Wireshark数据抓包分析之传输层协议（TCP协议）

Wireshark数据抓包分析之传输层协议（TCP协议）

本实验主要介绍了利用wireshark进行数据抓包并分析TCP协议，通过本实验的学习，你能够熟悉并掌握Wireshark的基本操作，加深对常用网络协议的理解。

实验简介

实验所属系列：Wireshark数据抓包分析

实验对象： 本科/专科信息安全专业、网络工程

相关课程及专业：TCP协议分析、网络编程实例教程、计算机网络

实验时数（学分）：4学时

实验类别：实践实验类

预备知识

1.TCP协议的由来

上一次的课程详细介绍了UDP协议，可以知道该协议实验非常简单，并且容易实现。但是其可靠性较差，一旦将数据包发出，将无法知道对方是否收到。为了解决这个问题，TCP协议就诞生了。使用TCP协议，可以提供网络的安全性。因为使用TCP协议传输数据时，每发送一个数据包都要求确认。如果有一个数据包丢失，就收不到确认包，发送方就知道应该重发这个数据包。这样，TCP协议就保证了数据的安全性。

2.TCP端口

TCP端口就是为TCP协议通信提供服务的窗口。所有TCP通信都会使用源端口和目的端口，而这些可以在每个TCP头中找到。端口就像是老式电话机上的接口，一个总计操作员会监视着一个面板上的指示灯和插头。当指示灯亮起的时候，它就会链接这个呼叫者，问它想要和谁通话，然后插一根电缆线将它和它的目的地址链接起来。每次呼叫都需要有一个源端口（呼叫者）和目的端口（接收者）。TCP端口大概就是这样工作的。

为了能够将数据传输到远程服务器或者设备的特定应用中去，TCP数据包必须知道远程服务所监听的端口。如果想试着链接一个不同于所设置的端口，那么这个通信就会失败。这个序列中的源端口并不十分重要，所以可以随机选择。远程服务器也可以很简单的从发送过来的原始数据中得到这个端口。如下图所示，在图中列举两种服务使用的TCP端口。

图中表示客户端与Web服务器和邮件服务器的一个通信。从该图中，可以看到客户端与不同服务器建立连接时，使用的源端口和目标端口都不同。

在使用TCP进行通信的时候，有65535个端口可供使用，并通常将这些端口分成两个部分，如下所示：

1~1023：是标准端口组（忽略掉被预留的0），特定服务会用到这些通常位于标准端口分组中的标准端口。

1024~65535：是临时端口组（尽管一些操作对此有着不同的定义），当一个服务想在任意时间使用端口进行通信的时候，操作系统都会随机选择这个源端口，让这个通信使用唯一的源端口。这些源端口通常就位于临时端口组。

3.TCP三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的链接服务，通过使用三次握手建立一个链接。所有基于TCP协议的通信都需要以两台主机的握手开始。下面将介绍TCP的三次握手。TCP的三次握手如下图所示：

上图描述了TCP的三次握手，为了帮助学习者更清晰的理解TCP协议，下面我们详细介绍这三次握手。在图中，Seq表示请求序列号，Ack表示确认序列号，SYN和ACK为控制位。

3.1 第一次握手

第一次握手建立连接时，客户端向服务器端发送SYN报文（Seq=x，SYN=1），并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。如下图

3.2 第二次握手

第二次握手实际上是分两部分完成的。即SYN+ACK（请求和确认）报文。

（1）服务器收到了客户端的请求，向客户端回复一个确认信息（Ack=x+1）。

（2）服务器再向客户端发送一个SYN包（Seq=y）建立连接的请求，此时服务器进入SYN_RECV状态，如下图所示：

3.3 第三次握手

第三次握手，客户端收到服务器的回复（SYN+ACK报文）。此时，客户端也要向服务器发送确认包(ACK).此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，如下图所示：

这样就完成了三次握手，此时，客户端就可以与服务器开始传送数据了。

4.TCP四次断开

在TCP协议中，每次握手后都会终止。就和人与人之间相互问候一样，最终都会有一句再见。TCP终止用来在两台设备完成通信后正常的结束链接。该过程包含4个数据包，并且用一个FIN标志来标明链接的终结。

