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Java 實作 FTP 伺服器核心架構與指令處理完整解析

編輯：J2EE

FTP 協定核心指令分類

FTP（File Transfer Protocol）基於命令/回應模型，客戶端發送文字指令，伺服器回應三位數狀態碼與訊息。主要指令分類：

類別	指令	說明
傳輸模式	TYPE A / I	ASCII(文字) / Binary(二進位) 模式切換
傳輸模式		MODE S / B / C	串流/區塊/壓縮傳輸模式（較少用）
目錄操作	CWD <path>	變更工作目錄
		CDUP	回上層目錄
		PWD / LIST / NLST	顯示當前路徑 / 詳細列表 / 精簡列表
檔案傳輸	RETR <file>	下載檔案
		STOR <file>	上傳檔案
		APPE <file>	斷點續傳（附加模式）
檔案管理	DELE <file>	刪除檔案
		RNFR / RNTO	重新命名（從/至）
		MKD / RMD	建立/刪除目錄
連線控制	USER / PASS	使用者認證
連線控制		QUIT / ABOR	離線 / 中止傳輸
資料連線	PORT / PASV	主動/被動模式資料埠協商

伺服器架構設計：多執行緒 + 雙通道

FTP 採用雙通道架構：

控制通道（命令通道）：TCP 21 埠，持久連線，傳送指令與回應。
資料通道：臨時建立，傳輸檔案內容或目錄列表，傳輸完畢即關閉。

主流程設計

主執行緒綁定 ServerSocket(21) 監聽。
接受客戶端連線 accept()，為每個連線建立服務執行緒（FTPServer extends Thread）。
服務執行緒 run() 迴圈讀取指令、解析、派發處理、回應。
涉及檔案傳輸指令（RETR/STOR/LIST）時，依 PORT 或 PASV 協商建立資料 Socket 連線。

關鍵程式碼實作解析

1. 主伺服器啟動與執行緒分派

public class FTPServer extends Thread {
    private Socket clientSocket;
    private static String rootDir = "C:\\"; // 預設根目錄
    
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) rootDir = args[0];
        try (ServerSocket server = new ServerSocket(21)) {
            System.out.println("FTP Server started on port 21");
            int clientId = 1;
            while (true) {
                Socket client = server.accept();
                new FTPServer(client, clientId++).start();
            }
        } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
    }
    // 建構子、run() 等省略...
}

2. 指令解析與派發核心邏輯

public void run() {
    try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
         PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {
        
        out.println("220 Welcome to Java FTP Server");
        String line;
        while ((line = in.readLine()) != null && !done) {
            String cmd = line.split(" ")[0].toUpperCase();
            switch (cmd) {
                case "USER": handleUser(line, out); break;
                case "PASS": handlePass(line, out); break;
                case "CWD":  handleCwd(line, out); break;
                case "CDUP": handleCdup(out); break;
                case "PORT": handlePort(line, out); break;
                case "TYPE": handleType(out); break;
                case "RETR": handleRetr(line, out); break;
                case "STOR": handleStor(line, out); break;
                case "LIST": handleList(out); break;
                case "DELE": handleDele(line, out); break;
                case "QUIT": handleQuit(out); break;
                default: out.println("500 Unknown command");
            }
        }
    } catch (IOException e) { /* log */ }
}

3. 關鍵指令處理實作細節

PORT 指令解析（主動模式）

客戶端傳送：PORT h1,h2,h3,h4,p1,p2（IP 4 組 + 埠號高低位元組）。

private void handlePort(String line, PrintWriter out) {
    // 格式：PORT 192,168,1,100,4,50  -> IP:192.168.1.100  Port:4*256+50=1074
    String[] parts = line.substring(5).split(",");
    String ip = String.join(".", parts[0], parts[1], parts[2], parts[3]);
    int port = Integer.parseInt(parts[4]) * 256 + Integer.parseInt(parts[5]);
    this.dataHost = ip;
    this.dataPort = port;
    out.println("200 PORT command successful");
}

RETR（下載）與 STOR（上傳）對稱實作

private void handleRetr(String line, PrintWriter out) throws IOException {
    String filename = line.substring(5).trim();
    File file = new File(currentDir, filename);
    if (!file.exists()) { out.println("550 File not found"); return; }
    
    out.println("150 Opening BINARY data connection");
    try (Socket dataSocket = new Socket(dataHost, dataPort);
         FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
         OutputStream dos = dataSocket.getOutputStream()) {
        byte[] buf = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = fis.read(buf)) > 0) dos.write(buf, 0, len);
        out.println("226 Transfer complete");
    } catch (Exception e) { out.println("426 Transfer aborted"); }
}

private void handleStor(String line, PrintWriter out) throws IOException {
    String filename = line.substring(5).trim();
    File file = new File(currentDir, filename);
    out.println("150 Opening BINARY data connection");
    try (Socket dataSocket = new Socket(dataHost, dataPort);
         InputStream dis = dataSocket.getInputStream();
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file)) {
        byte[] buf = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = dis.read(buf)) > 0) fos.write(buf, 0, len);
        out.println("226 Transfer complete");
    } catch (Exception e) { out.println("426 Transfer aborted"); }
}

LIST 目錄列表傳輸

private void handleList(PrintWriter out) throws IOException {
    out.println("150 Opening ASCII data connection");
    try (Socket dataSocket = new Socket(dataHost, dataPort);
         PrintWriter dos = new PrintWriter(dataSocket.getOutputStream(), true)) {
        File dir = new File(currentDir);
        File[] files = dir.listFiles();
        if (files != null) {
            for (File f : files) {
                String type = f.isDirectory() ? "d" : "-";
                // 簡易權限表示，實際應依 RFC 3659 格式化
                dos.printf("%s rw-r--r-- 1 owner group %12d %s %s%n",
                    type, f.length(), 
                    new SimpleDateFormat("MMM dd HH:mm").format(new Date(f.lastModified())),
                    f.getName());
            }
        }
        out.println("226 Transfer complete");
    } catch (Exception e) { out.println("426 Transfer aborted"); }
}

進階議題與生產環境考量

議題	說明
被動模式 (PASV/EPSV)	伺服器開啟隨機埠等待客戶端連入，需防火牆開放埠範圍，現代客戶端預設使用
SSL/TLS 加密 (FTPS)	控制/資料通道加密，需整合 `SSLSocketFactory`，支援 AUTH TLS 指令
虛擬使用者/權限控管	整合資料庫或 LDAP，實作檔案級存取控制（ACL）
大檔案支援	使用 `RandomAccessFile` 實作斷點續傳（REST 指令）
閒置超時與連線限制	防止資源耗盡，需實作連線池與心跳機制
NIO/非阻塞架構	高併發場景下可遷移至 `Selector` 或 Netty/MINA 框架

結語

本文以精簡核心代碼示範 Java 實作 FTP 伺服器的雙通道多執行緒架構、指令解析派發、PORT/PASV 協商與檔案傳輸邏輯。實際部署仍需補強安全性（FTPS）、效能（NIO/連線池）、管理功能（虛擬用戶/配額/日誌審計）等企業級特性。建議生產環境直接採用成熟開源專案（Apache FtpServer、vsftpd、ProFTPD）而非自行開發。