FTP协议的分析和扩展

时间：2019-04-19 09:04:01

关键字：分析扩展 ftp协议

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[导读]>>1.0<< FTP和TCP端口号根据是使用Port模式还是Passive模式，FTP使用不同的TCP端口号，在详细描述FTP前，我们来简单讨论一下TCP端口号的一些基本

>>1.0<< FTP和TCP端口号
根据是使用Port模式还是Passive模式，FTP使用不同的TCP端口号，在详细描述FTP前，我们来简单讨论一下TCP端口号的一些基本概念。TCP使用端口号来标识所发送和接收的应用，端口号可以帮助TCP来分离字节流并且帮相应字节传递给正确的应用程序。

TCP端口号可以是半永久的和暂时的。服务器端监听在半永久的端口上来让客户端访问。客户端使用暂时的端口在本地标识一个对话，客户端端口只在使用TCP服务时候才存在，而服务器端口只要服务器在运行就一直在监听。

TCP端口可以归为3类：
1、众所周知的端口来标识在TCP上运行的标准服务，包括FTP、HTTP、TELNET、SMTP等，这些端口号码范围为0-1023；
2、注册端口号用来标识那些已经向IANA（Internet Assigned Numbers Assigned Numbers Authority）注册的应用，注册端口号为1024-49151；
3、私有端口号是非注册的并且可以动态地分配给任何应用，私有端口为49152-65535；注册的端口号本来打算只给注册的应用使用，可近年来端口号已经陷入了到达极限的困境，你可能会看到本来应该是给注册应用使用的注册端口被非注册应用用做暂时的端口。RFC1700详细标注了众所周知的和注册的端口号。

>>2.0<< FTP Port模式和FTP Passive模式
当你对一个FTP问题进行排错时候，你首先要问的一个问题是使用的是port模式的还是passive 模式。因为这两种行为迥异，所以这两种模式引起的问题也不同；在过去，客户端缺省为acti ve(port)模式；近来，由于Port模式的安全问题，许多客户端的FTP应用缺省为Passive模式。

>>2.1 FTP Port模式
Port模式的FTP步骤如下：
1、客户端发送一个TCP SYN（TCP同步）包给服务器段众所周知的FTP控制端口21，客户端使用暂时的端口作为它的源端口；
2、服务器端发送SYN ACK（同步确认）包给客户端，源端口为21，目的端口为客户端上使用的暂时端口；
3、客户端发送一个ACK（确认）包；客户端使用这个连接来发送FTP命令，服务器端使用这个连接来发送FTP应答；
4、当用户请求一个列表(List)请求或者发起一个要求发送或者接受文件的请求，客户端软件使用PORT命令，这个命令包含了一个暂时的端口，客户端希望服务器在打开一个数据连接时候使用这个暂时端口；PORT命令也包含了一个IP地址，这个IP地址通常是客户自己的IP地址，而且FTP也支持第三方（third-party）模式，第三方模式是客户端告诉服务器端打开与另台主机的连接；
5、服务器端发送一个SYN包给客户端的暂时端口，源端口为20，暂时端口为客户端在PORT命令中发送给服务器端的暂时端口号；
6、客户端以源端口为暂时端口，目的端口为20发送一个SYN ACK包；
7、服务器端发送一个ACK包；
8、发送数据的主机以这个连接来发送数据，数据以TCP段(注：segment，第4层的PDU)形式发送（一些命令，如STOR表示客户端要发送数据，RETR表示服务器段发送数据），这些TCP段都需要对方进行ACK确认（注：因为TCP协议是一个面向连接的协议）
9、当数据传输完成以后，发送数据的主机以一个FIN命令来结束数据连接，这个FIN命令需要另一台主机以ACK确认，另一台主机也发送一个FIN命令，这个FIN命令同样需要发送数据的主机以ACK确认；
10、客户端能在控制连接上发送更多的命令，这可以打开和关闭另外的数据连接；有时候客户端结束后，客户端以FIN命令来关闭一个控制连接，服务器端以ACK包来确认客户端的FIN，服务器同样也发送它的FIN，客户端用ACK来确认。

