Wireshark实验

本部分按照数据链路层、网络层、传输层以及应用层进行分类，共有 10 个实验。

1、数据链路层

1.1、实作一 熟悉 Ethernet 帧结构

1.1.1 帧结构组成
在以太网链路上的数据包称作以太帧（Ethernet）。以太帧起始部分由前导码和帧开始符组成。后面紧跟着一个以太网报头，以MAC地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如IP协议)。以太帧由一个32位冗余校验码结尾。它用于检验数据传输是否出现损坏。

1.1.2 使用 Wireshark 任意进行抓包，熟悉 Ethernet 帧的结构，如：目的 MAC、源 MAC、类型、字段等。
选择你要抓包的网络

选择任意网络进行抓包
查看目的mac和源mac地址

问题 你会发现 Wireshark 展现给我们的帧中没有校验字段，请了解一下原因。

Wireshark 抓包前，在物理层网卡已经去掉了一些之前几层加的东西，比如前导同步码，FCS等等，之后利用校验码CRC校验，正确时才会进行下一步操作，因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、FCS之外的数据，没有校验字段。

1.2、 实作二 了解子网内/外通信时的 MAC 地址

ping 你旁边的计算机（同一子网），同时用 Wireshark 抓这些包（可使用 icmp 关键字进行过滤以利于分析），记录一下发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址是多少？这个 MAC 地址是谁的？

返回的这个MAC地址为：00:74:9c:9f:40:13。它是我旁边电脑的MAC地址

然后 ping qige.io （或者本子网外的主机都可以），同时用 Wireshark 抓这些包（可 icmp 过滤），记录一下发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址是多少？这个 MAC 地址是谁的？!

发出帧的目的mac地址为 00-74-9c-9f-40-13,它就是网关的mac地址。因为本机发送信息的下个地址必定是网关的mac地址。同理本机接收到的信息必定经由网关发送给我。

再次 ping www.cqjtu.edu.cn （或者本子网外的主机都可以），同时用 Wireshark 抓这些包（可 icmp 过滤），记录一下发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址又是多少？这个 MAC 地址又是谁的？

发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址都是00-74-9c-9f-40-13，这个地址就是本机的网关的mac地址

✎ 问题 通过以上的实验，你会发现：

访问本子网的计算机时，目的 MAC 就是该主机的
访问非本子网的计算机时，目的 MAC 一致是网关的

访问本子网的计算机时，目的 MAC 就是该主机的 访问非本子网的计算机时，目的 MAC 是网关的 请问原因是什么？

因为本子网内的信息可以直接到达，而本机接收到的本子网以外的信息必定经由网关发送给我，同理本机发送到本子往外信息的下个地址必定是网关的mac地址。

1.3、实作三 掌握 ARP 解析过程

为防止干扰，先使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存

ping 你旁边的计算机（同一子网），同时用 Wireshark 抓这些包（可 arp 过滤），查看 ARP 请求的格式以及请求的内容，注意观察该请求的目的 MAC 地址是什么。再查看一下该请求的回应，注意观察该回应的源 MAC 和目的 MAC 地址是什么。


可以发现 发出帧，广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff
回复时，是对方的MAC物理地址。

再次使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存

然后 ping qige.io （或者本子网外的主机都可以），同时用 Wireshark 抓这些包（可 arp 过滤）。查看这次 ARP 请求的是什么，注意观察该请求是谁在回应。

回复的mac地址为子网的网关MAC地址

✎ 问题 通过以上的实验，你应该会发现，
ARP 请求都是使用广播方式发送的 如果访问的是本子网的 IP，那么 ARP 解析将直接得到该 IP 对应的 MAC；如果访问的非本子网的
IP， 那么 ARP 解析将得到网关的 MAC。 请问为什么？

代理ARP原理：对于没有配置缺省网关的计算机要和其他网络中的计算机实现通信，网关收到源计算机的ARP请求会使用自己的MAC地址与目标计算机的IP地址对源计算机进行应答，访问非子网IP时是通过路由器访问的，路由器再把发出去，目标IP收到请求后，再通过路由器端口IP返回去，那么ARP解析将会得到网关的MAC。

2、网络层

2.1 实作一 熟悉 IP 包结构

使用 Wireshark 任意进行抓包（可用 ip 过滤），熟悉 IP 包的结构，如：版本、头部长度、总长度、TTL、协议类型等字段。

✎ 问题 为提高效率，我们应该让 IP 的头部尽可能的精简。但在如此珍贵的 IP 头部你会发现既有头部长度字段，也有总长度字段。请问为什么？

头部长度是来表明该包头部的长度，可以使得接收端计算出报头在何处结束及从何处开始读数据。总长度是为了接收方的网络层了解到传输的数据包含哪些，如果没有该部分，当数据链路层在传输时，对数据进行了填充，对应的网络层不会把填充的部分给去掉。

