FTP 协议介绍与 C 语言开发案例

前进的程序员2025-05-23 10:36

一、FTP 协议概述

文件传输协议（File Transfer Protocol, FTP）是用于在网络上进行文件传输的标准协议，它基于客户端 - 服务器模型，使用 TCP 作为传输层协议，默认通过 20 和 21 两个端口进行通信。其中，端口 21 用于控制连接（发送命令和接收响应），端口 20 用于数据传输（上传或下载文件）。

FTP 协议的主要特点包括：

  1. 命令与响应机制：客户端通过发送标准命令（如 USER、PASS、LIST、RETR、STOR 等）与服务器交互，服务器返回三位数字的状态码及描述信息。

  2. 两种工作模式：

    • 主动模式（Active Mode）：服务器主动连接客户端的数据端口（通常是 20）。
    • 被动模式（Passive Mode）：服务器开放一个临时端口，客户端主动连接该端口进行数据传输，适合在防火墙环境下使用。

  3. 文件传输类型：支持 ASCII 文本模式和二进制模式，确保不同系统间文件格式的兼容性。

  4. 用户认证：通常需要用户名和密码进行身份验证，也支持匿名访问（使用 anonymous 作为用户名）。

二、FTP 协议的工作流程

FTP 会话的基本工作流程如下：

  1. 建立控制连接：客户端连接到服务器的 21 端口，进行初始握手和协议协商。

  2. 用户认证：客户端发送 USER 和 PASS 命令进行身份验证。

  3. 命令交互：客户端发送各种命令（如改变目录 CWD、列出文件 LIST 等），服务器返回响应。

  4. 数据传输：当需要上传或下载文件时，客户端和服务器建立数据连接（主动或被动模式），完成文件传输。

  5. 关闭连接：会话结束后，关闭数据连接和控制连接。

三、C 语言实现 FTP 客户端

下面我们用 C 语言实现一个简单的 FTP 客户端，支持基本的文件传输功能。这个示例将展示如何使用 socket 编程实现 FTP 协议的核心功能。

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>

#define FTP_CONTROL_PORT 21
#define BUFFER_SIZE 1024
#define COMMAND_SIZE 256

// 全局变量
int control_socket;
char response[BUFFER_SIZE];

// 函数声明
int connect_to_server(const char *host, int port);
void send_command(const char *command);
int receive_response();
void login(const char *user, const char *pass);
void list_files();
void download_file(const char *filename);
void upload_file(const char *filename);
void disconnect();

// 连接到FTP服务器
int connect_to_server(const char *host, int port) {
    struct hostent *server;
    struct sockaddr_in server_addr;
    
    // 创建套接字
    if ((control_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation error");
        return -1;
    }
    
    // 获取主机信息
    if ((server = gethostbyname(host)) == NULL) {
        perror("host not found");
        close(control_socket);
        return -1;
    }
    
    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    memcpy(&server_addr.sin_addr.s_addr, server->h_addr, server->h_length);
    server_addr.sin_port = htons(port);
    
    // 连接服务器
    if (connect(control_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connection failed");
        close(control_socket);
        return -1;
    }
    
    // 接收欢迎信息
    if (receive_response() != 220) {
        fprintf(stderr, "Unexpected response from server\n");
        close(control_socket);
        return -1;
    }
    
    printf("Connected to %s:%d\n", host, port);
    return 0;
}

// 发送命令到服务器
void send_command(const char *command) {
    printf("Sending: %s\n", command);
    if (send(control_socket, command, strlen(command), 0) < 0) {
        perror("send failed");
    }
}

// 接收服务器响应
int receive_response() {
    memset(response, 0, BUFFER_SIZE);
    ssize_t bytes_received = recv(control_socket, response, BUFFER_SIZE - 1, 0);
    
    if (bytes_received < 0) {
        perror("receive failed");
        return -1;
    }
    
    printf("Server response: %s", response);
    
    // 提取状态码
    int status_code = 0;
    if (sscanf(response, "%d", &status_code) != 1) {
        fprintf(stderr, "Failed to parse status code\n");
        return -1;
    }
    
    return status_code;
}

// 用户登录
void login(const char *user, const char *pass) {
    char command[COMMAND_SIZE];
    
    // 发送用户名
    snprintf(command, COMMAND_SIZE, "USER %s\r\n", user);
    send_command(command);
    if (receive_response() != 331) {
        fprintf(stderr, "Username not accepted\n");
        return;
    }
    