下图图示了FTP PORT模式前几步步骤：
/====================================================================/
| |
| [ ftp Client ] [ ftp Server ] |
| |
| (TCP:21 连接初始化,控制端口) |
| SYN |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 [TCP] |
| SYN+ACK |
| Port xxxx <---------------------- Port 21 |
| ACK |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 |
| |
| (控制操作: 用户列目录或传输文件) |
| |
| Port, IP, Port yyyy |
| Port xxxx <---------------------- Port 21 |
| Port Seccussful |
| Port xxxx <---------------------- Port 21 |
| List, Retr or Stor |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 |
| |
| |
| (TCP:20 连接初始化,数据端口) |
| SYN |
| Port yyyy <---------------------- Port 20 |
| SYN+ACK |
| Port yyyy ----------------------> Port 20 |
| ACK |
| Port yyyy <---------------------- Port 20 |
| |
| |
| (数据操作: 数据传输) |
| Data + ACK |
| Port yyyy

s: %000010 |
| 0. .... (No Urgent pointer) |
| .0 .... (No Ack) |
| .. 0... (No Push) |
| .. .0.. (No Reset) |
| .. ..1. SYN |
| .. ...0 (No FIN) |
| |
| Window: 3731 |
| Checksum: 0x8A4C |
| Urgent Pointer: 0 |
| No TCP Options |
| |
| TCP Options |
| Options Type: 2 Maxinum Segment Size |
| Length: 4 |
| MSS: 1460 |
| |
| FCS - Frame Check Sequence |
| FCS (Calculated): 0x5A1BD023 |
/====================================================================/

当使用FTP时候，网络中的防火墙必须要声明相应的端口，防火墙必须要跟踪FTP对话然后检查PORT命令，防火墙必须要参与从服务器端到客户端在PORT命令中指定的端口连接的建立过程。
如果网络中使用了NAT（注：网络地址翻译），那么NAT的网关同样也需要声明相应的端口，网关需要把在PORT命令中指定的IP地址翻译成分配给客户的地址，然后重新计算TCP的Checksum；如果网关没有正确地执行这个操作，FTP就失败了。

黑客可能会利用FTP支持第三方特性这一特点，在PORT命令中设置IP地址和端口号参数来指定一台目标主机的地址和端口号（有时候称这种攻击为FTP反弹攻击），例如黑客可以让一台FTP服务器不断地从它的源端口20发送TCP SYN包给一系列目的端口，让FTP服务器看起来正在进行
端口扫描，目的主机不知道攻击来自黑客的主机，看起来攻击象是来自FTP服务器。一些常用的FTP应用在PORT命令中设置地址为0.0.0.0，这样做的意图是让FTP服务器只需要与打开控制连接的相同客户进行数据连接，设置地址为0.0.0.0可能会让防火墙不知所措。例如，CISCO PIX IOS 6.0以上版本的PIX（注：CISCO硬件防火墙设备，6.0以上版本为其修正了相关的FTP协议）要求数据连接的IP地址与已经存在的控制连接的IP地址必须相同。这样做的原因是防止黑客用PORT命令来攻击别的机器，虽然一些FTP应用设置IP地址为0.0.0.0不是有意图的攻击，但在PIX修正协议环境下的确引起了一些问题，同时对其他不允许第三方模式和避免FTP反弹攻击的防火墙来说，这也会引起相同的问题。

>>2.2 FTP Passive模式
下面的列表描述了Passive模式的FTP的步骤，步骤1到3和Port模式FTP相同，步骤9到11同样与Port模式FTP最后三步相同。