2.2 实作二 IP 包的分段与重组

根据规定，一个 IP 包最大可以有 64K 字节。但由于 Ethernet 帧的限制，当 IP 包的数据超过 1500 字节时就会被发送方的数据链路层分段，然后在接收方的网络层重组。

缺省的，ping 命令只会向对方发送 32 个字节的数据。我们可以使用 ping 202.202.240.16 -l 2000 命令指定要发送的数据长度。此时使用 Wireshark 抓包（用 ip.addr == 202.202.240.16 进行过滤），了解 IP 包如何进行分段，如：分段标志、偏移量以及每个包的大小等



可以看出，因为IP包最大长度只能1500B，所以就分成了1500B和500B分别进行传输，第一个包总长为1514B是因为还有帧结构目的MAC地址6B和源MAC地址6B和类型2B共14，而第二个包总长就是562B中除过500B内容外，14B是帧结构，而多的48B就可能和ICMP协议格式有关了。

✎ 问题 分段与重组是一个耗费资源的操作，特别是当分段由传送路径上的节点即路由器来完成的时候，所以 IPv6 已经不允许分段了。那么
IPv6 中，如果路由器遇到了一个大数据包该怎么办？

因为在 IPv6中分段只能在源与目的地上执行，不能在路由器上进行。因此当数据包过大时，路由器就会直接丢弃该数据包包，并向发送端发回一个"分组太大"的ICMP差错报文，之后发送端就会使用较小长度的IP数据报重发数据，所以路由器会直接丢弃再通知发送端进行重传。

2.3 实作三 考察 TTL 事件

在 IP 包头中有一个 TTL 字段用来限定该包可以在 Internet上传输多少跳（hops），一般该值设置为 64、128等。

在验证性实验部分我们使用了 tracert 命令进行路由追踪。其原理是主动设置 IP 包的 TTL 值，从 1 开始逐渐增加，直至到达最终目的主机。

请使用 tracert www.baidu.com 命令进行追踪，此时使用 Wireshark 抓包（用 icmp 过滤），分析每个发送包的 TTL 是如何进行改变的，从而理解路由追踪原理。

路由追踪原理：
通过向目标发送不同 IP 生存时间 (TTL) 值的"Internet 控制消息协议 (ICMP)"回应数据包，Tracert诊断程序确定到目标所采取的路由。要求路径上的每个路由器在转发数据包之前至少将数据包上的 TTL 递减 1。 数据包上的 TTL 减为 0 时，路由器应该将"ICMP 已超时"的消息发回源系统。
Tracert 先发送 TTL 为 1 的回应数据包，并在随后的每次发送过程将 TTL 递增 1，直到目标响应或 TTL 达到最大值，从而确定路由。 通过检查中间路由器发回的"ICMP 已超时"的消息确定路由。某些路由器不经询问直接丢弃 TTL 过期的数据包，这在 Tracert 实用程序中看不到。
Tracert 命令按顺序打印出返回"ICMP 已超时"消息的路径中的近端路由器接口列表。如果使用 -d 选项，则 Tracert 实用程序不在每个 IP 地址上查询 DNS。

寻找第一个ip 10.160.255.254

可以发现通过tracert路由追踪找到它到本机的TTL为64。
寻找第二个ip 172.19.2.2

可以发现经过一个节点TTL的值就会减少1。

✎ 问题

在 IPv4 中，TTL 虽然定义为生命期即 Time To Live，但现实中我们都以跳数/节点数进行设置。如果你收到一个包，其 TTL
的值为 50，那么可以推断这个包从源点到你之间有多少跳？

跳数为128-50=78跳或者64-50=14跳。

3、传输层

3.1、实作一 熟悉 TCP 和 UDP 段结构

用 Wireshark 任意抓包（可用 tcp 过滤），熟悉 TCP 段的结构，如：源端口、目的端口、序列号、确认号、各种标志位等字段。

TCP结构

用 Wireshark 任意抓包（可用 udp 过滤），熟悉 UDP 段的结构，如：源端口、目的端口、长度等。
udp结构

✎ 问题

由上大家可以看到 UDP 的头部比 TCP 简单得多，但两者都有源和目的端口号。请问源和目的端口号用来干什么？

源端口来表示发送终端的某个应用程序，目的端口来表示接收终端的某个应用程序。
端口号就是来标识终端的应用程序，从而实现应用程序之间的通信。

3.2 实作二 分析 TCP 建立和释放连接

打开浏览器访问 qige.io 网站，用 Wireshark 抓包（可用 tcp 过滤后再使用加上 Follow TCP Stream），不要立即停止 Wireshark 捕获，待页面显示完毕后再多等一段时间使得能够捕获释放连接的包。

第一次握手，同步位（SYN）是1，确认位（ACK）是0

第二次握手，同步位（SYN）是1，确认位（ACK）是1

第三次握手，同步位（SYN）是0，确认位（ACK）是1
连接建立成功!

