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TFTP简单文本传输协议的基本原理

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TFTP简单文本传输协议的介绍

随着互联网发展，文件传输效率越来越快，相应的传输协议也越来越复杂。早年有很多文件传输协议如今已经很少再用，所谓老兵不死，只是慢慢凋零。这些协议尽管现在使用不多，但它们的设计思想依然值得我们好好研究和掌握。

例如 FTP 以及它的 UDP 版本 TFTP，它们实现文件传输的协议设计思想依然非常值得研究，它对我们设计新协议依然很有启发性。本节开始，我们研究 TFTP 协议的原理以及相关代码实现。

TFTP 原名叫Trivial File Transport Protocol.对互联网早期存有记忆的同学对 FTP 协议一定非常了解，当时局域网乃至整个网络上很多大文件，例如电影的传输依靠的就是该协议。FTP 协议运行在 TCP 协议之上，它的内容很复杂，除了文件传输外，它还支持很多文件相关操作，例如远程实现文件建立，删除等。TFTP 是 FTP 协议的简化版，它运行在 UDP 协议上，同时简化了很多 FTP 操作，只支持文件的传输功能。

TFTP协议是基于服务器和客户端之间的传输协议。一开始客户端向服务器发出连接请求，服务器应答后两者连接建立。然后客户端向服务器发出文件传输请求，服务器将客户端需要的文件分割成多个小块，依次传递给客户端，客户端每收到一个小块后向服务器发出应答，收到应答后服务器再发送下一个小块。当所有文件块传输完毕后，两者连接断开。

TFTP 服务器程序通常在端口 69 监听客户端请求。值得注意的是，当服务器与客户端进行数据块传输时，服务器会使用一个随机端口而不是用于监听请求的 69 端口，这是为了服务器能同时相应多个客户端的连接。服务器与不同客户端使用不同端口进行数据通信，这样就保证不同客户端所需要的数据块不会发生混淆。

服务器与客户端在发送文件数据时，会按照一种名为”锁定步骤”的方式进行数据传输。也就是服务器向客户端发送一个数据块，再接收到客户端发回的应答数据包前什么都不做，直到收到客户端确定数据块已经收到的应答后，它才发送下一个数据块，这种方式使得数据传输效率不高，但确保数据传输流程足够简单，同时能保证传输出错时，数据重传很方便，同时客户端也不用考虑数据块不按次序抵达时，如何将数据块进行正确组装。

TFTP 协议的简单附带的代价是效率不高。由于它走的是 UDP 协议，因此一次发送数据块不能超过 512 字节，这也是服务器必须把文件切成小块反复传输的原因。还有一点值得注意的是 TFTP 协议没有任何安全措施，它不需要注册或登录，任何客户端都可以连接然后下载文件。

我们首先在网络上下载一个 TFTP 的服务器客户端：Tftpd64 具体界面如下：

tftpd64

然后在 Windows 中的设置的程序与功能中打开 TFTP Client:

tftp_Windows

TFTP抓包演示

我们在 TFTP 服务器客户端上选择我们的 IP 地址：192.168.1.101，然后这台电脑就可以作为我们的 TFTP 服务器了，然后我们在命令行中输入：tftp 192.168.1.101 get test.txt(test.txt 是我特地新建的用来测试的文件，该文件必须存放在 tftp 服务器客户端软件中 Current Directory 所显示的目录中)：

tftp抓包1

tftp抓包2

然后就可以在当前磁盘（G盘）中看到我们传送的文件了

需要注意的几个问题:

  1. 文件传送成功与否，你朋友也可以在 Tftpd32 的 “Tftp Server” 和 “Current Action”这两项中看到。
  2. 如果想把文件传给你朋友，那么只要把命令换成 “Tftp -i朋友IP put pictures.rar” 即可。关于Tftp命令的更多参数，你可以在 CMD 下输入 Tftp 进行查看。不过此时你朋友不能进行上传和下载工作，因为他此时是 Tftp 的服务端，只有客户端才能进行这些操作。如果他想把西传给你，那就需要你做服务端了。
  3. 用 Tftp 传送文件时，服务端需有确定的公网 IP，如果你朋友在局域网中通过网关上网的话，那就无法传送了。当然，如果两个人在同一局域网中，内网的 IP 也可以传送文件,只是有些多此一举。
  4. Windows 98 系统可以当服务端，但客户端一定要是 Windows 2000 或是 Windows XP 等有 Tftp 命令的系统。
    以后如果你遇到因为防火墙等原因不能通过QQ传送文件时，不妨试试 Tftp.

tftp抓包3

我们再通过 Wireshark 抓包来观察 TFTP 协议(由于在 Windows上自己传给自己抓不到包，因此我在 Linux虚拟机上进行测试)，但是出现了 Destination unreachable (Host administratively prohibited)，查询资料得知，是 Linux 的防火墙没有设置，我们设置一下 iptables:

1
2
3
4
iptables -P OUTPUT ACCEPT       #允许所有本机向外的访问
iptables -P FORWARD ACCEPT      #允许所有转发
iptables -P INPUT ACCEPT        #允许所有本机向外的访问
iptables -F                     #清除所有规则

tftp抓包4

tftp抓包5

tftp抓包6

【注】:我的电脑不知道为何只能抓到单向的数据包，无法抓到主机向虚拟机传送的数据包，查了很多资料之后未果，先接着学习吧。

抓包显示两种数据包，分别是 Acknowledgement 和 Data block，其中前者是客户端收到数据块后对服务器的应答，后者是服务器向客户端发送的数据块。数据包的具体格式我们会在后面进行详细分析。

