文章目录

• 一、数据链路层
• • 1、熟悉 Ethernet 帧结构
  • 2、了解子网内/外通信时的 MAC 地址
  • 3、掌握 ARP 解析过程
• 二、网络层
• • 1、熟悉 IP 包结构
  • 2、 IP 包的分段与重组
  • 3、考察 TTL 事件
• 三、传输层
• • 1、熟悉 TCP 和 UDP 段结构
  • 2、分析 TCP 建立和释放连接
• 四、应用层
• • 1、了解 DNS 解析
  • 2、了解 HTTP 的请求和应答

一、数据链路层

1、熟悉 Ethernet 帧结构

• 首先打开wireshark软件，ctrl+E开始捕获
• 在Cmder输入命令，ping腾讯主页：

ping www.tencent.com

• 在wireshark中，ctrl+E停止捕获，设置过滤条件

ip.addr == 183.66.105.205

• 从图中我们可以看到
  目的MAC：00:74:9c:9f:40:13
  源 MAC ：70:1c:e7:a3:da:18
  类型：IPv4 (0x0800)
  字段：17
  字长：74 bytes (592 bits)

Wireshark 展现给我们的帧中没有校验字段的原因

• 在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和错，就丢弃此帧。如果校验和正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件，如果符合，就将帧交“设备驱动程序”做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据，因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、FCS之外的数据。

2、了解子网内/外通信时的 MAC 地址

• ping 旁边的计算机（同一子网）

ping 192.168.43.19

• 抓包结果
  

• 发出帧源MAC地址：70:1c:e7:a3:da:18
  返回帧源MAC地址：1c:1b:b5:60:0e:b9
  这个地址是处在同一子网里的该计算机的MAC地址

• ping qige.io （或者本子网外的主机都可以）

ping qige.io

• 抓包结果
  
  

• 发出帧源MAC地址：70:1c:e7:a3:da:18
  返回帧源MAC地址：00:74:9c:9f:40:13
  这个地址是本主机所在子网的网关MAC地址。

• 再次 ping www.tencent.com （或者本子网外的主机都可以）

ping www.tencent.com 

• 抓包结果
  
  
• 发出帧源MAC地址：70:1c:e7:a3:da:18
  返回帧源MAC地址：00:74:9c:9f:40:13
  这个地址是本主机所在子网的网关MAC地址。

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 是网关的
请问原因是什么？

• 当本机访问的是本子网的计算机，对方主机的MAC物理地址在表中，数据包无需离开本通信子网即可将传输数据传送到对方。
  当本机访问的是非本子网的计算机，对方主机的MAC物理地址不在表中，数据包就需要离开本通信子网，传输数据要离开本通信子网，就要经过网关，因此，该目的MAC物理地址就是本网关的物理地址。

3、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 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。
  
• 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。
  
  
  回复的是子网的网关MAC地址。

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？

• 当本机访问的是本子网的计算机， ARP 解析将也是在本子网里进行，所以ARP解析得到是对方主机的MAC物理地址；
  当本机访问的是非本子网的计算机，ARP 解析要经过网关，因此，该ARP 解析得到的目的MAC物理地址就是本网关的物理地址。

二、网络层

1、熟悉 IP 包结构

• 打开wireshark软件，ctrl+E开始捕获
• 在Cmder输入命令，ping腾讯主页：

ping www.tencent.com

• 抓包结果
  
  
• 从图中我们可以看到
  版本：IPV4
  头部长度：20 bytes
  总体长度:60
  存活时间TTL：128s
  协议：ICMP

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。

2、 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

ping 202.202.240.16 -l 2000

• 抓包结果
  
• 分段标志是0x20
  DF（不分段位）：0表示允许分段，1则表示不允许分段
  MF（更多段位），0表示后面没有包，1则表示后面还有其他包。
  偏移量：Fragment Offset=0，表明该包位于数据流的0号位置。
  包的大小：Total Length=1500，它包含IP包头部及数据两个部分。

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？

• IPv6中分段只能在源与目的地上执行，不能在路由器上进行。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。

3、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。

tracert www.baidu.com

• 抓包结果
  
  
  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，因此 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。

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。

三、传输层

1、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。
  
  
• 源端口：54080
  目的端口：80
  序列号：0
  确认号：0
  标志位:0x002
• 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。
  
  
• 源端口：57190
  目的端口：53
  长度：49
  校验和：0x6071

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。

2、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。
  

• 第一次握手的标志位为SYN，代表客户端请求建立连接: Sep= 0
  第二次握手由对方发回确认包，标志位为SYN,ACK：,ACK=0+1=1,Sep=0
  第三次握手客户端再次发送确认包：ACK=0+1=1,Sep=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
  

• 建立状态：ACK=1, seq=259
  服务器确认：ACK=1，seq=259，ack=4382
  服务器询问释放连接：FIN=1, ACK=1，seq=259，ack=4382
  用户端回复：ACK=1，seq=4382，ack=260

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？

• 这样的连接是为了允许多个用户访问。在业务频率不高的情况下，可以节省信道的使用，防止其长时间占用信道

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？

• 原因是将第二次、第三次挥手发出的包合并为了一个。

四、应用层

1、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？

• 一个域名并不只有一台服务器主机，虽然域名相同，但每一台服务器的IP地址不同。

2、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。
  

• 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。
  
  

• GET：请求方法
  Cache-Control：指定请求和响应遵循的缓存机制
  Host：指定请求的服务器的域名和端口号
  Connection：连接状态
  Pragma：用来包含实现特定的指令
  Accept：指定客户端能够接收的内容类型
  User-Agent：User-Agent的内容包含发出请求的用户信息

• 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200，表示响应成功
  Content-Length：内容长度
  Content-Type：内容类型
  Server：服务器
  Date：时间
  Connection：连接类型

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？

• 服务器对于浏览器的第一次应答对于浏览器来说已经有了缓存，因此浏览器第二次发送请求的时候，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。