1、客户端发送一个TCP SYN（TCP同步）包给服务器段众所周知的FTP控制端口21，客户端使用暂时的端口作为它的源端口；
2、服务器端发送SYN ACK（同步确认）包给客户端，源端口为21，目的端口为客户端上使用的暂时端口；
3、客户端发送一个ACK（确认）包；客户端使用这个连接来发送FTP命令，服务器端使用这个连接来发送FTP应答；
4、当用户请求一个列表(List)或者发送或接收文件时候，客户端软件发送PASV命令给服务器端表明客户端希望进入Passive模式；
5、服务器端进行应答，应答包括服务器的IP地址和一个暂时的端口，这个暂时的端口是客户端在打开数据传输连接时应该使用的端口；
6、客户端发送一个SYN包，源端口为客户端自己选择的一个暂时端口，目的端口为服务器在PASV应答命令中指定的暂时端口号；
7、服务器端发送SYN ACK包给客户端，目的端口为客户端自己选择的暂时端口，源端口为PASV应答中指定的暂时端口号；
8、客户端发送一个ACK包；
9、发送数据的主机以这个连接来发送数据，数据以TCP段(注：segment，第4层的PDU)形式发送（一些命令，如STOR表示客户端要发送数据，RETR表示服务器段发送数据），这些TCP段都需要对方进行ACK确认；
10、当数据传输完成以后，发送数据的主机以一个FIN命令来结束数据连接，这个FIN命令需要另一台主机以ACK确认，另一台主机也发送一个FIN命令，这个FIN命令同样需要发送数据的主机以ACK确认；
11、客户端能在控制连接上发送更多的命令，这可以打开和关闭另外的数据连接；有时候客户端结束后，客户端以FIN命令来关闭一个控制连接，服务器端以ACK包来确认客户端的FIN，服务器同样也发送它的FIN，客户端用ACK来确认。

下图图示了Passive模式FTP的开始几个步骤：
/====================================================================/
| |
| [ ftp Client ] [ ftp Server ] |
| |
| (TCP:21 连接初始化,控制端口) |
| SYN |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 [TCP] |
| SYN+ACK |
| Port xxxx <---------------------- Port 21 |
| ACK |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 |
| |
| (PASV操作: 被动连接数据端口初始化) |
| |
| PASV |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 |
| PASV OK, IP, Port yyyy |
| Port xxxx <---------------------- Port 21 |
| SYN |
| Port zzzz ----------------------> Port yyyy |
| SYN+ACK |
| Port zzzz <---------------------- Port yyyy |
| ACK |
| Port zzzz ----------------------> Port yyyy |
| |
| |
| (数据操作: 数据传输) |
| List, Retr or Stor |
| Port xxxx ----------------------> Port 21 |
| Data + ACK |
| Port zzzz

. ...0 (No FIN) |
| |
| Window: 8192 |
| Checksum: 0x1A57 |
| Urgent Pointer: 0 |
| No TCP Options |
| |
| TCP Options |
| Options Type: 2 Maxinum Segment Size |
| Length: 4 |
| MSS: 1460 |
| |
| FCS - Frame Check Sequence |
| FCS (Calculated): 0x5A1BD023 |
/====================================================================/

大多数人认为在防火墙网络环境中Passive模式比Port模式的问题小，但我们注意到在Passive模式下，客户端打开一个暂时的目的端口连接，一些防火墙或者CISCO设备的访问列表(ACL)可能会阻止这种连接，同样服务器的回应也是从一个暂时的端口到一个暂时的端口，防火墙或者CISCO的访问列表也会阻止这种连接。在CISCO路由器上你可以用访问列表关键字"established"来避免第二个问题，"established"关键字告诉路由器允许带ACK字端的包通过，服务器端的SYN ACK包带有ACK字端。在新版本PIX IOS中也可以通过fixit关键字建立针对ftp协议的深层状态检测过滤，其他大多数状态检测防火墙例如LinuxNetfilters也支持ftp协议的状态检测，进行准确的PASV动态端口过滤。

