Linux下FTP服务器的实现（仿vsftpd）


继上一篇博文实现Linux下的shell后，我们进一步利用网络编程和系统编程的知识实现Linux下的FTP服务器。我们以vsftpd为原型并实现了其大部分的功能。由于篇幅和时间的关系，这里不再一一赘述具体的实现过程，而是简要概述功能实现思想和部分核心代码。

（一）基本框架和流程

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先解决两个疑问：

（1）为什么要使用nobody进程和服务进程两个进程？

在PORT模式下，服务器会主动建立数据通道连接客户端，服务器可能就没有权限做这种事情，就需要nobody进程来帮忙。Nobody进程会通过unix域协议（本机通信效率高） 将套接字传递给服务进程。普通用户没有权限绑定20端口，需要nobody进程的协助，所以需要nobody进程作为控制进程。

（2）为什么使用多进程而不是多线程？

 

原因是在多线程或IO复用的情况下，当前目录是共享的，无法根据每一个连接来拥有自己的当前目录，也就是说当前用户目录的切换会影响到其他的用户。

（二）主被动模式的实现

主被动是相对于服务器来说的：

主动模式：服务器向客户端敲门，然后客户端开门
被动模式：客户端向服务器敲门，然后服务器开门

被动模式的出现主要是为了解决 防火墙或者NAT造成的问题。当通过NAT转换之后，服务器只能得知NAT的地址而不能得知客户端的IP地址，因此服务器以20端口主动向NAT的PORT端口发动请求，但是NAT并没有启用PORT端口，所以连接会被拒绝。

 

int get_transfer_fd(session_t *sess)
{
	// 检测是否收到PORT或者PASV命令
	if (!port_active(sess) && !pasv_active(sess))
	{
		ftp_reply(sess, FTP_BADSENDCONN, "Use PORT or PASV first.");
		return 0;
	}

	int ret = 1;
	// 如果是主动模式
	if (port_active(sess))
	{

		if (get_port_fd(sess) == 0)
		{
			ret = 0;
		}
	}

	if (pasv_active(sess))
	{
		if (get_pasv_fd(sess) == 0)
		{
			ret = 0;
		}

	}

	
	if (sess->port_addr)
	{
		free(sess->port_addr);
		sess->port_addr = NULL;
	}

	if (ret)
	{
		// 重新安装SIGALRM信号，并启动闹钟
		start_data_alarm();
	}

	return ret;
}
（三）基本命令的实现

 

参照RFC规范和vsftpd的演示结果，依次仿真实现以下命令：

 

static void do_user(session_t *sess);
static void do_pass(session_t *sess);
static void do_cwd(session_t *sess);
static void do_cdup(session_t *sess);
static void do_quit(session_t *sess);
static void do_port(session_t *sess);
static void do_pasv(session_t *sess);
static void do_type(session_t *sess);
static void do_retr(session_t *sess);
static void do_stor(session_t *sess);
static void do_appe(session_t *sess);
static void do_list(session_t *sess);
static void do_nlst(session_t *sess);
static void do_rest(session_t *sess);
static void do_abor(session_t *sess);
static void do_pwd(session_t *sess);
static void do_mkd(session_t *sess);
static void do_rmd(session_t *sess);
static void do_dele(session_t *sess);
static void do_rnfr(session_t *sess);
static void do_rnto(session_t *sess);
static void do_site(session_t *sess);
static void do_syst(session_t *sess);
static void do_feat(session_t *sess);
static void do_size(session_t *sess);
static void do_stat(session_t *sess);
static void do_noop(session_t *sess);
static void do_help(session_t *sess);
注：使用static是为了只在一个模块中应用。

（四）上传/下载中断点续传的实现

 

断点续传的思想非常简单，只需要使用一个全局变量记录文件中的偏移量即可。下次从偏移量继续上传/下载。

 

static void do_retr(session_t *sess)
{
	// 下载文件
	// 断点续载

	// 创建数据连接
	if (get_transfer_fd(sess) == 0)
	{
		return;
	}

	long long offset = sess->restart_pos;
	sess->restart_pos = 0;

	// 打开文件
	int fd = open(sess->arg, O_RDONLY);
	if (fd == -1)
	{
		ftp_reply(sess, FTP_FILEFAIL, "Failed to open file.");
		return;
	}

	int ret;
	// 加读锁
	ret = lock_file_read(fd);
	if (ret == -1)
	{
		ftp_reply(sess, FTP_FILEFAIL, "Failed to open file.");
		return;
	}

	// 判断是否是普通文件
	struct stat sbuf;
	ret = fstat(fd, &sbuf);
	if (!S_ISREG(sbuf.st_mode))
	{
		ftp_reply(sess, FTP_FILEFAIL, "Failed to open file.");
		return;
	}

	if (offset != 0)
	{
		ret = lseek(fd, offset, SEEK_SET);
		if (ret == -1)
		{
			ftp_reply(sess, FTP_FILEFAIL, "Failed to open file.");
			return;
		}
	}

//150 Opening BINARY mode data connection for /home/jjl/tmp/echocli.c (1085 bytes).

