstaben zurück, ZEIT gibt die aktuelle Uhrzeit als 14:05 zurück (DateTime.Now.ToString("HH:mm")), und alles andere gibt „Unbekannter Befehl: “ und den Befehl zurück. Die Uhrzeit ändert sich, deshalb prüft der Client nur ihre Form mit TimeOnly.TryParseExact(time, "HH:mm", out _):
BESTELLUNG 42 IST FERTIGDie Uhrzeit hat die Form HH:MM: TrueUnbekannter Befehl: UHRZEITJonas erhielt: Hallo Jonas! Hast du um 18 Uhr Zeit?Anna erhielt: Ja, ich komme.Jonas erhielt: Super, bis gleich.Anna erhielt: Tschüss!Test
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