miniyuan
计算机网络 Lab2 邮件客户端
一、实验概述
1.1 实验目标
- 掌握Socket网络编程的基本方法
- 理解SMTP协议的工作流程与应用层协议设计
- 掌握Base64/UUencode编码在数据传输中的应用
- 实现一个完整的带附件邮件发送客户端
1.2 实验环境
- 操作系统: Linux (Ubuntu/Debian)
- 编译器: GCC
- SMTP服务器:
smtphz.qiye.163.com:25(北京大学学生邮箱) - 测试邮箱: 建议使用QQ邮箱接收
1.3 前置准备
# 安装编译环境和uuencode工具
sudo apt update
sudo apt install build-essential sharutils
# 验证安装
gcc --version # 检查GCC
uuencode --version # 检查uuencode二、基础知识
2.1 Socket 编程基础
2.1.1 Socket 基本概念
Socket 是应用层与传输层之间的接口，提供端到端的通信能力。它支持使用多种传输层协议。
┌─────────────┐
│ Application │ ← HTTP/FTP/SMTP
├─────────────┤
│ Socket API │ ← 编程接口 (socket/send/recv/close)
├─────────────┤
│ Transport │ ← TCP/UDP
├─────────────┤
│ Network │ ← IP
├─────────────┤
│ Link │ ← Ethernet
└─────────────┘2.1.2 核心 API
| 函数 | 功能 | 关键参数 |
|---|---|---|
socket() | 创建套接字 | AF_INET(IPv4), SOCK_STREAM(TCP) |
connect() | 建立连接 | 服务器地址结构体 |
send() | 发送数据 | 套接字描述符, 缓冲区, 长度 |
recv() | 接收数据 | 套接字描述符, 缓冲区, 最大长度 |
close() | 关闭连接 | 套接字描述符 |
2.1.3 地址结构体
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; // 地址族: AF_INET
in_port_t sin_port; // 端口号: htons(25)
struct in_addr sin_addr; // IP地址: inet_addr("...")
};
// 域名解析函数
struct hostent *gethostbyname(const char *name);2.2 SMTP协议详解
2.2.1 SMTP工作流程
┌─────────┐ ┌─────────┐
│ Client │ │ Server │
└────┬────┘ └────┬────┘
│ │
│ ─────── TCP连接 ───────────→ │ (端口25)
│ ←────── 220 smtphz... ────── │ 服务器就绪
│ │
│ ─────── EHLO client ───────→ │
│ ←────── 250-8BITMIME... ──── │ 能力列表
│ │
│ ─────── AUTH LOGIN ────────→ │
│ ←────── 334 VXNlcm5hbWU= ─── │ Base64"Username"
│ ─────── [Base64用户名] ─────→ │
│ ←────── 334 UGFzc3dvcmQ= ─── │ Base64"Password"
│ ─────── [Base64密码] ───────→ │
│ ←────── 235 Authentication ─ │ 认证成功
│ │
│ ─────── MAIL FROM:<> ────────→ │
│ ←────── 250 Mail OK ──────── │
│ ─────── RCPT TO:<> ──────────→ │
│ ←────── 250 Mail OK ──────── │
│ │
│ ─────── DATA ────────────────→ │
│ ←────── 354 End with . ───── │
│ ─────── [邮件内容] ──────────→ │
│ ─────── . ───────────────────→ │ 结束标记
│ ←────── 250 Mail OK ──────── │
│ │
│ ─────── QUIT ────────────────→ │
│ ←────── 221 Bye ──────────── │
│ │2.2.2 SMTP命令与响应码
常用命令：
| 命令 | 格式 | 说明 |
|---|---|---|
HELO | HELO <hostname> | 问候(旧版) |
EHLO | EHLO <hostname> | 扩展问候(推荐) |
AUTH | AUTH LOGIN | 认证开始 |
MAIL | MAIL FROM:<地址> | 指定发件人 |
RCPT | RCPT TO:<地址> | 指定收件人 |
DATA | DATA | 开始传输邮件内容 |
QUIT | QUIT | 结束会话 |
响应码：
| 代码 | 含义 | 处理方式 |
|---|---|---|
| 220 | 服务就绪 | 连接成功，继续 |
| 235 | 认证成功 | 继续发送 |
| 250 | 请求完成 | 命令成功，继续 |
| 334 | 认证挑战 | 发送Base64凭证 |
| 354 | 开始输入 | 发送邮件内容 |
| 221 | 服务关闭 | 正常结束 |
2.3 编码技术
2.3.1 Base64编码（用于认证）
原理： 将3字节(24位)二进制数据转换为4个ASCII字符(每6位对应一个字符)
原始数据: M a n
ASCII: 77 97 110
二进制: 01001101 01100001 01101110
6位分组: 010011 010110 000101 101110
Base64: T W F u实验中的应用：
# 命令行编码测试
echo -n "your_username" | base64
echo -n "your_password" | base64
# C语言实现要点
// 注意：SMTP要求用户名密码分别单独编码发送，不是"username:password"格式2.3.2 UUencode编码（用于附件）
原理： 将3字节二进制数据转换为4个可打印ASCII字符(0x20-0x60)
格式规范：
begin <权限> <文件名>
<编码数据行1>
<编码数据行2>
...
