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@suzakutakumi3(朱雀 匠)inZli

FTPサーバをPythonの標準ライブラリで実装

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はじめに

この記事はAizu Advent Calendar 2023の12日目の記事です。
また、誕生日でした。(遅れてごめんなさい)

本題

FTPサーバをPythonの標準ライブラリにあるsocketで実装する。

前提

基本的にHTTPやFTPなどの通信はTCP・UDP通信を使用した文字列のフォーマットを指す。
例えば、以下のHTTPリクエストの文字列をTCP通信でサーバへ送ることでHTTPリクエストができる。

POST /post HTTP/1.1
Host: localhost
Connection: keep-alive
Content-Length: 47
Content-Type: application/json
Accept: */*

{
  "user":"suzaku",
  "content":"HTTP通信"
}

参考文献について

RFC959を日本語訳した記事を参考に実装を行っています。
http://srgia.com/docs/rfc959j.html

FTP通信の基本について

FTP通信には制御用コネクションとデータ転送用コネクションの二つのコネクションがあります。
制御用コネクションの通信の基本はクライアントサーバモデルの通信方式となっています。
データ転送用コネクションでは、FTPクライアント側から送られてくるIPアドレスとポートにFTPサーバ側から接続をして、データのやり取りをします。

制御用コネクションの通信

クライアントからの通信

FTP通信ではFTPクライアントからコマンドコード(4文字以下のアルファベット)と引数(ない場合もある)が空白区切りでコマンドとして送られてくる。
例えば、カレントディレクトリを把握するコマンドはPWDで、カレントディレクトリを/hoge/fugaに変更するコマンドはCWD /hoge/fugaです。

サーバからの通信

サーバはクライアントからのコマンドに応じて、リプライコード(3桁の数字)と任意の文字列をリプライとして送ります。
一部のコマンドでは、データのやり取りの開始と終了を知らせるなどのためにリプライが2回送られることがあります。
また、コマンドごとに送り返すリプライコードが決められており、CWDの場合は下にリプライコードから選ぶことになります。
image.png

データ転送用コネクション

データの通信では、クライアント側にTCPサーバが建てられ、サーバ側がそのTCPサーバに接続することでファイルのデータを送受信する。

データ転送用コネクションを繋げて閉じるまで

データ転送を要するLISTやRETRやSTORなどのコマンドは、その前にPORTコマンドが送られてくる。
実際の通信は以下の図のようになる。

PORTの指定

PORTコマンドでは、データを転送するクライアントのTCPサーバのIPアドレスとポート番号が送られてくる。

PORT 192,168,0,5,132,153

上の例の場合、1番目から4番目がIPアドレス192.168.0.5で、5番目と6番目はPORTの上位8ビットと下位8ビットを表しており計算は(132<<8)|153で33945ポートを表しています。

プログラム

プログラムを以下に示します。

import socket
import os
import sys

server_ip = "127.0.0.1"
server_port = 20000
listen_num = 1
buffer_size = 1024

if len(sys.argv) >= 2:
    server_port = int(sys.argv[1])

tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
tcp_server.bind((server_ip, server_port))
tcp_server.listen(listen_num)

user = "hoge"
password = "pass"

current_directory = "/"

while True:
    client, address = tcp_server.accept()
    client.settimeout(60.0*10)

    print("Connected {address}")
    client.send(b"220 Welcome to FTP Server\n")

    while True:
        command = [d.decode("utf-8")
                   for d in client.recv(buffer_size).split()]
        print(command)
        command_code = command[0]
        args = command[1:]
        if command_code == "USER":
            if args[0] == user:
                client.send(b'331 Need Password\n')
            else:
                client.send(b'530 Login Faild\n')
                client.close()
                break

        elif command_code == "PASS":
            if args[0] == password:
                client.send(b'230 Login\n')
            else:
                client.send(b'530 Login Faild\n')
                client.close()
                break
        
        elif command_code == "SYST":
            client.send(b'215 Python3\n')   

        elif command_code == "PORT":
            address = args[0].split(',')
            host = '.'.join(address[:4])
            port = (int(address[4]) << 8) | int(address[5])

