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FTP 服务器设计与实现报告
项目概述
设计题目
编程实现 FTP 服务器 ★★★
设计要求
- 客户端通过 Windows 的命令行访问 FTP 服务器
- FTP 服务器可以并发地服务多个客户
- 至少实现对 FTP 命令 user、pass、dir、get 的支持
- FTP 服务器必须对出现的问题或错误做出响应
技术栈
- 编程语言: Python 3.13+
- 网络编程: Socket 编程
- 并发处理: Threading 多线程
- 协议标准: RFC 959 FTP 协议
系统架构设计
整体架构
graph TB
A[Windows FTP Client] --> B[FTP Server Main]
B --> C[Control Connection Handler]
B --> D[Threading Manager]
C --> E[Command Parser]
C --> F[Data Connection Manager]
E --> G[User Authentication]
E --> H[File Operations]
F --> I[Active Mode]
F --> J[Passive Mode]
D --> K[Client Thread 1]
D --> L[Client Thread 2]
D --> M[Client Thread N]
style A fill:#e1f5fe
style B fill:#f3e5f5
style C fill:#e8f5e8
style D fill:#fff3e0
类设计图
classDiagram
class FTPServer {
+host: str
+port: int
+server_socket: socket
+running: bool
+client_threads: list
+start_server()
+handle_client()
+stop_server()
+cleanup_threads()
}
class FTPSession {
+client_socket: socket
+client_address: tuple
+data_socket: socket
+authenticated: bool
+username: str
+current_directory: str
+handle_session()
+handle_command()
+send_response()
}
class CommandHandler {
+handle_user()
+handle_pass()
+handle_list()
+handle_retr()
+handle_pwd()
+handle_cwd()
+handle_pasv()
+handle_port()
}
FTPServer --> FTPSession
FTPSession --> CommandHandler
数据流图
sequenceDiagram
participant Client as Windows FTP Client
participant Server as FTP Server
participant Session as FTP Session
participant Auth as Authentication
participant FileOp as File Operations
Client->>Server: TCP Connection (Port 21)
Server->>Session: Create New Session
Session->>Client: 220 Service Ready
Client->>Session: USER username
Session->>Auth: Validate User
Auth->>Session: User OK
Session->>Client: 331 Password Required
Client->>Session: PASS password
Session->>Auth: Authenticate
Auth->>Session: Login Success
Session->>Client: 230 User Logged In
Client->>Session: LIST
Session->>Client: 150 Opening Data Connection
Session->>FileOp: Get Directory Listing
FileOp->>Session: File List
Session->>Client: Directory Data
Session->>Client: 226 Transfer Complete
Client->>Session: RETR filename
Session->>Client: 150 Opening Data Connection
Session->>FileOp: Read File
FileOp->>Session: File Data
Session->>Client: File Data
Session->>Client: 226 Transfer Complete
FTP 协议分析
RFC 959 标准
FTP (File Transfer Protocol) 是基于 TCP 的应用层协议，使用两个连接：
- 控制连接 (端口 21): 传输命令和响应
- 数据连接: 传输文件数据和目录列表
支持的 FTP 命令
| 命令 | 功能 | 实现状态 |
|---|---|---|
| USER | 用户身份验证 | ✅ 已实现 |
| PASS | 密码验证 | ✅ 已实现 |
