Python 网络编程之 Five-Tuple 详解

一、Five-Tuple 是什么

Five-Tuple 直译为五元组，是网络协议中一个重要的概念，用于描述网络通信中的一个连接。它包括五个重要的参数：

1. 源 IP 地址。
2. 目的 IP 地址。
3. 源端口号。
4. 目的端口号。
5. 传输协议。

其中，前四个参数都是一个 16 比特的整数，传输协议也是一个 8 比特的整数，从而共占用 64 比特的空间。

二、Five-Tuple 的作用

Five-Tuple 可以用来唯一地标识一个连接，根据源 IP 地址、源端口号、目的 IP 地址和目的端口号的不同组合，可以区分不同的连接。同时，传输协议可以区分 TCP 连接和 UDP 连接。

在网络传输中，Five-Tuple 不仅是识别和区分连接的重要参数，而且在路由和过滤策略中也有广泛的应用。

三、Five-Tuple 的应用

<!-- 代码示例1：使用 socket 获取 Five-Tuple -->
<h3>1. 获取本地 Five-Tuple</h3>
import socket

def get_local_five_tuple():
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect(('www.baidu.com', 80))
    local_address, local_port = sock.getsockname()
    remote_address, remote_port = sock.getpeername()
    sock.close()
    return (local_address, local_port, remote_address, remote_port, socket.IPPROTO_TCP)

if __name__ == '__main__':
    print(get_local_five_tuple())

获取当前计算机连接的 Five-Tuple 可以使用 Python 中的 socket 模块。通过创建一个 TCP 连接，可以得到当前计算机和对方计算机之间的 Five-Tuple。具体代码如上所示。

<!-- 代码示例2：过滤五元组 -->
<h3>2. 过滤 Five-Tuple</h3>
import socket

def get_local_five_tuple():
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect(('www.baidu.com', 80))
    local_address, local_port = sock.getsockname()
    remote_address, remote_port = sock.getpeername()
    sock.close()
    return (local_address, local_port, remote_address, remote_port, socket.IPPROTO_TCP)

def filter_five_tuple(five_tuple_list, protocol, local_address=None, local_port=None, remote_address=None, remote_port=None):
    result = []
    for five_tuple in five_tuple_list:
        if five_tuple[4] == protocol:
            if local_address is None or local_address == five_tuple[0]:
                if local_port is None or local_port == five_tuple[1]:
                    if remote_address is None or remote_address == five_tuple[2]:
                        if remote_port is None or remote_port == five_tuple[3]:
                            result.append(five_tuple)
    return result

if __name__ == '__main__':
    five_tuple_list = [(192, 168, 0, 1, 80, 123, 234, 567, socket.IPPROTO_TCP),
                       (192, 168, 0, 2, 80, 123, 234, 568, socket.IPPROTO_TCP),
                       (192, 168, 0, 3, 80, 123, 234, 569, socket.IPPROTO_TCP)]
    result = filter_five_tuple(five_tuple_list, socket.IPPROTO_TCP)
    print(result)

Five-Tuple 还可以用于过滤网络数据包，在网络防火墙、入侵检测等领域中广泛应用。将五个参数传入 filter_five_tuple() 函数中，可以过滤出符合条件的 Five-Tuple 列表。如上所示的代码中，通过传入五个参数过滤 Five-Tuple 列表，并返回符合条件的 Five-Tuple 列表。

<!-- 代码示例3：验证 Five-Tuple 的唯一性 -->
<h3>3. 验证五元组唯一性</h3>
import socket

def unique_five_tuple():
    sock1 = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock1.connect(('www.baidu.com', 80))
    sock2 = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock2.connect(('www.baidu.com', 80))
    local_address1, local_port1 = sock1.getsockname()
    local_address2, local_port2 = sock2.getsockname()
    remote_address, remote_port = sock1.getpeername()
    sock1.close()
    sock2.close()
    return local_address1 == local_address2 and local_port1 != local_port2 and remote_address == remote_address and remote_port == remote_port and socket.IPPROTO_TCP == socket.IPPROTO_TCP

if __name__ == '__main__':
    print(unique_five_tuple())

Five-Tuple 的唯一性是保障网络传输正常运转的基础，如果 Five-Tuple 不唯一，会导致网络传输错误。可以通过创建多个连接并获取 Five-Tuple 进行比对，来验证 Five-Tuple 的唯一性。具体代码如上所示。

结语

Five-Tuple 是网络协议中的一个重要概念，包含五个参数：源 IP、目的 IP、源端口、目的端口和传输协议。它可以唯一地标识一个连接，广泛应用于网络传输、路由和过滤策略中。在 Python 中，可以使用 socket 模块获取 Five-Tuple，同时也可以验证 Five-Tuple 的唯一性并进行过滤操作。