`
end示例：
# 编码图片
uuencode photo.jpg photo.jpg > photo.uue
# 查看编码结果
cat photo.uue
# 输出:
# begin 644 photo.jpg
# M_]C_X 02D9)1@ !@ 9# 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P !@
# M @ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P
# ...
# `
# endC语言集成：
// 方法1: 调用系统命令
system("uuencode attachment.jpg attachment.jpg > /tmp/att.uue");
// 方法2: 读取文件后使用库函数编码 (需自行实现或引入库)2.4 邮件格式（ASCII模式）
┌─────────────────────────────────────┐
│ 邮件头部 │
├─────────────────────────────────────┤
│ From: sender@stu.pku.edu.cn │
│ To: recipient@qq.com │
│ Subject: Test Subject │
│ │ ← 空行分隔头部和正文
├─────────────────────────────────────┤
│ 邮件正文 │
├─────────────────────────────────────┤
│ This is the body of the email. │
│ It can contain multiple lines. │
│ │
├─────────────────────────────────────┤
│ 附件部分 │
├─────────────────────────────────────┤
│ begin 644 image.jpg │
│ M_]C_X 02D9)1@ !@ 9# 0$!P !@ │
│ M @ 0$!P !@ 0$!P !@ 0$!P │
│ ... │
│ ` │
│ end │
└─────────────────────────────────────┘重要限制：
- 本实验使用ASCII格式，不支持中文（编码问题）
- 邮件内容必须以
\r\n作为行结束符 - 结束标记为单独一行的
.（点号）
三、实现步骤详解
Step 1: 建立Socket连接
/**
* 连接到SMTP服务器
* @param server: 服务器域名或IP
* @param port: 端口号(25)
* @return: 成功返回socket描述符，失败返回-1
*/
int connect_to_server(const char* server, int port) {
int sockfd;
struct sockaddr_in serv_addr;
struct hostent *server_host;
// 1. 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("ERROR opening socket");
return -1;
}
// 2. 域名解析
server_host = gethostbyname(server);
if (server_host == NULL) {
fprintf(stderr, "ERROR, no such host: %s\n", server);
close(sockfd);
return -1;
}
// 3. 设置服务器地址
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(port);
memcpy(&serv_addr.sin_addr.s_addr,
server_host->h_addr,
server_host->h_length);
// 4. 建立连接
if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr,
sizeof(serv_addr)) < 0) {
perror("ERROR connecting");
close(sockfd);
return -1;
}
return sockfd;
}Step 2: 接收并验证服务器响应
/**
* 接收服务器响应
* @param sock: socket描述符
* @param buffer: 接收缓冲区
* @param buf_size: 缓冲区大小
* @return: 接收到的字节数，失败返回-1
*/
int recv_response(int sock, char* buffer, int buf_size) {
memset(buffer, 0, buf_size);
int n = recv(sock, buffer, buf_size - 1, 0);
if (n < 0) {
perror("ERROR receiving from socket");
return -1;
}
buffer[n] = '\0';
printf("Server: %s", buffer); // 调试输出
return n;
}
/**
* 检查响应码
* @param response: 服务器响应字符串
* @param expected_code: 期望的响应码(如"220")
* @return: 匹配返回1，否则返回0
*/
int check_response(const char* response, const char* expected_code) {
return (strncmp(response, expected_code, 3) == 0);
}Step 3: 发送SMTP命令
/**
* 发送命令并检查响应
* @param sock: socket描述符
* @param cmd: 要发送的命令(自动添加\r\n)
* @param expected_code: 期望的响应码
* @return: 成功返回1，失败返回0
*/
int send_command(int sock, const char* cmd, const char* expected_code) {
char buffer[BUFFER_SIZE];
// 发送命令
printf("Client: %s\n", cmd);
if (send(sock, cmd, strlen(cmd), 0) < 0) {
perror("ERROR sending command");
return 0;
}
// 接收响应
if (recv_response(sock, buffer, BUFFER_SIZE) < 0) {
return 0;
}
// 验证响应码
if (!check_response(buffer, expected_code)) {
fprintf(stderr, "Unexpected response: %s\n", buffer);
