TFTP协议详解
一 TFTP协议简介
TFTP协议全称为Trivial File Transfer Protocol。目标是在UDP之上上建立一个类似于FTP的但仅支持 文件上传 和下载功能的传输协议，所以它不包含FTP协议中的目录操作和用户权限等内容。
与FTP相似，TFTP传输过程中也有传输模式之分，模式的意思是如何解释数据包里的内容，比如是字符串还是二进制等。目前有三种模式：
- l netascii型：一种修改的8bit ascii码
- l octet型：即binary普通的二进制型
- l mail型：过时，不再使用
另外，通讯双方也可以自定义所需的传输模式。
二 TFTP协议分析
本分析以RFC1350为主，结合Ethereal截包软件。TFTP服务器使用Cisco TFTP Server。客户器使用Cisco TFTP Client。
2.1 TFTP包格式
TFTP共定义了五种类型的包格式，格式的区分由包数据前两个字节的Opcode字段区分，分别是：
- l 读文件请求包：Read request，简写为RRQ，对应Opcode字段值为1
- l 写文件请求包：Write requst，简写为WRQ，对应Opcode字段值为2
- l 文件数据包：Data，简写为DATA，对应Opcode字段值为3
- l 回应包：Acknowledgement，简写为ACK，对应Opcode字段值为4
- l 错误信息包：Error，简写为ERROR，对应Opcode字段值为5
1. 读写文件请求包 RRQ/WRQ
读写文件请求包的内容如图2.1所示。
图2.1 读写文件请求包
图2.2是利用Ethereal截获的写文件请求包。
图2.2 Ethereal截获的写文件请求包
从图2.2可以看出，虽然RFC1350中描述的读写文件请求包中并未明确包含option字段，但由于Mode项表示的是一个字符串，故可以把相关内容组合成一个字符串数组放到Mode段里边。
这个包里的option选项有：
- l 数据包大小（blksize）为512字节
- l 超时时间（timeout）10秒
- l 文件大小（tsize）6656000字节
2. 文件数据包 DATA
数据包的格式如图2.3所示。
图2.3 DATA包格式
图2.4 Ethereal截获的DATA包
图2.4为Ethereal截获的数据包。
从图2.4可以看出，该包的包号由Block字段给出，目前该包号为1，最大值为65535，轮流使用。数据包的起始包号从1开始。
另外，TFTP规定，DATA包中数据大小最大为512字节。当DATA包中数据字节小于512时，就表示这是读写文件数据的最后一个包了，我们姑且可称之为结束DATA包。
3. 回应包 ACK
回应包格式如图2.5所示。
图2.5 ACK包格式
图2.6所示为Ethereal截获的对上面的DATA包回复的ACK包。
图2.6 对Block1数据包的回应包
ACK中的包号为锁确认的数据包的包号，例如数据包的包号为100，则该ACK包的包号也为100。
4. 错误信息包 ERROR
错误包格式如图2.7所示。
图2.7 ERROR包格式
其中，RFC1350中ErrorCode定义了7个值，其值和含义分别如下：
- l 0 Not defined, see error message(if any)
- l 1 File not found
- l 2 Access violation
- l 3 Disk full or allocation exceeded
- l 4 Illegal TFTP operation
- l 5 Unknown transfer ID
- l 6 File already exists
- l 7 No such user
图2.8为Ethereal截获的ERROR包。
图2.8 错误包
红色警告的原因是因为该字符串未以0结尾。可能是客户端的软件bug
TFTP规定，ERROR包不会重传也不需要确认，所以有可能对方收不到ERROR包，TFTP建议采用某种ERROR包超时处理机制，但并没有给出具体信息。
2.2 TFTP工作流程
TFTP的工作都是由客户端发起一个RRQ或者WRQ开始的。这里分别以WRQ和RRQ为例，讲述读写的工作过程，以及错误处理等内容。
用S表示Server，C表示Client。
1. WRQ工作流程
- l S在端口为69的UDP上等待C发出写文件请求包