TFTP交互细节及数据包解读

tftp 主要分为三步，首先是连接，然后是数据传输，最后是连接中断。所有这些步骤都通过发送相关数据包完成。最开始由客户端发送一个数据读取或写入请求，这个请求发出的同时连接自动建立，在这个过程中双方会协议要传输什么格式的文件。TFTP协议支持两个格式文件的传输，分别是 ASCII 文本，另一种是二进制数据，FTP 协议支持的文本格式比 TFTP 要复杂得多。

如果客户端请求的文件存在，服务器会直接将第一个数据块发送给客户端。如果是客户端想上传文件，服务器会发送一个 ACK 数据包表示确认。在这个过程中如果出现错误，其中一方就向另一方发送错误信息数据包，然后文件传输终止。由于使用 UDP 作为底层协议，因此一次数据发送最大不超过 512 字节。因此为了保证数据顺序正确性，每个数据包必须对应相应编号，编号根据数据块的顺序从1开始。

由于每次数据块最大是 512 字节，只要文件传输没有结束，那么一次数据块就是 512 字节，如果有数据包中数据少于 512 字节，那意味着这是文件最后一个数据包，最后一个数据块发送完后，连接自动中断。我们通过一个具体实例来掌握数据发送流程，假设客户端想从服务器读取一个 1200 字节的文件，以下是相关步骤：

  1. 客户端发送一个数据包给服务器，其中包含了要读取的文件名。
  2. 服务器发回第一个 512 字节数据块，并对其标号为 1.
  3. 客户端返回服务器一个标号为 1 的确认数据包
  4. 服务器发送标号为 2 包含 512 字节的数据块
  5. 客户端收到 2 号数据块后发生确认数据包
  6. 服务器发送标号为 3 的包含 176 字节的数据块
  7. 客户端收到后回发标号为 3 的确认数据包
  8. 服务器收到确认数据包后，确认文件发送完毕

传输示例

我们再看看客户端上传文件的流程：

  1. 客户端发送一个写请求数据包，里面包含了要写的文件名称
  2. 服务器发送确认数据包，在数据包中它使用编号 0
  3. 客户端发送一个含有 512 字节，编号为1的数据包
  4. 服务器返回编号为 1 的确认数据包
  5. 客户端发送编号为 2，包含 512 字节的数据包
  6. 服务器返回编号为 2 的确认数据包
  7. 客户端发送编号为 3，包含 176 字节的数据包，等待服务器返回确认数据包。
  8. 服务器接受 3 号数据包后，返回确认数据包，由于该数据包数据少于 512 字节，服务器知道是最后一个数据包。
  9. 客户端收到 3 号确认数据包后，知道文件传输完毕，中断连接。

传输示例2

TFTP 协议后来又经过一次扩展，增加一些控制命令。如果客户端或服务器想使用扩展命令时，它必须向对方确认是否也能支持相应命令。它会发送一个数据包，里面包含扩展命令对应的数值列表，对方也会返回一个列表，把它支持的扩展命令对应的数值放在列表中，不支持的则不在列表里。TFTP 协议一个特点是，它不允许任何一方连续发送 2 个数据包，必须是一来一回。具体的扩展功能在协议实现时我们再详细研究。

探究数据包具体格式

我们看看 TFTP 数据包的组装方式，为我们代码实现该协议奠定基础。TFTP 协议总共有5种不同数据包，分别对应读请求，写请求，数据块，接收回应(ACK)，以及错误。前两种数据包格式一样，只不过某些值域设置有差别，剩下的三种数据包格式各不相同。但无论哪一种数据包，他们都包含一个值域叫操作码，用来定义该数据包属于那种类型。

我们先看读请求和写请求数据包的格式，首先是2字节表示操作码，它用来表示当前数据包的类型，取值 1 表示该数据包是个读请求，2 表示该数据包是；接下来是可变长字段，它用来表示要读取或上传的文件名，它使用 ASCII 码并以 0 表示结尾；第三个字段叫 Mode，也是可变长字段，用来表示传输文件的数据类型，如果传输的是字符串文件，那么它填写字符串 “netascii”，如果传输的是二进制文件，那么它填写字符串 “octet”，这些字符串都以 0 结尾，其结构用下图表示：

读写请求数据包

接着我们看看传输数据块的数据包，它的前 2 字节也是操作码，取值 3 用于表示数据包用于数据块传输，接下来是 2 字节，用于表示数据块编号，最后是可变长字段 Data，用于装载数据块，该数据包的格式如下：

传输数据块数据包

然后是应答数据包，它开始 2 字节也是操作码，取值 4，接下来2字节表示接收到的数据块编号，相应结构如下图：

应答数据包

最后一个是错误数据报，它前 2 字节表示操作码，取值 5；接下来 2 字节表示错误码，0 表示未知错误，1 表示文件不存在，2 表示权限不足，3 表示磁盘已满，具体的错误码我们在实践时再具体分析；接下来是可变长字段，它用字符串的形式描述具体错误，该数据包的结构如下图：

错误数据包

具体代码实现