TCP四次断开连接如下图

如上图所示的四个过程，通过发送了4个数据包断开了与服务器的链接，整个过程的一个详细概述如下：

（1）客户端通过发送一个设置了FIN和ACK标志的TCP数据包，告诉服务器通信已经完成。

（2）服务器收到客户端发送的数据包后，发送一个ACK数据包来响应客户端。

（3）服务器再向客户端传送一个自己的FIN/ACK数据包。

（4）客户端收到服务器的FIN/ACK包时，响应服务器一个ACK数据包。然后结束通信过程。

5.TCP重置

在理想情况中，每一个连接都会以TCP四次断开来正常的结束会话。但是在现实中，连接经常会突然中断。例如，这可能由于一个潜在的攻击者正在进行断开扫描，或者仅仅是主机配置的错误。在这些情况下，就需要使用设置了RST标志的TCP数据包。RST标志用来指出连接异常中止或拒绝连接请求的包。

实验目的

1 熟悉并掌握Wireshark的基本操作。

2 加深对常用网络协议的理解，提高就业机会。

3 培养学生理论联系实践的研究兴趣。

实验环境

服务器：windows 系统，IP地址：10.1.1.33

测试者：windows系统，IP地址：10.1.1.142

在实验环境中，我们通过模拟局域网的两台机器之间的数据传输，来抓取和分析TCP协议数据。

实验步骤一

根据实验环境，本实验的步骤如下：

1.在测试环境使用发包工具和Wireshark抓取TCP三次握手和四次断开的数据包。

2.详细分析TCP协议的三次握手以及四次断开。

**任务描述：**安装发包工具，并配置TCP客户端，服务端，与Wireshark配合使用 此工具与分析UDP协议时相同，实验室环境中已经安装，在此再重复一遍，我们使用" TCP&UDP测试工具"来制作和发送TCP数据包。双击测试者机器桌面的" TCP&UDP测试工具",会出现下图显示页面：

下面我们需要配置TCP的服务端以及客户端。

1.配置服务器端

选择10.1.1.33的机器，双击桌面的" TCP&UDP测试工具",右键点击服务器模式，在下拉列表中，选择创建服务器，如下图：

选择"创建服务器"之后，会弹出服务器端口设置，本次使用默认工具给的6000端口即可，点击"确定"按钮。

点击"确定"按钮之后，在左侧的服务器模式列表中，会出现创建的列表，选择我们创建的服务器，右键点击，选择"启动服务器"，即完成了服务器端的配置

2.配置客户端

选择10.1.1.142的机器，双击桌面的" TCP&UDP测试工具",右键点击客户端模式，在下拉列表中，选择"创建连接"，如下图：

在弹出的窗口中，选择TCP协议，服务器IP为10.1.1.33.端口6000，本机随意IP，如下图

点击创建后，如下图，

3.获取TCP数据包

获取的TCP协议的数据包。分为两部分，即TCP三次握手，四次断开的数据。但在实际的操作中，可能遇到的情况较多，比如源IP和目的IP比较多，协议的帧号乱序等各种问题。在此，我们教大家简单的过滤功能，着色功能方便过滤和查看。 启动Wireshark，在Filter中输入tcp，点击Apply会看到很多的数据包，这是因为测试环境中，有很多的应用程序，与其服务器连接，使用TCP协议。如下图，

我们可以看到，有很多的数据，不方便查看。在这里，我们已知两台机器的IP情况下，可以在filter中输入"ip.addr == 10.1.1.142 and ip.addr == 10.1.1.33"来过滤出我们想要的数据，点击工具中的"连接"按钮。如下图

在点击"断开连接"后，会出现TCP的四次断开。全部的过程截图，如下：

如上图，如果还是觉得不方便分析协议的话，Wireshark还为我们提供了着色和指定的帧信息保存功能。左键点击某一帧，右键选择"Colorize Conversation",横向选择"TCP",横向再选择自己喜欢的颜色，操作如下图

结果如下

从上面可以很容易的看出，10901，10904,10905帧是tcp的三次握手，906,907，916，917帧是四次断开的数据。如果你还想把三次握手和四次断开的数据包分别保存，Wireshark也提供了这样的功能，并且支持帧序号乱序的情况。下面，我们先来保存三次握手的数据包，因三次握手的帧是乱序，我们先右键点击帧，选择"Mark Packet（toggle）’，在依次选择帧，帧，如下图

在Wireshark的菜单栏中，依次选择FIle->Export Specified Packets 命令，打开如下所示页面

选择Marked packets,并选择保存名字和路径，即可。下面来保存四次断开的数据，在Wireshark的菜单栏中，依次选择FIle->Export Specified Packets 命令，打开如下所示页面

