浅析文件传输协议 (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：

从客户向服务器发送一个文件。
从服务器向客户发送一个文件。
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，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

在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

请注意连接LOG里有这样几句话：

COMMAND:> PASV
227 Entering Passive Mode (127,0,0,1,26,108)
COMMAND:> LIST
STATUS:> Connecting ftp data socket 127.0.0.1: 6764...
125 Data connection already open; Transfer starting.
226 Transfer complete.

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26x256+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：

COMMAND:> PORT 127,0,0,1,28,37
200 PORT command successful.
COMMAND:> LIST
150 Opening ASCII mode data connection for /bin/ls.
STATUS:> Accepting connection: 127.0.0.1:20.
226 Transfer complete.
STATUS:> Transfer complete.

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28x256+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。

比较分析

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：A S C I I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，限于篇幅在这里就不想再介绍了。希望这篇文章能对大家有些帮助！

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