计算机网络实验——Wireshark 实验

Wireshark 实验

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。
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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,物理层网卡已经进行过校验,正确时才会进行下一步操作,当我们使用Wireshark进行抓包,抓到的为校验后的包,抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、校验字段(fcs)之外的数据。所以我们看到的帧中是没有校验字段。

实作二 了解子网内/外通信时的 MAC 地址

1.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?
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目的MAC地址:f8:e7:a0:f9:33:c7(旁边的计算机)
源MAC地址:70:1c:e7:e0:40:93(本计算机)

2.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?
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目的MAC地址:76:d2:e7:70:56:59(网关)
源MAC地址:70:1c:e7:e0:40:93(本计算机)

3.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?
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目的MAC地址:76:d2:e7:70:56:59(网关)
源MAC地址:70:1c:e7:e0:40:93(本计算机)

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?

1、访问本子网的计算机时,可以直接到达,所以目的MAC就是该主机
2、访问非本子网的计算机时,要经过网关到达外面,所以目的MAC是网关

实作三 掌握 ARP 解析过程

1.为防止干扰,先使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存
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2.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。
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目的MAC地址:f8:e7:a0:f9:33:c7(旁边的计算机)

目的MAC地址:ff:ff:ff:ff:ff:ff
源MAC地址:f8:e7:a0:f9:33:c7

3.再次使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存
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4.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。
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目的MAC地址:76:d2:e7:70:56:59(网关)

目的MAC地址:ff:ff:ff:ff:ff:ff
源MAC地址:70:1c:e7:e0:40:93

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?

因为在同一子网下的话,不需要通过网关进行通信,则直接得到该IP对应的MAC,不属于同一子网的话,需要通过网关才能通信。

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。
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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。

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
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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

直接丢弃再通知发送端进行重传。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。

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。
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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?

一般情况下是64-50=14跳,很少有128-50=78跳。

传输层

实作一 熟悉 TCP 和 UDP 段结构

1.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。
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2.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。
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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?

端口号用来标识同一台计算机的不同应用进程。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。

实作二 分析 TCP 建立和释放连接

1.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。
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2.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。
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SYN 同步序列号,用来发起一个TCP连接。
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

3.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。
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TCP断开连接是通过发送FIN报文,来告诉对方数据已经发送完毕,可以释放连接。

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?

有多个连接相当于开辟了多个传输通道。作用是加快传输数据的速度。

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?

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。即在释放连接的时候,有一次返回的时候ACK=1确认释放连接的时候,同一个报文中FIN=1,即同时发出的释放连接的请求。

应用层

实作一 了解 DNS 解析

1.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)。
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2.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。
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3.可了解一下 DNS 查询和应答的相关字段的含义。
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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?

因为我们访问的网址只有一个域名,但是并不只有一台服务器主机,因此每一台服务器的IP地址不同,但他们的域名都是相同的。因此发出的解析请求是分散给不同服务器,连接不同的服务器就会有不同的服务器地址。

实作二 了解 HTTP 的请求和应答

1.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。
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2.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。
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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。

3.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。

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200:交易成功;
304:客户端已经执行了GET,但文件未变化;
404:没有发现文件、查询或URl。

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?

如果是用浏览器刷新的,服务器根据浏览器传来的时间发现和当前请求资源的修改时间一致,服务器判断资源没变过,就应答304,表示不传应答体了,从浏览器中的缓存里取。应答200是指浏览器成功从服务器拿到了全部资源。

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