选择Range,输入序号的起始和结束数字，选择保存名字和路径即可。

实验步骤二

**任务描述：**通过实验一，我们已经获取了数据包，并且进行了分类保存，实验二将对TCP的三次握手进行详细分析

1.TCP首部

在分析TCP数据包之前，先介绍一下TCP首部格式，如下

TCP首部格式

在上面的表中，TCP首部的各字段含义如下所示：

源端口：用来传输数据包的端口。

目标端口:数据包将要被发送到的端口。

序号：该数字用来表示一个TCP片段。这个域用来保证数据流中的部分没有流失。

确认号：该数字是通信中希望从另一个设备得到的下一个数据包的序号。

保留：包括Resverved、Nonce、CWR、和ENC-Echo，共6个比特位。

标记：用来表示所传输的TCP数据包类型。该字段中可用的标记包括URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN。

窗口大小：TCP接收者缓冲的字节大小。

校验和：用来保证TCP首部和数据的内容，在达到目的地时的完整性。

紧急指针：如果设置了URG位，这个域将被检查作为额外的指令，告诉CPU从数据包的哪里开始读取数据。

选项：各种可选的域，可以在TCP数据包中进行指定。

上面提到了TCP传输时，可用到的标记位，下面分别介绍这6种标记的作用，如下：

URG：紧急标志，表示TCP包的紧急指针有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。

ACK：确认标志，表示应答域有效，就是前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中，该标志位有两个值，分别是0和1。当为1的时候，表示应答域有效。反之为0。

**PSH：**该标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓存区排队。

RST：该标志位表示链接复位请求，用来复位那些产生错误的链接，也被用来拒绝错误和非法的数据包。

SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN 标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；当连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1。这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发现一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来，就表面该主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描成功表示扫描的机器不安全。因为一个安全的主机，将会强制要求一个链接严格的进行TCP的三次握手。

FIN：表示发送端以及达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完毕，没有数据可以传送了。此时发送FIN标志位的TCP数据包后，链接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。当一个FIN标志的TCP数据包发送到一台计算机的特定端口后，如果这台计算机响应了这个数据，并且反馈回来一个RST标志的TCP包，就表明这台计算机上没有打开这个端口，但是这台计算机是存在的；如果这台计算机没有反馈回来任何数据包，这就标明，这台被扫描的计算机存在这个端口。

2.分析TCP的三次握手

TCP三次握手是理解TCP协议最重要的部分，下面我们就以tcp-handshake.pcapng捕获文件为例，来分析TCP的三次握手

2.1.第一次握手

TCP第一次握手，捕获的数据包信息如下所示

从Wireshark的Packet List面板中的Info列可以看到显示的TCP标志位是SYN。所以该数据包是客户端向服务器发送的第一次握手连接。在Packet Details面板中，显示了该包的详细信息，下面详细介绍

以上信息，表示这是第1个数据帧的相信信息，并且该包的大小为60个字节。

以上内容是以太网帧头部信息，其实源MAC地址为fa:16:3e:12:07:5a，目标MAC地址为fa:16:3e:e2:22:7a。

以上内容是IPv4首部的详细信息。其中源IP是10.1.1.142，目的IP为10.1.1.33。

以上内容是传输层首部的详细信息，这里使用TCP协议，其中源端口为49698，目标端口为6000.下面对该首部中的每个字段进行详细介绍,

根据以上信息的描述，可以看出该包是客户端发送给服务器建立连接请求的一个数据包。建立连接的源端口号为56678，目标端口号为6000，确认编号为0。而且在标志位FLAGS（0x0002）中，只设置了SYN，也就是位同步标志，表示请求建立连接。选项是8个字节，里面的内容有最大段（MSS），大小为1460字节。

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第一次握手TCP首部

2.2.第二次握手

TCP第二次握手捕获数据包相信信息，如下：

在该界面显示了第二次握手数据包的详细信息，其中位于TCP上面的信息与第一次握手时相近似，这里不做解释，重点看TCP协议部分，如下

以上描述的详细信息是服务器收到请求后，发给客户端的确认包（SYN+ACK）。根据以上描述，可以看到在该帧数据包中包含这个主机初始的序列号0，以及一个确认号1。这个确认号比之前那个数据包（1帧数据包）序列号大1，是因为该域是用来表示主机所期望得到的下一个序列号的值。

