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计算机网络实验报告（二）：Wireshark 实验

2023-05-16

文章目录

  • 一、数据链路层
  • 二、网络层
  • 三、传输层
  • 四、应用层

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。需要使用协议分析软件 Wireshark 进行，请根据简介部分自行下载安装。

准备
请自行查找或使用如下参考资料，了解 Wireshark 的基本使用：

选择对哪块网卡进行数据包捕获
开始/停止捕获
了解 Wireshark 主要窗口区域
设置数据包的过滤
跟踪数据流

参考

官方文档
Wireshark抓包新手使用教程
Troubleshooting with Wireshark
The Official Wireshark Certified Network Analyst Study Guide
Wireshark Network Security

一、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
在这里插入图片描述

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：
Wireshark 抓取的包会自动丢弃掉校验字段。

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？

在这里插入图片描述

目的MAC地址是：80:c5:f2:82:01:5d
源MAC地址是：54:b2:03:09:3a:11
源MAC地址是本机的物理地址，目的MAC地址旁边的计算机的物理地址

  1. 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？

在这里插入图片描述

目的MAC地址是：60:ee:5c:4d:ed:ee
源MAC地址是：54:b2:03:09:3a:11
源MAC地址是本机的物理地址，目的MAC地址是棋歌网的物理地址

  1. 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？

由于一些因素，ping不通www.cqjtu.edu.cn，所以选择ping百度

在这里插入图片描述

目的MAC地址是：00:74:9c:9f:40:13
源MAC地址是：54:b2:03:09:3a:11
源MAC地址是本机的物理地址，目的MAC地址是百度的物理地址

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：
访问外网的时候，都是通过 mac 地址送到网关处，然后出了网关再通过 IP 地址进行查找；接收到非子网的计算机返回的数据都是先到网关，网关再根据目的 mac 送到本机

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
  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。

在这里插入图片描述

  1. 再次使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存
  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 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。

在这里插入图片描述

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：
ARP解析是先看arp表中是否有目的地址，如果有就不需要再次建立联系了，可以获取到目的MAC。如果没有就需要发送ARP请求，来获取目的MAC。如果目的地址是属于同一个子网，则不行要通过网关就能够进行通信，而不在同一个子网中就需要通过网关才能够建立联系

二、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。

在这里插入图片描述

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：
有头部长度字段和总长度字段是为了方便上层将 IP 包中的数据提取出来，如果只有其中一个长度字段，显然上层协议不知道从哪到哪是数据

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 220.181.38.14 -l 2000 命令指定要发送的数据长度。此时使用 Wireshark 抓包（用 ip.addr == 220.181.38.14 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

由于无法用2000字节的数据ping通220.181.38.14，所以用2000字节的数据ping了旁边的计算机
在这里插入图片描述

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：
转发到支持该数据传输的路由上或者丢弃。

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。

在这里插入图片描述

TTL从1开始，每经过一个路由，TTL的的设置就会增加1，直到到达目的地址。发送包才将TTL设置为64或者128，将数据按照路由的顺序进行数据的发送。

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：
经过14跳，一般TTL的设置为与其最靠进的2的n次幂。

三、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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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：源端口表示发送终端的某个应用程序，目的端口表示接收终端的某个应用程序。端口号就是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
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。

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述
第一次
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（seq=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。
第三次
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

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。

在这里插入图片描述

（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送。
（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
（4） 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

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：
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：
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：
三次是因为将中间的两次合成为一次。

四、应用层

实作一 了解 DNS 解析
先使用 ipconfig /flushdns 命令清除缓存，再使用 nslookup www.baidu.com 命令进行解析，同时用 Wireshark 任意抓包（可用 dns 过滤）。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

可了解一下 DNS 查询和应答的相关字段的含义

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不止一个的原因可能是DNS解析过程是先从浏览器的DNS缓存中检查是否有这个网址的映射关系，如果有，就返回IP，完成域名解析；如果没有，操作系统会先检查自己本地的hosts文件是否有这个网址的映射关系，如果有，就返回IP，完成域名解析；如果还没有，电脑就要向本地DNS服务器发起请求查询域名；本地DNS服务器拿到请求后，先检查一下自己的缓存中有没有这个地址，有的话直接返回；没有的话本地DNS服务器会从配置文件中读取根DNS服务器的地址，然后向其中一台发起请求；直到获得对应的IP为止。

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

问题：
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。
回答：
404:请求的网页不存在(不排除日后该链接有效的可能性)；
410:请求的网页不存在(永久)；
200:服务器成功返回网页
302:网址临时重定向(跳转
301:网址永久重定向

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：如果是用浏览器刷新的，那么浏览器不会去判断 max-age 了，直接去服务器拿，如果服务器判断资源没变过，则会返回304，让你自己读本地缓存即可，而返回200是指成功从服务器拿到了资源，意义不一样的。

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