return 0;
}
return 1;
}Step 4: SMTP认证流程
/**
* 进行SMTP认证
* @param sock: socket描述符
* @param username: 用户名(需提前Base64编码)
* @param password: 密码(需提前Base64编码)
* @return: 成功返回1，失败返回0
*/
int smtp_auth(int sock, const char* username_b64,
const char* password_b64) {
char buffer[BUFFER_SIZE];
// 1. 发送AUTH LOGIN
if (!send_command(sock, "AUTH LOGIN\r\n", "334")) {
return 0;
}
// 2. 发送用户名(Base64)
snprintf(buffer, BUFFER_SIZE, "%s\r\n", username_b64);
if (!send_command(sock, buffer, "334")) {
return 0;
}
// 3. 发送密码(Base64)
snprintf(buffer, BUFFER_SIZE, "%s\r\n", password_b64);
if (!send_command(sock, buffer, "235")) {
return 0;
}
return 1;
}Step 5: 构造邮件内容
/**
* 构造邮件内容
* @param from: 发件人
* @param to: 收件人
* @param subject: 主题
* @param body: 正文
* @param attachment_path: 附件路径(可为NULL)
* @param output: 输出缓冲区
* @param max_size: 缓冲区最大大小
* @return: 实际写入的字节数
*/
int construct_email(const char* from, const char* to,
const char* subject, const char* body,
const char* attachment_path,
char* output, int max_size) {
int len = 0;
// 邮件头部
len += snprintf(output + len, max_size - len,
"From: %s\r\n"
"To: %s\r\n"
"Subject: %s\r\n"
"\r\n", // 空行分隔头部和正文
from, to, subject);
// 邮件正文
len += snprintf(output + len, max_size - len, "%s\r\n\r\n", body);
// 附件处理
if (attachment_path != NULL) {
// 方法: 使用uuencode编码附件
char cmd[256];
char uue_buffer[8192];
FILE* fp;
// 构造uuencode命令
snprintf(cmd, sizeof(cmd),
"uuencode %s %s",
attachment_path,
attachment_path);
// 执行命令并读取输出
fp = popen(cmd, "r");
if (fp != NULL) {
while (fgets(uue_buffer, sizeof(uue_buffer), fp) != NULL) {
len += snprintf(output + len, max_size - len,
"%s", uue_buffer);
}
pclose(fp);
}
}
return len;
}Step 6: 完整发送流程
/**
* 发送邮件主函数
*/
int send_email(const char* smtp_server, int port,
const char* username_b64, const char* password_b64,
const char* from, const char* to,
const char* subject, const char* body,
const char* attachment) {
char buffer[BUFFER_SIZE];
int sock;
int result = 0;
// 1. 连接服务器
sock = connect_to_server(smtp_server, port);
if (sock < 0) return 0;
// 2. 接收欢迎消息
if (recv_response(sock, buffer, BUFFER_SIZE) < 0 ||
!check_response(buffer, "220")) {
goto cleanup;
}
// 3. EHLO
if (!send_command(sock, "EHLO client\r\n", "250")) goto cleanup;
// 4. 认证
if (!smtp_auth(sock, username_b64, password_b64)) goto cleanup;
// 5. 设置发件人
snprintf(buffer, BUFFER_SIZE, "MAIL FROM:<%s>\r\n", from);
if (!send_command(sock, buffer, "250")) goto cleanup;
// 6. 设置收件人
snprintf(buffer, BUFFER_SIZE, "RCPT TO:<%s>\r\n", to);
if (!send_command(sock, buffer, "250")) goto cleanup;
// 7. 开始数据传输
if (!send_command(sock, "DATA\r\n", "354")) goto cleanup;
// 8. 构造并发送邮件内容
construct_email(from, to, subject, body, attachment,
buffer, BUFFER_SIZE);
// 添加结束标记
strncat(buffer, "\r\n.\r\n", BUFFER_SIZE - strlen(buffer) - 1);
if (send(sock, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
perror("ERROR sending data");
goto cleanup;
}
// 接收250确认
if (recv_response(sock, buffer, BUFFER_SIZE) < 0 ||
!check_response(buffer, "250")) {
goto cleanup;
}
// 9. 结束会话
send_command(sock, "QUIT\r\n", "221");
