计算机网络Wireshark 实验

目录

数据链路层

实作一 熟悉 Ethernet 帧结构

实作二 了解子网内/外通信时的 MAC 地址

实作三 掌握 ARP 解析过程

网络层

实作一 熟悉 IP 包结构

实作二 IP 包的分段与重组

实作三 考察 TTL 事件

传输层

实作一 熟悉 TCP 和 UDP 段结构

实作二 分析 TCP 建立和释放连接

应用层

实作一 了解 DNS 解析

实作二 了解 HTTP 的请求和应答

---

数据链路层

实作一 熟悉 Ethernet 帧结构

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。

 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。

回答

在Wireshark抓包之前，物理层网卡已经把前面几层加上去的一些东西去掉了，比如前导同步码、FCS等等，之后利用校验码CRC校验，正确的时候才会进行下一步的操作，这时才开始抓包，所以抓包软件抓到的是去掉前导同步码、FCS以外的数据，没有校验字段。

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？

         这个Mac是同一子网下的主机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？

        Mac为本主机所在子网网关Mac地址。

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？

        该MAC是本机所在子网网关的MAC地址

问题

通过以上的实验，你会发现：

1. 访问本子网的计算机时，目的 MAC 就是该主机的
2. 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？

回答

究其原因，是在访问本子网以外的网络时，都是通过MAC地址将网关送到网关处，再通过IP地址将网关送出，然后再进行查找；所有接收到非子网的电脑返回的资料，都是先到网关，再由网关送到本机上，根据用途MAC。

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

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。

 

会发出一个广播，回复的是网关 

问题

通过以上的实验，你应该会发现，

1. ARP 请求都是使用广播方式发送的
2. 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？

回答

当本机接入本子网电脑时，数据包不需要离开本通讯子网，ARP解析也会在本子网内进行，因此获得ARP解析的是MAC物理地址，而MAC物理地址是对方的主机；
当本机访问的是非本子网的计算机时，也就是说此时有两个不同通信子网的主机之间需要通信，数据包需要离开本通信子网，这里就涉及到数据包在两个通信子网之间的传输，传输数据要离开本通信子网，ARP解析必然要经过网关，因此，本ARP解析得到的目的MAC物理地址就是本网关的物理地址(MAC物理地址是MAC物理地址)，

网络层

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？ 

回答

头部长度是为了表示包的头部长度，可以让接收端计算出报头在什么地方结束，从什么地方开始读数据。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内容，如果没有这个部分，数据链路层在传输的时候，是填充数据的，填充的部分相应的网络层是不会去掉的。

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

 

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？ 

回答

通知发送端重传前直接丢弃。因为在IPv6中分段只能执行源和目的地，路由器上无法执行。因此，当数据包过大时，路由器会将数据包直接丢弃，并将一个“太大分组”的ICMP错误报文发回发送端，之后再由长度较小的IP数据报在发送端重新发送数据。

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。

 TTL是每一次增加1，每一次都会发三次

 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？

回答

一般设置的TTL值为128 所以128-50=78跳

传输层

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。

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。

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？ 

回答

传送层实现的是端到端的通信，即两个设备之间的进程通信，而进程通信需要双方确认，所以源端口号和目的端口号实现端到端的进程通信，无论选择哪种协议，在传送层都是有要求的。

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。

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 客户端发送 SYN 报文 到服务器，标志是SYN,Seq=0