| LIST | 目录列表 (对应 DIR) | ✅ 已实现 |
| NLST | 简单文件列表 | ✅ 已实现 |
| RETR | 文件下载 (对应 GET) | ✅ 已实现 |
| PWD | 显示当前目录 | ✅ 已实现 |
| CWD | 改变目录 | ✅ 已实现 |
| PASV | 被动模式 | ✅ 已实现 |
| PORT | 主动模式 | ✅ 已实现 |
| TYPE | 传输类型 | ✅ 已实现 |
| SYST | 系统信息 | ✅ 已实现 |
| QUIT | 退出连接 | ✅ 已实现 |
FTP 响应码
graph LR
A[FTP 响应码] --> B[2xx 成功]
A --> C[3xx 需要更多信息]
A --> D[4xx 临时错误]
A --> E[5xx 永久错误]
B --> B1[220 服务就绪]
B --> B2[230 用户登录成功]
B --> B3[226 传输完成]
C --> C1[331 需要密码]
D --> D1[425 无法打开数据连接]
E --> E1[530 未登录]
E --> E2[550 文件不存在]
核心模块设计
1. 配置模块 (config.py)
# 服务器配置
FTP_HOST = '127.0.0.1'
FTP_PORT = 21
DATA_PORT_RANGE = (20000, 20100)
# 用户认证
USERS = {
'admin': 'admin123',
'user': 'password',
'test': 'test123',
'guest': 'guest'
}
# FTP 响应码
FTP_RESPONSES = {
'220': '220 Service ready for new user.',
'230': '230 User logged in, proceed.',
'331': '331 User name okay, need password.',
# ... 更多响应码
}
2. 主服务器模块 (ftp_server.py)
- 多线程处理: 每个客户端连接创建独立线程
- 信号处理: 优雅关闭服务器
- 连接管理: 管理活跃连接和线程清理
3. 会话处理模块 (ftp_session.py)
- 命令解析: 解析和路由 FTP 命令
- 状态管理: 维护用户认证状态和当前目录
- 数据传输: 处理被动/主动模式数据连接
关键技术实现
1. 多线程并发处理
graph TD
A[主服务器线程] --> B[监听端口 21]
B --> C[接受客户端连接]
C --> D[创建客户端线程]
D --> E[FTP 会话处理]
E --> F[命令处理循环]
F --> G[响应客户端]
G --> F
F --> H[连接关闭]
H --> I[线程结束]
style A fill:#ffeb3b
style D fill:#4caf50
style E fill:#2196f3
2. 用户认证机制
stateDiagram-v2
[*] --> 未认证
未认证 --> 用户名验证 : USER command
用户名验证 --> 密码验证 : PASS command
密码验证 --> 已认证 : 认证成功
密码验证 --> 未认证 : 认证失败
已认证 --> 未认证 : QUIT command
已认证 --> [*] : 连接断开
3. 数据连接管理
被动模式 (PASV)
def handle_pasv(self):
# 创建数据监听套接字
self.passive_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 绑定到可用端口
for port in range(DATA_PORT_RANGE[0], DATA_PORT_RANGE[1]):
try:
self.passive_socket.bind(('127.0.0.1', port))
break
except OSError:
continue
# 返回 PASV 响应
p1 = port // 256
p2 = port % 256
self.send_response('227', f'Entering Passive Mode (127,0,0,1,{p1},{p2})')
主动模式 (PORT)
def handle_port(self, args):
# 解析 PORT 命令参数
parts = args.split(',')
ip = '.'.join(parts[:4])
port = int(parts[4]) * 256 + int(parts[5])
# 保存客户端数据连接地址
self.data_address = (ip, port)
4. 文件传输实现
目录列表 (LIST/DIR)
def handle_list(self, command):
# 建立数据连接
if not self.establish_data_connection():
return
# 获取目录内容
files = os.listdir(self.current_directory)
listing = []
for filename in files:
if command == 'LIST':
# 详细列表格式
stat = os.stat(filepath)
listing.append(f'{permissions} {size} {mtime} {filename}')
else:
# 简单列表格式
listing.append(filename)
# 发送数据
data = '\r\n'.join(listing) + '\r\n'
self.data_socket.send(data.encode('utf-8'))
文件下载 (RETR/GET)