>>2.3 用户名和口令的明文传输
FTP另一个声名狼藉的问题是它以明文方式发送用户名和口令，也就是不加密地发送。任何人只要在网络中合适的位置放置一个协议分析仪就可以看到用户名和口令；FTP发送的数据也是以明文方式传输，通过对ftp连接的监控和数据收集就可以收集和重现ftp的数据传输并实现协议连接回放。事实上很多用户把相同的用户名和口令用在不同的应用中，这样这个问题可能看起来更为糟糕；如果黑客收集到FTP口令，他们也可能就得到了你在线帐号或者其他一些机密数据的口令。

下面是通过tcpdump -- 一个著名的网络协议分析程序抓取的ftp的完整通讯过程。
/=================================================================/
21:55:36.682402 IP 192.168.0.1.2323 > 192.168.0.3.21: S 2047626269:2047626269(0)
win 65535

等等，但是在大多数情况下，ftp的通用性和易用性使得它在很长一段时间内必然无法被完全取代。所以如同其他一系列古董服务(例如SMTP/HTTP)一样，近年来也出现了一些不需要对ftp协议自身做完全更改的协议扩展模块，能够良好的完成兼容性和功能扩展。ftp SSL/TLS Extension就是其中一种方式。

>>3.1 SSL/TLS简介
先说一下SSL/TLS协议，SSL(Secure Socket Layer)最早是netscape公司设计的用于HTTP协议加密的安全传输协议，SSL工作于TCP协议的传输层(TCP层)和应用程序之间。作为一个中间层，应用程序只要采用SSL提供的一套SSL套接字API来替换标准的Socket套接字，就可以把程序转换为SSL化的安全网络程序，在传输过程中将由SSL协议实现数据机密性和完整性的保证。SSL协议的当前版本为3.0，当SSL取得大规模成功后，IETF(www.ietf.org)将SSL作了标准化，规范为RFC2246，并将其称为TLS（Transport Layer Security）。从技术上讲，TLS1.0与SSL3.0的差别非常微小，SSL由于其历史应用的原因在当前的商业应用程序之中使用得更多一些。

>>3.2 数据机密性和完整性
前面多次提到了数据的机密性和完整性两个方面，在此略微解释一下。数据的机密性确保数据信息机密可靠，不会被没有权限的对象所访问和浏览到，基本的机密性保护手段就是数据加密；而数据的完整性则是指数据在传输和存储过程中将保证数据的唯一和完整，不会被恶意篡改着所修改，保证数据完整性的基本手段主要有数字签名。

这里就牵扯到数据加密领域的两类算法，加密算法和散列算法。加密算法从数学原理上看可以分为对称加密和非对称加密，从数据处理方法上可以分为流加密和分组加密，本文重点不在此，不再赘述，只举例几种常用的加密算法: DES, 3DES, AES, BlowFish,RC2-RC6等等。数据签名算法是加密领域的另一套方法，又叫数据散列算法，用于对数据进行处理生成一个唯一的等长签名字符串，原数据的长度可能是任意的，而任意两个相似但哪怕只有少许细差别的数据集，都将产生差别非常大的等长签名字符串，这个字符串在一般意义下被认为是极少会发生空间冲突(重复)的，因此数据散列算法对于确保数据的唯一性是一种必要的手段；常见的数字散列算法有MD5，SHA-1，CAST-256等等。

可以看出，面对如此多种类的加密算法，应用程序处理起来是很繁琐的。SSL在这个层次中就提供了一种自动的算法协商，密钥交换和数据加密过程。SSL协议分为两部分：Handshake Protocol和Record Protocol，HandShake部分用于处理通讯双方的算法协商和密钥交换过程，Record部分用于对数据进行加密传输。

整个的SSL基本通讯过程如下:
/====================================================================/
| |
| [ SSL Client ] [ SSL Server ] |
| |
| (TCP三步握手) |
| (SSL套结字连接) |
| . |
| . SSLSocket() |
| . Bind() |
| SSLSocket() -------------------> |
| <------------------- Connect |
| (连接加密算法协商) |
| ClientHello() -------------------> |
| (服务器端算法确认和证书发送)|
| ServerHello |
| Certificate* |
| ServerKeyExchange* |
| CertificateRequest* |
| <------------------- ServerHelloDone |
| (客户端证书验证与密钥交换) |
| Certificate* |
| ClientKeyExchange |
| CertificateVerify* |
| [ChangeCipherSpec] |
| Finished -------------------> (数据加密算法协商) |
| [ChangeCipherSpec] |
| <------------------- Finished |
| (应用数据加密传输) |
| Application Data