	// 150
	char text[1024] = {0};
	if (sess->is_ascii)
	{
		sprintf(text, "Opening ASCII mode data connection for %s (%lld bytes).",
			sess->arg, (long long)sbuf.st_size);
	}
	else
	{
		sprintf(text, "Opening BINARY mode data connection for %s (%lld bytes).",
			sess->arg, (long long)sbuf.st_size);
	}

	ftp_reply(sess, FTP_DATACONN, text);

	int flag = 0;

	// ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

	long long bytes_to_send = sbuf.st_size;
	if (offset > bytes_to_send)
	{
		bytes_to_send = 0;
	}
	else
	{
		bytes_to_send -= offset;
	}

	sess->bw_transfer_start_sec = get_time_sec();
	sess->bw_transfer_start_usec = get_time_usec();
	while (bytes_to_send)
	{
		int num_this_time = bytes_to_send > 4096 ? 4096 : bytes_to_send;
		ret = sendfile(sess->data_fd, fd, NULL, num_this_time);
		if (ret == -1)
		{
			flag = 2;
			break;
		}

		limit_rate(sess, ret, 0);
		if (sess->abor_received)
		{
			flag = 2;
			break;
		}

		bytes_to_send -= ret;
	}

	if (bytes_to_send == 0)
	{
		flag = 0;
	}

	// 关闭数据套接字
	close(sess->data_fd);
	sess->data_fd = -1;

	close(fd);

	

	if (flag == 0 && !sess->abor_received)
	{
		// 226
		ftp_reply(sess, FTP_TRANSFEROK, "Transfer complete.");
	}
	else if (flag == 1)
	{
		// 451
		ftp_reply(sess, FTP_BADSENDFILE, "Failure reading from local file.");
	}
	else if (flag == 2)
	{
		// 426
		ftp_reply(sess, FTP_BADSENDNET, "Failure writting to network stream.");
	}

	check_abor(sess);
	// 重新开启控制连接通道闹钟
	start_cmdio_alarm();
	
}

 

（五）限速的实现

限速是通过使进程睡眠实现的，设置一个定时器计算当前的速度，如果发现大于限定的速度，那么就通过 睡眠时间 = (当前传输速度 / 最大传输速度 – 1) * 当前传输时间来计算。

 

void limit_rate(session_t *sess, int bytes_transfered, int is_upload)
{
	sess->data_process = 1;

	// 睡眠时间 = (当前传输速度 / 最大传输速度 – 1) * 当前传输时间;
	long curr_sec = get_time_sec();
	long curr_usec = get_time_usec();

	double elapsed;
	elapsed = (double)(curr_sec - sess->bw_transfer_start_sec);
	elapsed += (double)(curr_usec - sess->bw_transfer_start_usec) / (double)1000000;
	if (elapsed <= (double)0)
	{
		elapsed = (double)0.01;
	}


	// 计算当前传输速度
	unsigned int bw_rate = (unsigned int)((double)bytes_transfered / elapsed);

	double rate_ratio;
	if (is_upload)
	{
		if (bw_rate <= sess->bw_upload_rate_max)
		{
			// 不需要限速
			sess->bw_transfer_start_sec = curr_sec;
			sess->bw_transfer_start_usec = curr_usec;
			return;
		}

		rate_ratio = bw_rate / sess->bw_upload_rate_max;
	}
	else
	{
		if (bw_rate <= sess->bw_download_rate_max)
		{
			// 不需要限速
			sess->bw_transfer_start_sec = curr_sec;
			sess->bw_transfer_start_usec = curr_usec;
			return;
		}

		rate_ratio = bw_rate / sess->bw_download_rate_max;
	}

	// 睡眠时间 = (当前传输速度 / 最大传输速度 – 1) * 当前传输时间;
	double pause_time;
	pause_time = (rate_ratio - (double)1) * elapsed;

	nano_sleep(pause_time);

	sess->bw_transfer_start_sec = get_time_sec();
	sess->bw_transfer_start_usec = get_time_usec();

}
（六）单IP最大连接数的限制

使用哈希表实现。映射之后如果发现某个IP的连接数超过规定的数字，不允许连接即可。这里需要注意的是要建立两个哈希表，分别记录 IP&进程之间的映射和 IP&连接数之间的映射。因为当用户断开连接时我们必须知道进程和IP之间的关系。

请参考我的 博客中介绍哈希表的博文：http://blog.csdn.net/nk_test/article/details/50526184

s_ip_count_hash = hash_alloc(256, hash_func);
	s_pid_ip_hash = hash_alloc(256, hash_func);
void check_limits(session_t *sess)
{
	if (tunable_max_clients > 0 && sess->num_clients > tunable_max_clients)
	{
		ftp_reply(sess, FTP_TOO_MANY_USERS, 
			"There are too many connected users, please try later.");

		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	if (tunable_max_per_ip > 0 && sess->num_this_ip > tunable_max_per_ip)
	{
		ftp_reply(sess, FTP_IP_LIMIT, 
			"There are too many connections from your internet address.");

		exit(EXIT_FAILURE);
	}
}

关于项目的详细实现 请到我的Github 下载源码。

参考：

FTP协议的官方规范：RFC 959

M.J 《动手实现FTP》

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