Python 網絡編程之 Five-Tuple 詳解

一、Five-Tuple 是什麼

Five-Tuple 直譯為五元組，是網絡協議中一個重要的概念，用於描述網絡通信中的一個連接。它包括五個重要的參數：

1. 源 IP 地址。
2. 目的 IP 地址。
3. 源端口號。
4. 目的端口號。
5. 傳輸協議。

其中，前四個參數都是一個 16 比特的整數，傳輸協議也是一個 8 比特的整數，從而共佔用 64 比特的空間。

二、Five-Tuple 的作用

Five-Tuple 可以用來唯一地標識一個連接，根據源 IP 地址、源端口號、目的 IP 地址和目的端口號的不同組合，可以區分不同的連接。同時，傳輸協議可以區分 TCP 連接和 UDP 連接。

在網絡傳輸中，Five-Tuple 不僅是識別和區分連接的重要參數，而且在路由和過濾策略中也有廣泛的應用。

三、Five-Tuple 的應用

<!-- 代碼示例1：使用 socket 獲取 Five-Tuple -->
<h3>1. 獲取本地 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())

獲取當前計算機連接的 Five-Tuple 可以使用 Python 中的 socket 模塊。通過創建一個 TCP 連接，可以得到當前計算機和對方計算機之間的 Five-Tuple。具體代碼如上所示。

<!-- 代碼示例2：過濾五元組 -->
<h3>2. 過濾 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 還可以用於過濾網絡數據包，在網絡防火牆、入侵檢測等領域中廣泛應用。將五個參數傳入 filter_five_tuple() 函數中，可以過濾出符合條件的 Five-Tuple 列表。如上所示的代碼中，通過傳入五個參數過濾 Five-Tuple 列表，並返回符合條件的 Five-Tuple 列表。

<!-- 代碼示例3：驗證 Five-Tuple 的唯一性 -->
<h3>3. 驗證五元組唯一性</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 的唯一性是保障網絡傳輸正常運轉的基礎，如果 Five-Tuple 不唯一，會導致網絡傳輸錯誤。可以通過創建多個連接並獲取 Five-Tuple 進行比對，來驗證 Five-Tuple 的唯一性。具體代碼如上所示。

結語

Five-Tuple 是網絡協議中的一個重要概念，包含五個參數：源 IP、目的 IP、源端口、目的端口和傳輸協議。它可以唯一地標識一個連接，廣泛應用於網絡傳輸、路由和過濾策略中。在 Python 中，可以使用 socket 模塊獲取 Five-Tuple，同時也可以驗證 Five-Tuple 的唯一性並進行過濾操作。