    // 发送密码
    snprintf(command, COMMAND_SIZE, "PASS %s\r\n", pass);
    send_command(command);
    if (receive_response() != 230) {
        fprintf(stderr, "Password not accepted\n");
        return;
    }
    
    printf("Login successful\n");
}

// 列出远程目录文件
void list_files() {
    char command[COMMAND_SIZE];
    int data_socket;
    struct sockaddr_in data_addr;
    socklen_t data_addr_len = sizeof(data_addr);
    
    // 进入被动模式
    send_command("PASV\r\n");
    if (receive_response() != 227) {
        fprintf(stderr, "Failed to enter passive mode\n");
        return;
    }
    
    // 解析被动模式返回的IP和端口
    int h1, h2, h3, h4, p1, p2;
    char *p = strstr(response, "(");
    if (p == NULL || sscanf(p, "(%d,%d,%d,%d,%d,%d)", &h1, &h2, &h3, &h4, &p1, &p2) != 6) {
        fprintf(stderr, "Failed to parse passive mode response\n");
        return;
    }
    
    // 计算数据端口
    int data_port = p1 * 256 + p2;
    
    // 创建数据套接字并连接
    if ((data_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("data socket creation error");
        return;
    }
    
    memset(&data_addr, 0, sizeof(data_addr));
    data_addr.sin_family = AF_INET;
    data_addr.sin_addr.s_addr = htonl((h1 << 24) | (h2 << 16) | (h3 << 8) | h4);
    data_addr.sin_port = htons(data_port);
    
    if (connect(data_socket, (struct sockaddr *)&data_addr, sizeof(data_addr)) < 0) {
        perror("data connection failed");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 发送LIST命令
    send_command("LIST\r\n");
    if (receive_response() != 150) {
        fprintf(stderr, "Failed to start listing files\n");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 接收文件列表
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t bytes;
    while ((bytes = recv(data_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0)) > 0) {
        buffer[bytes] = '\0';
        printf("%s", buffer);
    }
    
    close(data_socket);
    
    // 接收完成响应
    receive_response();
}

// 下载文件
void download_file(const char *filename) {
    char command[COMMAND_SIZE];
    int data_socket;
    struct sockaddr_in data_addr;
    socklen_t data_addr_len = sizeof(data_addr);
    
    // 进入被动模式
    send_command("PASV\r\n");
    if (receive_response() != 227) {
        fprintf(stderr, "Failed to enter passive mode\n");
        return;
    }
    
    // 解析被动模式返回的IP和端口
    int h1, h2, h3, h4, p1, p2;
    char *p = strstr(response, "(");
    if (p == NULL || sscanf(p, "(%d,%d,%d,%d,%d,%d)", &h1, &h2, &h3, &h4, &p1, &p2) != 6) {
        fprintf(stderr, "Failed to parse passive mode response\n");
        return;
    }
    
    // 计算数据端口
    int data_port = p1 * 256 + p2;
    
    // 创建数据套接字并连接
    if ((data_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("data socket creation error");
        return;
    }
    
    memset(&data_addr, 0, sizeof(data_addr));
    data_addr.sin_family = AF_INET;
    data_addr.sin_addr.s_addr = htonl((h1 << 24) | (h2 << 16) | (h3 << 8) | h4);
    data_addr.sin_port = htons(data_port);
    
    if (connect(data_socket, (struct sockaddr *)&data_addr, sizeof(data_addr)) < 0) {
        perror("data connection failed");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 发送RETR命令
    snprintf(command, COMMAND_SIZE, "RETR %s\r\n", filename);
    send_command(command);
    if (receive_response() != 150) {
        fprintf(stderr, "Failed to start file transfer\n");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 接收文件数据并写入本地文件
    FILE *file = fopen(filename, "wb");
    if (file == NULL) {
        perror("failed to open file");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t bytes;
    while ((bytes = recv(data_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) > 0) {
        fwrite(buffer, 1, bytes, file);
    }
    
    fclose(file);
    close(data_socket);
    
    // 接收完成响应
    receive_response();
    printf("File %s downloaded successfully\n", filename);
}

// 上传文件
void upload_file(const char *filename) {
    char command[COMMAND_SIZE];
    int data_socket;
    struct sockaddr_in data_addr;
    socklen_t data_addr_len = sizeof(data_addr);
    
    // 进入被动模式
    send_command("PASV\r\n");
    if (receive_response() != 227) {
        fprintf(stderr, "Failed to enter passive mode\n");
        return;
    }
    
    // 解析被动模式返回的IP和端口
    int h1, h2, h3, h4, p1, p2;
    char *p = strstr(response, "(");
    if (p == NULL || sscanf(p, "(%d,%d,%d,%d,%d,%d)", &h1, &h2, &h3, &h4, &p1, &p2) != 6) {
        fprintf(stderr, "Failed to parse passive mode response\n");
        return;
    }
    