result = 1;
cleanup:
close(sock);
return result;
}四、代码框架
4.1 完整lab.c结构
/*
* lab.c - SMTP邮件发送客户端
* 实验要求: 实现带附件的邮件发送功能
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#define BUFFER_SIZE 102400 // 100KB缓冲区
#define SMTP_SERVER "smtphz.qiye.163.com"
#define SMTP_PORT 25
/* ==================== 函数声明 ==================== */
// 网络连接
int connect_server(const char* host, int port);
int send_cmd(int sock, const char* cmd, char* resp, int resp_size);
int recv_resp(int sock, char* resp, int resp_size);
// SMTP协议
int smtp_helo(int sock);
int smtp_auth(int sock, const char* user_b64, const char* pass_b64);
int smtp_from(int sock, const char* from);
int smtp_to(int sock, const char* to);
int smtp_data(int sock, const char* data);
int smtp_quit(int sock);
// 邮件构造
int build_email(const char* from, const char* to,
const char* subject, const char* body,
const char* attach_path, char* output, int max_len);
// 工具函数
int check_code(const char* resp, const char* code);
void base64_encode(const char* input, char* output);
/* ==================== 主函数 ==================== */
int main(int argc, char* argv[]) {
// 参数检查
if (argc < 6) {
printf("Usage: %s <user_b64> <pass_b64> <from> <to> <subject> [body] [attachment]\n",
argv[0]);
return 1;
}
// 解析参数
char* username_b64 = argv[1];
char* password_b64 = argv[2];
char* from = argv[3];
char* to = argv[4];
char* subject = argv[5];
char* body = (argc > 6) ? argv[6] : "Test email from lab.c";
char* attachment = (argc > 7) ? argv[7] : NULL;
// 执行发送
// TODO: 调用你的实现
return 0;
}
/* ==================== 函数实现 ==================== */
// TODO: 在此处完善所有函数实现4.2 编译与运行
# 编译
gcc -o lab lab.c -Wall
# 运行(无附件)
./lab <base64用户名> <base64密码> \
"sender@stu.pku.edu.cn" \
"recipient@qq.com" \
"Test Subject" \
"Email body text"
# 运行(带附件)
./lab <base64用户名> <base64密码> \
"sender@stu.pku.edu.cn" \
"recipient@qq.com" \
"Test with Attachment" \
"See attached file" \
"./photo.jpg"五、调试与测试
5.1 手动测试SMTP交互
# 使用telnet测试连接
telnet smtphz.qiye.163.com 25
# 手动输入以下命令:
EHLO test
AUTH LOGIN
# 输入Base64编码的用户名
# 输入Base64编码的密码
MAIL FROM:<your_email@stu.pku.edu.cn>
RCPT TO:<test@qq.com>
DATA
Subject: Test
This is a test.
.
QUIT5.2 获取Base64编码
# 编码用户名
echo -n "your_username@stu.pku.edu.cn" | base64
# 编码密码
echo -n "your_password" | base64
# 注意: -n参数防止包含换行符5.3 调试技巧
| 问题 | 调试方法 |
|---|---|
| 连接失败 | 检查网络、防火墙、端口25是否开放 |
| 认证失败 | 确认Base64编码正确，用户名是完整邮箱地址 |
| 邮件发送成功但收不到 | 检查垃圾箱，确认收件人地址正确 |
| 附件损坏 | 检查UUencode格式，确认begin/end标记正确 |
| 中文乱码 | 实验限制：正文和附件名使用英文 |
六、常见问题
Q1: 为什么使用QQ邮箱接收？
A: ASCII格式邮件较旧，现代邮箱(如Gmail)可能无法正确解析附件。QQ邮箱兼容性较好，能直接显示UUencode编码的图片附件。
Q2: Base64和UUencode的区别？
A:
- Base64: 用于SMTP认证，将任意二进制转为ASCII
- UUencode: 用于附件传输， historically用于Unix系统间文件传输
Q3: 如何验证附件编码正确？
A:
# 编码后解码测试
uuencode test.jpg test.jpg > test.uue
uudecode test.uue -o test_decoded.jpg
diff test.jpg test_decoded.jpg # 应无差异Q4: 邮件大小限制？
A: 实验假设不超过100KB。如需发送大文件，需分片或考虑MIME格式(本实验不要求)。
Q5: 安全性考虑？
A:
- 实验代码中不要硬编码账号密码
- Base64只是编码不是加密
- 提交代码时删除个人凭证
注意需要开启 POP/SMTP 服务，并且密码不一定是平时的账号密码。
协议规定有些内容必须使用 base64 传输。注意 MAIL TO:后无空格
uuencode, prepare_DATA 没有写 return