----------------------------------------- 234 |
| TLSneg()

程:
/======================================================================/
| WinSock 2.0 -- OpenSSL 0.9.7d 17 Mar 2004 |
| [R] Connecting to 192.168.21.3 -> IP=192.168.21.3 PORT=9909 |
| [R] Connected to 192.168.21.3 |
| [R] Connected. Negotiating SSL/TLS session.. |
| [R] SSL/TLS negotiation successful... |
| [R] TLSv1/SSLv3 encrypted session using cipher AES256-SHA (256 bits) |
| [R] 220 Please enter your login name now. |
| [R] PBSZ 0 |
| [R] 200 PBSZ Command OK. Protection buffer size set to 0. |
| [R] USER elly |
| [R] 331 Password required for elly . |
| [R] PASS (hidden) |
| [R] 230 User elly logged in. |
| [R] SYST |
| [R] 215 UNIX Type: L8 , CP:936 |
| [R] PROT P |
| [R] 200 PROT P accepted. |
| [R] PASV |
| [R] 227 Entering Passive Mode (192,168,21,3,5,122) |
| [R] Opening data connection IP: 192.168.21.3 PORT: 1402 |
| [R] LIST -al |
| [R] Connected. Negotiating SSL/TLS session.. |
| [R] 150 Opening ASCII data connection for ls / using SSL/TLS. |
| [R] SSL/TLS negotiation successful... |
| [R] TLSv1/SSLv3 encrypted session using cipher AES256-SHA (256 bits) |
| [R] List Complete: 181 bytes in 0.17 seconds (1.04 KBps) |
/======================================================================/

Explicit SSL模式下ftp client <-- server的通讯数据，可以看到AUTH SSL之后的指令全部都已经加密，无法看到。对应2.3节中的传统通讯过程，这确保了传输过程中数据无法被窃听到。
在Implicit SSL模式中，从初始化连接开始的数据将全部加密，无法分析，因此此处不摘录。
/======================================================================/
21:34:22.095241 IP 192.168.0.1.2279 > 192.168.0.3.999: S 1727744887:1727744887(0) win 65535

71(866) ack 141 win 65395 (DF)
0x0000 4500 038a 8dad 4000 8006 e86b c0a8 0003 E.....@....k....
0x0010 c0a8 0001 03e7 08e7 d67d 9aa4 66fb 4c04 .........}..f.L.
0x0020 5018 ff73 e356 0000 1603 0100 4a02 0000 P..s.V......J...
0x0030 4603 0140 8283 7da1 8821 775e 7765 a9ee F..@..}..!w^we..
0x0040 18ca e0ab 1b17 461e bf71 515f 6837 5c1a ......F..qQ_h7/.
/======================================================================/

>>4.0<< 总结
FTP的替代应用
如今，如果考虑到其他一些安全的文件传输选择，可能看起来没有理由再使用FTP了，如SCP或者SFTP，与FTP应用相似但运用SSH（注：Secure Shell）来进行验证和加密，如果你使用一台基于UNIX的服务器，你可以在命令方式下调用SCP或者SFTP。如果你只是用FTP来更新你的Web页面，有别的替代应用，称为WebDAV的新的协议，WebDAV是HTTP的扩展，它允许多个用户共同编辑和维护远程WEB服务器上的文件。
FTP是在70年代设计出来的，那个时候互联网还是一个封闭的网络，网络安全不是一个大的问题。当FTP在使用NAT网关、防火墙、CISCO访问列表的现代网络环境中运用的时候，不管你使用Port模式还是Passive模式，都可能产生一些问题。