            client.send(b'200\n')

        elif command_code == "LIST":
            client.send(b'150 Opening\n')
            
            files = os.listdir("."+current_directory)
            files_text = ' '+' '.join(files)

            data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
            data_client.connect((host, port))
            data_client.send(files_text.encode('utf-8')+b'\r\n')
            data_client.close()

            client.send(b'226 Closing\n')

        elif command_code == "RETR":
            filepath = args[0]
            if os.path.isabs(filepath):
                filepath = "."+filepath
            else:
                filepath = os.path.join("."+current_directory, filepath)

            if not os.path.isfile(filepath):
                client.send(b'550 File not found\n')
                continue

            with open(filepath) as f:
                filedata = f.read()

            client.send(b'150 Opening\n')
            
            data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
            data_client.connect((host, port))
            data_client.send(filedata.encode('utf-8'))
            data_client.close()
            
            client.send(b'226 Closing\n')

        elif command_code == "STOR":
            client.send(b'150 Opening\n')

            data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
            data_client.connect((host, port))
            filedata = b""
            while True:
                data = data_client.recv(buffer_size)
                if data == b'':
                    break
                filedata += data
            data_client.close()

            filepath = args[0]
            if os.path.isabs(filepath):
                filepath = "."+filepath
            else:
                filepath = os.path.join("."+current_directory, filepath)
            
            with open(filepath, 'w') as f:
                f.write(filedata.decode('utf-8'))

            client.send(b'226 Closing\n')

        elif command_code == "CWD":
            new_path = args[0]
            if not os.path.isabs(new_path):
                new_path = os.path.join(current_directory, new_path)
            new_path = os.path.normpath(new_path)

            if os.path.isdir("."+new_path):
                current_directory = new_path
                client.send(b'250 Change Current Directory\n')
            else:
                client.send(b'501 This path is not found\n')

        elif command_code == "PWD":
            client.send(f'257 "{current_directory}"\n'.encode('utf-8'))
        
        elif command_code == "QUIT":
            client.send(b'221 ByeBye\n')
            client.close()
            break

        else:
            client.send(input().encode('utf-8')+b"\n")

このプログラムから、制御用コネクションとデータ転送用コネクションの通信部分について解説をしていきます。(TCP通信の詳しいところは省くよ)

接続開始

ユーザ側が接続してきたらタイムアウトの設定をして、220を返します。

client, address = tcp_server.accept()
client.settimeout(60.0*10)

print("Connected {address}")
client.send(b"220 Welcome to FTP Server\n")

クライアント側からのコマンド受け取り

コマンドをsplitで分割&文字列に変換し、最初のコマンドコードとそれ以降の引数で変数を分けました。

command = [d.decode("utf-8")
           for d in client.recv(buffer_size).split()]
print(command)
command_code = command[0]
args = command[1:]

ユーザ認証

  1. 接続が開始されるとクライアント側からUSERコマンドが引数にユーザ名を持って送られてくる。
    ユーザ名が合っている場合はパスワードを要求する331を返答する。合っていない場合は530を返答してコネクションを切断をする。
  2. 331の後、クライアント側からPASSコマンドが引数にパスワードを持って送られてくる。
    ユーザ名が合っている場合はログインが完了した230を返答する。合っていない場合は530を返答してコネクションを切断をする。
  3. 230の後、クライアント側からFTPサーバのシステム名を聞いてくるSYSTコマンド送られてくる。
    返答として、215とシステム名(今回の場合は(ふざけて)Python3にする)を指定する。
if command_code == "USER":
    if args[0] == user:
        client.send(b'331 Need Password\n')
    else:
        client.send(b'530 Login Faild\n')
        client.close()
        break

elif command_code == "PASS":
    if args[0] == password:
        client.send(b'230 Login\n')
    else:
        client.send(b'530 Login Faild\n')
        client.close()
        break

elif command_code == "SYST":
    client.send(b'215 Python3\n')

