TFTP 详解

概述

TFTP，全称是 Trivial File Transfer Protocol（简单文件传输协议），基于 UDP 实现，该协议简单到只能从远程服务器读取数据或向远程服务器上传数据。TFTP 有三种模式：netascii，这是8位的ASCII码形式；另一种是octet，这是8位源数据类型；最后一种 mail 已经不再支持，它将返回的数据直接返回给用户而不是保存为文件。

虽然 TFTP 不具备通常的 FTP 的许多功能，但是学习 TFTP 可以帮助我们了解网络通信协议的基本工作过程和原理，对后续学习更加复杂的协议有很大的帮助作用。

首先看一下 TFTP 的包的类型，TFTP 有 5 种类型的包：

建立连接

默认情况下，作为 TFTP 服务器的主机 A 会监听 69 端口，当作为客户端的主机 B 想要下载或上传文件时，会向主机 A 的 69 端口发送包含读文件（下载）请求或写文件（上传）请求的数据包。主机 A 收到读写请求后，会打开另外一个随机的端口，通过这个端口向主机 B 发送确认包、数据包或者错误包。

下载

客户端向服务器的 69 端口（通常情况下）发送一个读请求，服务器收到这个读请求以后，会打开另外一个随机的端口（假设端口号是 59509），然后在它默认的路径下寻找这个文件，找到这个文件以后，每次读入文件的 512 个字节，通过端口 59509 将这 512 个字节放入数据包中发送给客户端，数据包中还包含了操作码和数据块的编号，块编号从 1 开始计数；客户端收到数据包以后，会向服务器的 59509 端口发送一个确认包，里面包含了它收到的数据包的块编号；服务器收到确认包以后，继续发送文件的下一个 512 个字节。

如此循环往复，直到文件的末尾，最后一个数据包的数据块的大小会小于 512 个字节，这时服务器就认为传输已经结束，等他接收到这最后一个数据包的确认包之后就会主动关闭连接。而客户端收到这个小于 512 个字节的数据包后也认为传输已经结束，发送完确认包之后也会关闭连接。

也许会有一种极端情况，就是文件的大小正好是 512 字节的倍数，这样的话，最后一个数据包的大小也是 512 个字节，这时服务器发送完包含文件数据的数据包以后，还会额外发送一个包含 0 字节的数据包，作为最后一个数据包，这样就可以保证客户端收到的最后一个数据包的大小总是小于 512 个字节的。也就是说，对于客户端而言，只要它收到的数据包的大小小于 512 个字节，它就认为传输已经结束，它就会关闭连接。

下面是 TFTP 下载图示：

上传

客户端向服务器的 69 端口（通常情况下）发送一个写请求，服务器收到这个写请求以后，会打开另外一个随机的端口（假设端口号是 59509），向客户端发送一个确认包，其中块编号是 0，以此来告诉客户端自己已经准备好接收文件，并且告诉客户端自己接收文件的端口号。

然后客户端就开始向服务器的 59509 端口发送数据包，服务器收到数据包后向客户端发送确认包，直到整个文件发送完毕。这个过程和下载是一样的，只不过双方的角色互换了，客户端成了发数据的一方，而服务器是接收数据的一方。

下面是 TFTP 上传图示：

错误机制

TFTP 提供了一些错误机制，若出现错误，服务器会向客户端发送 ERROR 包，包格式如下：

前两个字节是操作码，值是 5，代表这是一个 ERROR 包。接下来两个字节是差错码，代表了错误的类型，下面是不同的差错码对应的错误类型：

差错码	含义
1	File not found. （文件未找到，服务器未找到下载请求中指定的文件）
2	Access violation. （访问违规，程序对于服务器的默认路径没有写权限导致的）
3	Disk full or allocation exceeded. （磁盘已满或超出分配，上传文件时可能会出现这个错误）
4	Illegal TFTP operation. （非法的 TFTP 操作，服务器无法识别 TFTP 包中的操作码）
5	Unknown transfer ID. （未知的传输标识）
6	File already exists. （文件已存在，要上传的文件已存在于服务器中）
7	No such user. （没有该用户）

接下来的 n 个字节用于存放错误信息，这部分可以由程序员自己决定存放什么信息。最后一个字节是 0，用来标识结尾。

代码实现

下面以下载文件为例，用 Python 实现一个 TFTP 的客户端。

实验环境

• Windows 10
• VMware 15，里面安装了 Windows 10 操作系统的虚拟机
• Python 3.7
• tftpd64（一个支持 TFTP 协议的软件，安装到 Windows 10 虚拟机里面作为服务器）

下面是 Python 代码：

#filename: tftp_client_download.py
import struct
from socket import *

'''
第一个参数是要下载的文件名，类型是字符串
第二个参数是服务器的IP地址和端口号，类型是元组，
元组中有两个元素，第一个元素是IP地址，类型是字符串，第二个元素是端口号，类型是整数。
比如：('192.168.1.2', 69)
'''
def download(file_name, servAddr):
    file_name_byte_array = file_name.encode('gb2312')
    #组包，octet 代表TFTP协议的一种模式
    sendData = struct.pack('!H'+str(len(file_name_byte_array))+'sb5sb', 
                           1, file_name_byte_array, 0, b'octet', 0) 

    udpSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    udpSocket.sendto(sendData, servAddr)

    newFile = open(file_name, 'wb')
    while True:
        #等待接收数据
        recvInfo = udpSocket.recvfrom(1024) #1024表示本次接受的最大字节数
        transPort = recvInfo[1][1] #传输端口
        data = recvInfo[0] #TFTP数据包的字节流
        len_data = len(data)
        result = struct.unpack("!H", data[:2]) #解包
        opcode = result[0] #获取操作码
        if opcode == 3: #如果操作码是3，说明是DATA包
            result = struct.unpack('!H'+str(len_data-4)+'s', data[2:len_data])
            block = result[0] #获取块编号
            fileStream = result[1] #文件字节流
            newFile.write(fileStream)

            #向服务器发送一个确认包
            ackInfo = struct.pack('!HH', 4, block)
            udpSocket.sendto(ackInfo, (servAddr[0], transPort))
            if len(fileStream) < 512:
                break
        elif opcode == 5: #如果操作码是5，说明是ERROR包
            result = struct.unpack('!H'+str(len_data-5)+'s', data[2:len_data-1])
            print('传输出现异常！')
            print(result[1].decode('gb2312')) #输出错误信息
            break
    newFile.close()
    udpSocket.close()

def main():
    #服务器的IP地址
    serverIP = '192.168.133.135'
    #服务器监听端口，默认是69，这只是用来监听客户端请求的端口，另外还有操作系统随机分配的用来传输文件的端口
    serverPort = 69 
    servAddr = (serverIP, serverPort)
    filename = 'zoro.png'
    download(filename, servAddr)
   
if __name__ == '__main__':
    main()

实验过程

在虚拟机中打开 tftpd64，选择 Tftp Server 选项卡，点击右上角的 Browse 按钮，选择一个主目录，将来收到下载请求的时候，程序会在你选择的这个目录里查找请求下载的文件。

查看一下虚拟机的IP地址，将上面 Python 代码中的服务器 IP 地址改成虚拟机的IP地址，在真实的电脑中运行 Python 代码。

如图所示，若没有出现任何错误提示，就文件说明下载成功，文件已经下载到了当前目录下。

延伸

在代码运行过程中，还可以打开 Wireshark，抓取 TFTP 包，查看其具体内容。