    // 计算数据端口
    int data_port = p1 * 256 + p2;
    
    // 创建数据套接字并连接
    if ((data_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("data socket creation error");
        return;
    }
    
    memset(&data_addr, 0, sizeof(data_addr));
    data_addr.sin_family = AF_INET;
    data_addr.sin_addr.s_addr = htonl((h1 << 24) | (h2 << 16) | (h3 << 8) | h4);
    data_addr.sin_port = htons(data_port);
    
    if (connect(data_socket, (struct sockaddr *)&data_addr, sizeof(data_addr)) < 0) {
        perror("data connection failed");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 发送STOR命令
    snprintf(command, COMMAND_SIZE, "STOR %s\r\n", filename);
    send_command(command);
    if (receive_response() != 150) {
        fprintf(stderr, "Failed to start file transfer\n");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 打开本地文件
    FILE *file = fopen(filename, "rb");
    if (file == NULL) {
        perror("failed to open file");
        close(data_socket);
        return;
    }
    
    // 读取文件内容并发送
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    size_t bytes;
    while ((bytes = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, file)) > 0) {
        send(data_socket, buffer, bytes, 0);
    }
    
    fclose(file);
    close(data_socket);
    
    // 接收完成响应
    receive_response();
    printf("File %s uploaded successfully\n", filename);
}

// 断开连接
void disconnect() {
    send_command("QUIT\r\n");
    receive_response();
    close(control_socket);
    printf("Disconnected from server\n");
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 4) {
        printf("Usage: %s <host> <username> <password> [filename]\n", argv[0]);
        printf("If filename is provided, it will be downloaded or uploaded.\n");
        printf("If no filename is provided, the remote directory will be listed.\n");
        return 1;
    }
    
    const char *host = argv[1];
    const char *username = argv[2];
    const char *password = argv[3];
    const char *filename = (argc > 4) ? argv[4] : NULL;
    
    // 连接到服务器
    if (connect_to_server(host, FTP_CONTROL_PORT) != 0) {
        return 1;
    }
    
    // 登录
    login(username, password);
    
    // 根据参数执行操作
    if (filename) {
        // 检查文件是否存在，存在则上传，不存在则下载
        if (access(filename, F_OK) != -1) {
            upload_file(filename);
        } else {
            download_file(filename);
        }
    } else {
        // 列出文件
        list_files();
    }
    
    // 断开连接
    disconnect();
    
    return 0;
}
四、代码说明

上述代码实现了一个简单但功能完整的 FTP 客户端，主要包含以下几个部分：

  1. 连接管理 ：connect_to_server函数负责建立与 FTP 服务器的控制连接，并接收欢迎信息。

  2. 命令处理 ：send_command和receive_response函数分别用于发送命令和接收服务器响应，处理状态码。

  3. 用户认证 ：login函数实现了用户名和密码的认证过程。

  4. 文件列表 ：list_files函数通过被动模式建立数据连接，并获取远程目录的文件列表。

  5. 文件下载 ：download_file函数实现了从服务器下载文件的功能，使用二进制模式传输数据。

  6. 文件上传 ：upload_file函数实现了向服务器上传文件的功能，同样使用二进制模式。

  7. 连接断开 ：disconnect函数发送 QUIT 命令并关闭控制连接。

五、编译和使用方法

编译程序：

复制代码 
gcc ftp_client.c -o ftp_client

使用示例：

  1. 列出远程目录：./ftp_client ftp.example.com username password
  2. 下载文件：./ftp_client ftp.example.com username password remote_file.txt
  3. 上传文件：./ftp_client ftp.example.com username password local_file.txt
六、FTP 协议的安全性考虑

虽然 FTP 是一个广泛使用的协议，但它有一个明显的安全缺陷：所有数据（包括用户名、密码和文件内容）都是以明文形式传输的。为了解决这个问题，出现了以下几种改进方案：

  1. FTPS：在 FTP 基础上加入 SSL/TLS 加密，提供数据传输的安全性。

  2. SFTP：基于 SSH 协议的文件传输协议，提供更安全的文件传输环境。

  3. HTTPS：虽然不是专门的文件传输协议，但可以通过 Web 服务器实现安全的文件上传和下载。

在实际应用中，特别是涉及敏感数据时，建议使用更安全的替代方案。

七、总结

FTP 协议是互联网上最早的文件传输协议之一，虽然存在安全问题，但由于其简单性和广泛支持，仍然在许多场景中被使用。通过 C 语言实现 FTP 客户端，我们可以深入理解网络协议的工作原理和 socket 编程技术。这个示例展示了如何使用 C 语言实现基本的网络通信、协议解析和文件操作，为进一步开发更复杂的网络应用提供了基础。

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