释放连接

请在你捕获的包中找到三次握手建立连接的包，并说明为何它们是用于建立连接的，有什么特征。
第一次握手，同步位（SYN）是1，确认位（ACK）是0
第二次握手，同步位（SYN）是1，确认位（ACK）是1
第三次握手，同步位（SYN）是0，确认位（ACK）是1

请在你捕获的包中找到四次挥手释放连接的包，并说明为何它们是用于释放连接的，有什么特征。
通过发送FIN报文，来告诉对方数据已经发送完毕，断开连接

✎ 问题一

去掉 Follow TCP Stream，即不跟踪一个 TCP 流，你可能会看到访问 qige.io
时我们建立的连接有多个。请思考为什么会有多个连接？作用是什么？

它们之间的连接是属于短连接，一旦数据发送完成后，就会断开连接。虽然，断开连接，但是页面还是存在，由于页面已经被缓存下来。一旦需要重新进行发送数据，就要再次进行连接。这样的连接，是为了实现多个用户进行访问，对业务频率不高的场合，节省通道的使用，不让其长期占用通道。

✎ 问题二

我们上面提到了释放连接需要四次挥手，有时你可能会抓到只有三次挥手。原因是什么？

可能第二次和第三次合并了。如果对方也没有数据发给本端，那么对方也会发送FIN给本端，用于关闭从对方到本端的连接，这时候就可能出现ACK和FIN合在一起的情况。

4 、应用层

应用层的协议非常的多，我们只对 DNS 和 HTTP 进行相关的分析。

4.1 实作一 了解 DNS 解析

先使用 ipconfig /flushdns 命令清除缓存，再使用 nslookup qige.io 命令进行解析，同时用 Wireshark 任意抓包（可用 dns 过滤）。

你应该可以看到当前计算机使用 UDP，向默认的 DNS 服务器的 53 号端口发出了查询请求，而 DNS 服务器的 53 号端口返回了结果。
可了解一下 DNS 查询和应答的相关字段的含义


验证成功。

✎ 问题

你可能会发现对同一个站点，我们发出的 DNS 解析请求不止一个，思考一下是什么原因？

为了使服务器的负载得到平衡(因为每天访问站点的次数非常多）网站就设有好几个计算机，每一个计算机都运行同样的服务器软件。这些计算机的IP地址不一样，但它们的域名却是相同的。这样，第一个访问该网址的就得到第一个计算机的IP地址，而第二个访问者就得到第二个计算机的IP地址等等。这样可使每一个计算机的负荷不会太大。

4.2 实作二 了解 HTTP 的请求和应答

打开浏览器访问 qige.io 网站，用 Wireshark 抓包（可用http 过滤再加上 Follow TCP Stream），不要立即停止 Wireshark 捕获，待页面显示完毕后再多等一段时间以将释放连接的包捕获。


可以看出一个消息是request另一个是response
而回应消息有一个200,意思是请求成功

请在你捕获的包中找到 HTTP 请求包，查看请求使用的什么命令，如：GET, POST。并仔细了解请求的头部有哪些字段及其意义。
Accept:告诉WEB服务器自己接受什么介质类型
Content-Type:WEB 服务器告诉浏览器自己响应的对象的类型
Content-Length:WEB 服务器告诉浏览器自己响应的对象的长度
Cache-Control:用来指示缓存系统（服务器上的，或者浏览器上的）应该怎样处理缓存
Host:客户端指定自己想访问的WEB服务器的域名/IP 地址和端口号
POST:请求的方式，其中包括URI和版本

请在你捕获的包中找到 HTTP 应答包，查看应答的代码是什么，如：200, 304, 404 等。并仔细了解应答的头部有哪些字段及其意义。

应答代码是200
Server：服务器通过这个头告诉浏览器服务器的类型。Transfer-Encoding：告诉浏览器数据的传送格式。Content- Type：表示后面的文档属于什么MIME类型。Cache-Control：指定请求和响应遵循的缓存机制

✎ 问题

刷新一次 qige.io 网站的页面同时进行抓包，你会发现不少的 304
代码的应答，这是所请求的对象没有更改的意思，让浏览器使用本地缓存的内容即可。那么服务器为什么会回答 304 应答而不是常见的 200 应答？

浏览器中的缓存，可以直接在缓存区获取到需要的内容，不需要服务器在回复对应的内容，可以减少服务器的一些工作，减小开销。采用200应答就是要完全的将内容发送给客服端，这个会增加服务器的一些开销等。

5、实验心得体会

这个实验主要是使用wireshark软件进行抓包并对这些包进行分析，刚开始做的时候其实还是有很多问题，比如不知道抓的包去哪了、以及如何分析帧、ip包等结构，但是通过自己上网搜寻资料以及结合老师课上所讲的知识，自己还是独立完成了这些实验，做完之后，对于这些包的结构也是有了一定的了解，并且也能较为熟练地使用wireshark软件，但是还是需要继续学习。