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

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。

  1. 目的MAC：a2:30:0e:d7:cb:61
  2. 源MAC：24:41:8c:c4:cd:63
  3. 类型：IPv4（0x0800）
  4. 字段如图所示。

✎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展现给我们的帧中没有校验字段，是因为Wireshark的帧格式中含有校验字段，在抓包时校验字段被过滤了

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？

发出帧的目的MAC和返回帧的源MAC都是ping对象主机的MAC地址，即24:41:8c:c4:cd:63
这个MAC地址是ping的对象主机的MAC地址。

  1. 然后ping 14.215.177.39（百度），并用Wireshark抓包同时用 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：a2:30:0e:d7:cb:61

返回帧的源MAC：a2:30:0e:d7:cb:61
这个MAC地址是网关的地址。

  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？

发出帧的目的MAC：a2:30:0e:d7:cb:61

返回帧的源MAC：a2:30:0e:d7:cb:61
这个MAC地址也是网关的地址。

✎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？

访问本子网的计算机时，主机间可直接连通，通信不需要经过网关，故目的MAC就是该主机的；当访问非本子网的计算机时，通信必须要经过网关，故目的MAC是网关的。

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。

ARP请求通过广播方式发送。

ARP请求内容： Who has 192.168.134.229″ />

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。

可见ARP请求通过广播方式发送，若访问本子网的ip地址，则ARP解析直接得到该ip对应的MAC地址；若访问非本子网的ip地址，则ARP解析结果是网关的MAC地址。

✎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

由于ARP是根据IP地址获取MAC地址的一个协议，主机发送信息时必须要将包含了目标IP地址的ARP请求广播到局域网上所有主机，并接收返回信息，从而确定目标的MAC地址，并将其IP地址和MAC地址存入本机ARP缓存种且保留一定时间。若不广播，在不知道目的MAC的情况下无法获取其MAC地址。

  1. 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？

在ping时，通过将ip地址和子网掩码进行与运算可以判断该ip地址是否与发送机在同一子网中，若在同一子网，则可以通过广播的方式直接得到对方主机的MAC地址，于是直接向对方发送数据包；若不在同一子网中，则只能通过网关，所以需要发送给网关，若不知道网关地址，则需要通过ARP在子网内广播获取网关的MAC地址，然后再给网关发送数据。

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。

  1. 版本：4
  2. 头部长度：20字节
  3. 总长度：40字节
  4. TTL：128
  5. 协议类型：TCP

✎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？

因为在发送方的数据链路层传输时，对数据进行了填充，总长度字段包括了头部长度字段和数据字段，而有了头部长度字段和总长度字段，接收方就能够知道数据字段的长度，如果没有了头部长度字段，接收方网络层就不知道数据多长，也就不会把填充的多余部分去掉。

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

分了2个IP包，如图所示。

  1. 第一个IP包

  1. IP包总长度为1500，分片偏移量为0。

IP包总长度为548，分片偏移量为1480。意为两个IP包以第1480字节作为分隔的节点。

✎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？

在IPv6中分段只能在源和目的地上执行，不能在路由上进行。因此，当遇到一个大数据包时，路由器会直接丢弃该数据包，并且向发送端发回一个类似于“分组过大”的ICMP差错报文，之后发送端就会使用较小长度的IP数据包重新发送。总而言之，当路由器遇到一个大数据包时，会直接丢弃然后再通知发送端进行重传。

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。

由tracert追踪可以看出，每经过一跳，TTL数增加1，以此可以计算从发送方地址到目的地址之间节点个数。
TTL字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量，常见的TTL设置为64或128。Tracert先发送TTL为1的回应数据包，随后的每次发送TTL递增1，直至目标响应或TTL达到最大值，从而确定路由。

✎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？

由ICMP回显应答的TTL字段值相当于离TTL最近的2的n次方的值减去TTL返回值，离50最近的是2的6次方：64，则跳数应为64-50=14。

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。

①源端口：80
②目的端口：1930
③序列号：0
④确认号：0
⑤报头长度：32字节
⑥加粗样式标志位：0x012
⑦校验和：0xd15d

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。

① 源端口：8700
② 目的端口：57750
③ UDP长度：54
④ UDP校验和：0xf877

✎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？

端口号用于标识终端的应用程序，从而实现程序之间的通信。源端口就是指本地端口，目的端口就是远程端口；源端口就是本机程序用来发送数据的端口，目的端口就是对方主机用哪个端口接收。

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。

“第一次握手” 客户端发送的TCP报文中以[FIN,ACK]作为标志位，并且客户端序号Seq=0；
“第二次握手” 服务器返回的TCP报文中以[ACK]作为标志位，并且服务器端序号Seq=0，确认号Ack=1（“第一次握手”中客户端序号Seq值+1）；
“第三次握手” 客户端再向服务器端发送的TCP报文中以[ACK]作为标志位，其中客户端序号Seq=1（“第二次握手”中服务器端确认号ACK的值），确认号Ack=1（“第二次握手”中服务器端序号Seq的值+1）

  1. 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。
  2. 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。

✎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？

✎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？