- l C通过UDP发送符合TFTP请求格式的WRQ包给S。从UDP包角度看，该UDP包的源端口由C随意选择，而目标端口则是S的69。
- l S收到C的这个请求包后，需发送ACK给C。对于写请求包，S发送的ACK包确认号为0。
- l C发送DATA数据给S，S接收数据并写文件
- l 当C发送的DATA数据长度小于512字节时，S认为这次WRQ请求完成
这里我们要明确一点，如果有多个C同时向S发起请求的话，S如何正确发送包到对应的C呢。
在TFTP中，一次请求中所有包的源和目标都由Transfer ID(TID)来标示。TFTP规定TID值就是UDP包中的源和目标端口。也就是说，一次请求过程中，S和C通过UDP包的源和目标端口来判断这个包是不是发给自己的。
以WRQ为例，C向S的69端口发送一个文件请求包，这个文件请求包中UDP的源端口号为C的TID（假设C选择4845作为它的TID），目标端口为69（这个时候由于请求还未接受，所以这次请求的UDP包中目标端口不是TID）。S收到这个请求后，将另外采用一个UDP端口（应该另启动了一个UDP Socket）假设为4849来回复这个请求的ACK。这样，这个回复的UDP包的源端口就是S的TID（=4849），目标就是C的UDP端口（TID=4845）。以后，这次请求的后续所有包都在端口为4845和4849中来往。
上述过程隐含了一定程度上的容错处理。例如，C收到一个TID不是4849的包，则认为这个包是错误的。
另外，S对于每个请求，都要采用一个不重复的新的UDP端口号作为它的TID，也就是说，S上同时存在的n个请求的TID都将不同。
这里再介绍下TFTP的回复ACK机制。虽然TFTP中有指定的ACK包作为回应，但在普遍意义上，DATA包和ERROR包都可以作为上一次发送包的响应。
一般来说，C发送了一个非结束DATA包给S，如果在超时时间内，C未收到S发送的ACK，则C继续发送这个DATA直到S回复ACK。这种情况是比较好理解的。
但假如S回复了上一个非结束DATA包ACK后，C在S的超时时间内没有发送下一个DATA包，则S将继续发送这个ACK。从这个角度看，S等待的这个新DATA包是对上一次ACK的确认。
2. RRQ的工作流程
RRQ和WRQ类似。
- l S在端口为69的UDP上等待C发出读文件请求包
- l C通过UDP发送符合TFTP请求格式的RRQ包给S。
- l S收到C的这个请求包后，将直接发送DATA包给C，这个DATA包中含S选择的TID作为UDP的源端口和C的TID作为UDP目标端口，起始包号为1。
- l C接收来自S的DATA包并回复ACK。直到请求完成
3. 连接和错误处理
UDP实际上没有连接的概念。但从上面分析的RRQ和WRQ看，S在69端口上等待请求，而且S总是生成一个新的UDP来完成和C的交互。这个过程和TCP的listen以及Accept非常类似。所以TFTP把这种交互也称作connection。只不过这种连接是隐含在请求中的。
一般情况下，连接的建立由一次成功的请求来发起，当最后一个DATA包发送完毕并且ACK回复了后，则连接正常关闭。在传输过程中，如果出现错误，假设S向C发送了一个ERROR包，如果C收到ERROR包，则连接关闭。如果C没有收到ERROR包，则需要启动ERROR超时检测机制。需要强调的是对于ERROR包，S和C都不会重传也不需要ACK确认。
TFTP建议在连接正常关闭的情况，S可在发送确认结束DATA包的ACK后稍等片刻后再关闭连接。例如，当C发送结束DATA包后，S回复ACK后再等一段时间才关闭。再次等待时间中，如果ACK包丢失，C将再次发送结束DATA包或者超时处理。S如果又收到一次结束DATA包后，就知道ACK包丢失了。S可以关闭连接也可以再次发送ACK包。
2.3 TFTP总结
整体上来说，TFTP的一个重要特点就是简单及易于实现，这也是设计TFTP协议的一个初衷。
优点：
- l 每个数据包大小固定，这样在内存分配处理的时候比较直接
- l 实现简单
- l 每个数据包都有确认机制，可以实现一定程度的可靠性
缺点：
- l 传输效率不高
- l 滑动窗口机制太简单，并且该窗口仅有一个包的大小
- l 超时处理机制并不完善，RFC1350并没有给出详细的处理机制说明
三 范例
这里用流程图表示S和C端的实现过程。
服务器端：
图3.1 服务端工作流程
客户端：
图3.2 客户端工作流程
根据上面这两个流程图，可以很容易实现TFTP的客户端和服务器端，具体的超时重传和错误处理机制，可以自己设计并实现。