PORTの指定

先ほど説明したPORTコマンドの処理をします。
引数を,で分割し、前の4つを'.'で再結合してホスト、後の2つを計算してポートを記憶します。

elif command_code == "PORT":
    address = args[0].split(',')
    host = '.'.join(address[:4])
    port = (int(address[4]) << 8) | int(address[5])

    client.send(b'200\n')

ファイルやディレクトリの一覧を表示への対応(ls)

  1. 150を返答してデータ通信の開始を知らせます。
  2. 前述のPORTコマンドで指定されたホストとポートにデータ転送用コネクションとして接続します。
  3. ファイルやディレクトリの一覧を送信します。この時、最後に末尾にOSなどに適した改行コードを付けます。(今回は\r\n)
  4. データ転送用コネクションを閉じた後に、閉じたことを知らせる226をクライアントに送ります。
elif command_code == "LIST":
    client.send(b'150 Opening\n')

    data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    data_client.connect((host, port))

    ファイルやディレクトリの一覧を取得
    data_client.send(files.encode('utf-8')+b'\r\n')
    
    data_client.close()

    client.send(b'226 Closing\n')

ファイルデータの送信(get)

  1. 引数からファイルパスを取得し、絶対パスや相対パスなどの処理を行う。
  2. ファイルが存在していなければエラーとして550を返答する。
    ファイルが存在しているならば150を返答してデータ通信の開始を知らせます。
  3. 前述のPORTコマンドで指定されたホストとポートにデータ転送用コネクションとして接続します。
  4. ファイルデータを送信します。
  5. データ転送用コネクションを閉じた後に、閉じたことを知らせる226をクライアントに送ります。
elif command_code == "RETR":
    filepath = args[0]
    filepathの処理

    if not os.path.isfile(filepath):
        client.send(b'550 File not found\n')
        continue

    client.send(b'150 Opening\n')
    
    data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    data_client.connect((host, port))
    data_client.send(filedata.encode('utf-8'))
    data_client.close()
    
    client.send(b'226 Closing\n')

ファイルデータの受信(put)

  1. 150を返答してデータ通信の開始を知らせます。
  2. 前述のPORTコマンドで指定されたホストとポートにデータ転送用コネクションとして接続します。
  3. 接続するとファイルデータが送られてくるので、空文字列が送られてくるまでファイルデータを受信します。
  4. 引数から取得したファイルパスにファイルを生成する。
  5. データ転送用コネクションを閉じた後に、閉じたことを知らせる226をクライアントに送ります。
elif command_code == "STOR":
    client.send(b'150 Opening\n')

    data_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    data_client.connect((host, port))
    filedata = b""
    while True:
        data = data_client.recv(buffer_size)
        if data == b'':
            break
        filedata += data
    data_client.close()

    filepath = args[0]
    ファイルパスの処理
    
    with open(filepath, 'w') as f:
        f.write(filedata.decode('utf-8'))

    client.send(b'226 Closing\n')

カレントディレクトリ変更への対応(cd)

引数からディレクトリのパスを確認し、ディレクトリが存在するならばカレントディレクトリを変更して250を返答する。ディレクトリが存在しなければ、501を返答する。

elif command_code == "CWD":
    new_path = args[0]
    new_pathの処理

    if ディレクトリが存在するか:
        current_directory = new_path
        client.send(b'250 Change Current Directory\n')
    else:
        client.send(b'501 This path is not found\n')

カレントディレクトリの確認(pwd)

PWDが来たら、257と引数にカレントディレクトリの文字列を返答するだけです。

elif command_code == "PWD":
    client.send(f'257 "{current_directory}"\n'.encode('utf-8'))

FTP接続の終了

接続終了時はQUITが送られてくるので、221と返して接続を閉じます。

elif command_code == "QUIT":
    client.send(b'221 ByeBye\n')
    client.close()
    break

感想

FTPサーバですが、TCPで意外と簡単に実装することが出来ました。
しかし、ただのFTPですのでユーザ名やパスワード、ファイルデータが平文で送受信されているので、FTPSの実装をしていきたいと思います。

加えて、今後はESP32上などに実装して面白いことができれば良いなと考えています。

参考文献

https://ja.wikipedia.org/wiki/File_Transfer_Protocol
http://srgia.com/docs/rfc959j.html

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