def handle_retr(self, filename):
# 安全检查
filepath = os.path.normpath(os.path.join(self.current_directory, filename))
if not filepath.startswith(SERVER_ROOT):
self.send_response('550', 'Permission denied')
return
# 建立数据连接
if not self.establish_data_connection():
return
# 传输文件
with open(filepath, 'rb') as f:
while True:
data = f.read(8192)
if not data:
break
self.data_socket.send(data)
安全性设计
1. 路径安全
- 路径规范化: 使用
os.path.normpath()防止路径遍历 - 根目录限制: 确保所有文件操作在服务器根目录内
- 权限检查: 验证文件访问权限
2. 用户认证
- 密码验证: 简单的用户名/密码认证机制
- 会话管理: 维护用户登录状态
- 权限控制: 未认证用户无法执行文件操作
3. 错误处理
- 异常捕获: 全面的异常处理机制
- 错误响应: 标准 FTP 错误码响应
- 资源清理: 确保连接和文件句柄正确关闭
测试方案
1. 功能测试
Windows 命令行测试
# 连接到 FTP 服务器
ftp 127.0.0.1
# 用户认证
USER admin
PASS admin123
# 目录操作
PWD
DIR
CD documents
# 文件下载
GET readme.txt
GET sample.txt
# 退出
QUIT
2. 并发测试
- 多个客户端同时连接
- 并发文件传输测试
- 线程安全验证
3. 错误处理测试
- 无效用户名/密码
- 不存在的文件/目录
- 网络连接中断
- 权限拒绝场景
项目文件结构
CN-design-ftp/
├── main.py # 程序入口
├── ftp_server.py # 主服务器类
├── ftp_session.py # 会话处理类
├── config.py # 配置文件
├── design_report.md # 设计报告
├── ftp_root/ # FTP 服务器根目录
│ ├── readme.txt # 说明文件
│ ├── sample.txt # 示例文本文件
│ ├── data.json # JSON 数据文件
│ └── documents/ # 子目录
│ └── test_doc.txt # 测试文档
└── test_files/ # 测试文件目录
使用说明
1. 启动服务器
python main.py
2. Windows 客户端连接
ftp 127.0.0.1 2121
注意：由于使用非标准端口 2121（避免需要管理员权限），需要指定端口号。
3. 测试用户账号
| 用户名 | 密码 |
|---|---|
| admin | admin123 |
| user | password |
| test | test123 |
| guest | guest |
4. 支持的命令映射
| Windows FTP 命令 | FTP 协议命令 | 功能 |
|---|---|---|
| USER username | USER | 用户登录 |
| PASS password | PASS | 密码验证 |
| DIR | LIST | 目录列表 |
| LS | NLST | 简单列表 |
| GET filename | RETR | 下载文件 |
| PWD | PWD | 当前目录 |
| CD dirname | CWD | 改变目录 |
| QUIT | QUIT | 退出连接 |
性能特点
1. 并发性能
- 多线程架构: 支持多客户端并发访问
- 线程池管理: 自动清理完成的线程
- 资源优化: 合理的端口范围和连接管理
2. 可扩展性
- 模块化设计: 清晰的模块分离
- 配置化: 易于修改服务器参数
- 命令扩展: 容易添加新的 FTP 命令
3. 稳定性
- 异常处理: 全面的错误处理机制
- 优雅关闭: 信号处理和资源清理
- 状态管理: 可靠的会话状态维护
技术难点与解决方案
1. FTP 协议的双连接机制
难点: FTP 使用控制连接和数据连接分离的设计 解决方案:
- 实现被动模式 (PASV) 和主动模式 (PORT)
- 动态端口分配和连接管理
- 数据传输完成后及时关闭数据连接
2. 多线程并发处理
难点: 多客户端并发访问的线程安全 解决方案:
- 每个客户端独立线程处理
- 线程安全的资源管理
- 优雅的线程生命周期管理
3. Windows 兼容性
难点: 确保与 Windows FTP 客户端完全兼容 解决方案:
- 严格遵循 RFC 959 标准
- 正确的响应码和消息格式
- 支持 Windows FTP 客户端的命令映射
总结
本项目成功实现了一个功能完整的 FTP 服务器，满足了所有设计要求：
- ✅ Windows 命令行兼容: 完全支持 Windows FTP 客户端
- ✅ 并发处理: 多线程架构支持多客户端同时访问
- ✅ 核心命令支持: 实现了 USER、PASS、DIR、GET 等关键命令
- ✅ 错误处理: 完善的错误响应和异常处理机制
技术亮点
- 严格遵循 RFC 959 FTP 协议标准
- 模块化和可扩展的代码架构
- 全面的安全性考虑
- 详细的文档和测试方案
学习收获
- 深入理解了 FTP 协议的工作原理
- 掌握了 Python Socket 网络编程
- 学会了多线程并发编程技术
- 提高了系统设计和架构能力
该 FTP 服务器可以作为计算机网络课程设计的优秀示例，展示了网络协议实现的完整过程。