第二次 ，服务器接收到 客户端的SYN 报文，回复 SYN + ACK 报文 标志是SYN和ACK ACK=syn+1=1 seq=0

 第三次 ，客户端接收到服务端的 SYN+ACK 报文后，回复 ACK报文

Seq=1 ack=接收到的seq+1=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。

 第一次挥手 FIN +ACK seq=98 ack=161

第二次挥手 ACK  seq=161 ack=99

第三次挥手 FIN +ACK  seq=161 ack=99

第四次挥手 ACK  seq=99 ack=162

问题

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？

回答

因为这个连接属于短连接，是为了在不太频繁的业务场合，不让它长时间占用通道的情况下，实现多个用户的访问。

问题

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？

回答

最后有四次数据交换，其中第二次和第三次都能合在一起，这样的话就只能抓到三个包了。

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。

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

---

QR：查询/应答标志。0表示这是一个查询报文，1表示这是一个应答报文
opcode，定义查询和应答的类型。0表示标准查询，1表示反向查询（由IP地址获得主机域名），2表示请求服务器状态
AA，授权应答标志，仅由应答报文使用。1表示域名服务器是授权服务器
TC，截断标志，仅当DNS报文使用UDP服务时使用。因为UDP数据报有长度限制，所以过长的DNS报文将被截断。1表示DNS报文超过512字节，并被截断
RD，递归查询标志。1表示执行递归查询，即如果目标DNS服务器无法解析某个主机名，则它将向其他DNS服务器继续查询，如此递归，直到获得结果并把该结果返回给客户端。0表示执行迭代查询，即如果目标DNS服务器无法解析某个主机名，则它将自己知道的其他DNS服务器的IP地址返回给客户端，以供客户端参考
RA，允许递归标志。仅由应答报文使用，1表示DNS服务器支持递归查询
zero，这3位未用，必须设置为0
rcode，4位返回码，表示应答的状态。常用值有0（无错误）和3（域名不存在）

---

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？

回答

DNS的原因可能不止一个，DNS的解析过程首先要检查浏览器的DNS缓存中有没有这个URL的映射关系，如果有就回到IP上完成域名的解析；如果不是，操作系统会先检查自己本地的Hosts文件有没有这个URL的映射关系，有的话会回到IP上完成域名的解析；若仍不具备，计算机须向本地DNS服务器发起查询域名的请求；本地的DNS服务器拿到请求后，先在自己的Cache中查看是否存在该地址，如果存在则直接返回；如果不是这样，本地的DNS服务器就会从组态文件中读取13台根DNS服务器的地址，进而发起对其中一台的请求；直至获取对应IP。

实作二 了解 HTTP 的请求和应答

打开浏览器访问 www.baidu.com 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。

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。

请求方法
1.OPTIONS
返回服务器针对特定资源所支持的HTTP请求方法，也可以利用向web服务 器发送‘*’的请求来测试服务器的功能性
2.HEAD
向服务器索与GET请求相一致的响应，只不过响应体将不会被返回。这一方法可以再不必传输整个响应内容的情况下，就可以获取包含在响应小消息头中的元信息。
3.GET
向特定的资源发出请求。它本质就是发送一个请求来取得服务器上的某一资源。资源通过一组HTTP头和呈现数据（如HTML文本，或者图片或者视频等）返回给客户端。GET请求中，永远不会包含呈现数据。
4.POST
向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改。 Loadrunner中对应POST请求函数：web_submit_data,web_submit_form
5.PUT
向指定资源位置上传其最新内容
6.DELETE
请求服务器删除Request-URL所标识的资源
7.TRACE
回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断
8.CONNECT
HTTP/1.1协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。

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。

常见的状态码：

100： 继续 客户端应当继续发送请求。客户端应当继续发送请求的剩余部分，或者如果请求已经完成，忽略这个响应。
102： 继续处理 由WebDAV（RFC 2518）扩展的状态码，代表处理将被继续执行。
200： 请求成功 处理方式：获得响应的内容，进行处理
201： 请求完成，结果是创建了新资源。新创建资源的URI可在响应的实体中得到 处理方式：爬虫中不会遇到
300： 该状态码不被HTTP/1.0的应用程序直接使用， 只是作为3XX类型回应的默认解释。存在多个可用的被请求资源。 处理方式：若程序中能够处理，则进行进一步处理，如果程序中不能处理，则丢弃
301： 请求到的资源都会分配一个永久的URL，这样就可以在将来通过该URL来访问此资源 处理方式：重定向到分配的URL
302： 请求到的资源在一个不同的URL处临时保存 处理方式：重定向到临时的URL
304： 请求的资源未更新
400： 非法请求
404： 没有找到 处理方式：丢弃
500： 服务器内部错误 服务器遇到了一个未曾预料的状况，导致了它无法完成对请求的处理。一般来说，这个问题都会在的源代码出现错误时出现。
501： 服务器无法识别 服务器不支持当前请求所需要的某个功能。当服务器无法识别请求的方法，并且无法支持其对任何资源的请求。

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？

回答

304应答者应征资源未更新，200应答者应征成功，应答内容已有。服务器回答304回答说明qige.io网站的页面已经被浏览器缓存，网站在刷新时直接从本地缓存中取出，说明请求内容并未发生变化，服务器回答304回答。