浅析FTP的工作原理

起初, FTP并不是应用于IP网络上的协议,而是ARPANET网络中计算机间的文件传输协议, ARPANET是美国国防部组建的老网络,于1960~1980年使用。在那时, FTP的主要功能是在主机间高速可靠地传输文件。目前FTP仍然保持其可靠性,即使在今天,它还允许文件远程存取。这使得用户可以在某个系统上工作,而将文件存贮在别的系统。例如,如果某用户运行Web服务器,需要从远程主机上取得HTML文件和CGI程序在本机上工作,他需要从远程存储站点获取文件(远程站点也需安装Web服务器)。当用户完成工作后,可使用FTP将文件传回到Web服务器。采用这种方法,用户无需使用Telnet登录到远程主机进行工作,这样就使Web服务器的更新工作变得如此的轻松。

FTP是TCP/IP的一种具体应用,它工作在OSI模型的第七层, TCP模型的第四层上,即应用层,使用TCP传输而不是UDP,这样FTP客户在和服务器建立连接前就要经过一个被广为熟知的“三次握手”的过程,它带来的意义在于客户与服务器之间的连接是可靠的,而且是面向连接,为数据的传输提供了可靠的保证。

下面,让我们来看看,一个FTP客户在和服务器连接是怎么样的一个过程(以标准的FTP端口号为例)。
首先,FTP并不像HTTP协议那样,只需要一个端口作为连接(HTTP的默认端口是80,FTP的默认端口是21),FTP需要2个端口,一个端口是作为控制连接端口,也就是21这个端口,用于发送指令给服务器以及等待服务器响应;另一个端口是数据传输端口,端口号为20(仅PORT模式),是用来建立数据传输通道的,主要有3个作用
1) 从客户向服务器发送一个文件。
2) 从服务器向客户发送一个文件。
3) 从服务器向客户发送文件或目录列表。
其次,FTP的连接模式有两种,PORT和PASV。PORT模式是一个主动模式,PASV是被动模式,这里都是相对于服务器而言的。为了让大家清楚的认识这两种模式,朗月繁星分别举例说明。

PORT模式

当FTP客户以PORT模式连接服务器时,他动态的选择一个端口号(本次试验是6015)连接服务器的21端口,注意这个端口号一定是1024以上的,因为1024以前的端口都已经预先被定义好,被一些典型的服务使用,当然有的还没使用,保留给以后会用到这些端口的资源服务。当经过TCP的三次握手后,连接(控制信道)被建立(如图1和图2)。

图1:FTP客户使用FTP命令建立于服务器的连接

图2:用netstat命令查看,控制信道被建立在客户机的6015和服务器的20端口
 
现在用户要列出服务器上的目录结构(使用ls或dir命令),那么首先就要建立一个数据通道,因为只有数据通道才能传输目录和文件列表,此时用户会发出PORT指令告诉服务器连接自己的什么端口来建立一条数据通道(这个命令由控制信道发送给服务器),当服务器接到这一指令时,服务器会使用20端口连接用户在PORT指令中指定的端口号,用以发送目录的列表(如图3)。
图3:ls命令是一个交互命令,它会首先与服务器建立一个数据传输通道。经验证本次试验客户机使用6044端口
 
当完成这一操作时,FTP客户也许要下载一个文件,那么就会发出get指令,请注意,这时客户会再次发送PORT指令,告诉服务器连接他的哪个“新”端口,你可以先用netstat -na这个命令验证,上一次使用的6044已经处于TIME_WAIT状态(如图4)。
图4:使用netstat命令验证上一次使用ls命令建立的数据传输通道已经关闭
 
当这个新的数据传输通道建立后(在微软的系统中,客户端通常会使用连续的端口,也就是说这一次客户端会用6045这个端口),就开始了文件传输的工作。
 
PASV模式

然而,当FTP客户以PASV模式连接服务器时,情况就有些不同了。在初始化连接这个过程即连接服务器这个过程和PORT模式是一样的,不同的是,当FTP客户发送ls、dir、get等这些要求数据返回的命令时,他不向服务器发送PORT指令而是发送PASV指令,在这个指令中,用户告诉服务器自己要连接服务器的某一个端口,如果这个服务器上的这个端口是空闲的可用的,那么服务器会返回ACK的确认信息,之后数据传输通道被建立并返回用户所要的信息(根据用户发送的指令,如ls、dir、get等);如果服务器的这个端口被另一个资源所使用,那么服务器返回UNACK的信息,那么这时,FTP客户会再次发送PASV命令,这也就是所谓的连接建立的协商过程。为了验证这个过程我们不得不借助CUTEFTP Pro这个大家经常使用的FTP客户端软件,因为微软自带的FTP命令客户端,不支持PASV模式。虽然你可以使用QUOTE PASV这个命令强制使用PASV模式,但是当你用ls命令列出服务器目录列表,你会发现它还是使用PORT方式来连接服务器的。现在我们使用CUTEFTP Pro以PASV模式连接服务器(如图5),
图5:使用CUTEFTP Pro以PASV模式连接服务器
 
请注意连接LOG里有这样几句话:
 
 
其中,
227 Entering Passive Mode (127,0,0,1,26,80).代表客户机使用PASV模式连接服务器的26×256+108=6764端口。(当然服务器要支持这种模式)
125 Data connection already open; Transfer starting.说明服务器的这个端口可用,返回ACK信息。
 
再让我们看看用CUTEFTP Pro以PORT模式连接服务器的情况。其中在LOG里有这样的记录:
 
 
其中,
PORT 127,0,0,1,28,37告诉服务器当收到这个PORT指令后,连接FTP客户的28×256+37=7205这个端口
Accepting connection: 127.0.0.1:20 表示服务器接到指令后用20端口连接7205端口,而且被FTP客户接受。
 
在这两个例子中,请注意: PORT模式建立数据传输通道是由服务器端发起的,服务器使用20端口连接客户端的某一个大于1024的端口;在PASV模式中,数据传输的通道的建立是由FTP客户端发起的,他使用一个大于1024的端口连接服务器的1024以上的某一个端口。如果从C/S模型这个角度来说,PORT对于服务器来说是OUTBOUND,而PASV模式对于服务器是INBOUND,这一点请特别注意,尤其是在使用防火墙的企业里,比如使用微软的ISA Server 2000发布一个FTP服务器,这一点非常关键,如果设置错了,那么客户将无法连接。
最后,请注意在FTP客户连接服务器的整个过程中,控制信道是一直保持连接的,而数据传输通道是临时建立的。
在本文中,朗月繁星把重点放到了FTP的连接模式,没有涉及FTP的其他内容,比如FTP的文件类型(Type),格式控制(Format control)以及传输方式(Transmission mode)等。不过这些规范大家可能不需要花费过多的时间去了解,因为现在流行的FTP客户端都可以自动的选择正确的模式来处理,对于FTP服务器端通常也都做了一些限制,如下
• 类型:ASCII或图像。
• 格式控制:只允许非打印。
• 结构:只允许文件结构。
• 传输方式:只允许流方式
至于这些内容,限于篇幅朗月繁星在这里就不想再介绍了。希望这篇文章能对大家有些帮助,特别是正在学习ISA Server的朋友和一些对FTP不很了解的朋友。

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