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

2.3.第三次握手

TCP第三次握手捕获数据包相信信息，如下：

这里我们直接看重点的TCP协议部分

以上信息就是客户端向服务器发送的确认包。在以上信息中，序列号和确认号都是1。标志位中只设置了ACK，表示该数据包是一个确认包。这样就完成了TCP链接的建立阶段。此时没有Options字段。

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第三次握手TCP首部

实验步骤三

**任务描述：**TCP的四次断开，也是TCP协议的主要工作之一。下面将通过捕获的tcp-break.pcapng文件，来分析TCP的四次断开。

1.第一次断开

TCP第一次断开连接的数据包，如下：

在该界面显示了TCP第一次断开，数据包的详细信息，我们具体来看下TCP部分

通过以上信息的描述，可以看到客户端向服务器发送FIN和ACK标志的数据包开始断开连接，其中FIN和ACK标志位都为1.

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第一次断开TCP首部格式

2.第二次断开

TCP第二次断开连接的数据包，如下

在该界面显示了TCP第二次断开，数据包的详细信息，我们具体来看下TCP部分

通过以上信息的描述，可以看出该包是服务器向客户端发送的ACK包。其中ACK标志位为1.

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第二次断开TCP首部格式

3.第三次断开

TCP第三次断开连接的数据包，如下

在该界面显示了TCP第三次断开，数据包的详细信息，我们具体来看下TCP部分

通过以上信息的描述，可以看出该包是服务器向客户端发送的FIN和ACK包。其中FIN和ACK标志位为1.

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第三次断开TCP首部格式

4.第四次断开

TCP第四次断开连接的数据包，如下

在该界面显示了TCP第四次断开，数据包的详细信息，我们具体来看下TCP部分

通过以上信息的描述，可以看到客户端向服务器发送ACK的包。其中，ACK标志位都为1.

我们将上面的信息，对应到TCP首部格式的每个字段，如下：

第四次断开TCP首部格式

答案

分析与思考

能否清楚的表述出三次握手和四次断开的原理

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接，如图1所示。 (SYN包表示标志位syn=1,ACK包表示标志位ack=1,SYN+ACK包表示标志位syn=1,ack=1)

(1) 第一次握手：建立连接时，客户端A发送SYN包(SEQ_NUMBER=j)到服务器B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认。

(2) 第二次握手：服务器B收到SYN包，必须确认客户A的SYN(ACK_NUMBER=j+1)，同时自己也发送一个SYN包(SEQ_NUMBER=k)，即SYN+ACK包，此时服务器B进入SYN_RECV状态。

(3) 第三次握手：客户端A收到服务器B的SYN＋ACK包，向服务器B发送确认包ACK(ACK_NUMBER=k+1)，此包发送完毕，客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

​ 图1 TCP三次握手建立连接

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

（1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送(报文段4)。

（2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。

（3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A(报文段6)。

（4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

TCP采用四次挥手关闭连接如图2所示。

​ 图2 TCP四次挥手关闭连接

1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的连接请求后，它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用，而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

3. 为什么不能用两次握手进行连接？

我们知道，3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

**补充：

a. 默认情况下(不改变socket选项)，当你调用close( or closesocket，以下说close不再重复)时，如果发送缓冲中还有数据，TCP会继续把数据发送完。

b. 发送了FIN只是表示这端不能继续发送数据(应用层不能再调用send发送)，但是还可以接收数据。

c. 应用层如何知道对端关闭？通常，在最简单的阻塞模型中，当你调用recv时，如果返回0，则表示对端关闭。在这个时候通常的做法就是也调用close，那么TCP层就发送FIN，继续完成四次握手。如果你不调用close，那么对端就会处于FIN_WAIT_2状态，而本端则会处于CLOSE_WAIT状态。这个可以写代码试试。

d. 在很多时候，TCP连接的断开都会由TCP层自动进行，例如你CTRL+C终止你的程序，TCP连接依然会正常关闭，

TCP和UDP的区别

	TCP	UDP
是否连接	面向连接	面向非连接
传输可靠性	可靠的	不可靠的
应用场合	传输大量的数据	少量数据
速度	慢	快

1. TCP协议在传送数据段的时候要给段标号；UDP协议不

2. TCP协议可靠；UDP协议不可靠

3. TCP协议是面向连接；UDP协议采用无连接

4. TCP协议负载较高，采用虚电路；UDP采用无连接

5. TCP协议的发送方要确认接收方是否收到数据段（3次握手协议）

6. TCP协议采用窗口技术和流控制