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打开Wireshark，选择正确的有网络的接口，例如下图，我选择的是WLAN。



②打开cmd窗口，输入以下命令，同时用Wireshark进行抓包即可。

ping www.baidu.com

③Wireshark抓包成功，但是在数据列表里面可能会有很多ip地址的包，查看比较麻烦，可以输入目的地址进行搜索。

ip.addr == 14.215.177.38 and icmp

ping后的回复ip为14.215.177.38，所以查找的地址为相应地址。




具体情况如下所示：



从数据包详细信息中可以看到：

源Mac地址：34:e1:2d:xx:xx(具体不展示)

目的Mac地址：00:74:9c:xx:xx（具体不展示）

类型IPv4（0x0800）

字段Frame number为：19

字节长度Frame Length为：74bytes(592 bits)

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。

答：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，所以我么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，记录一下发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址。



不难发现他只显示了请求超时，可能有以下情况：

①对方已关机，或者网络上根本没有这个地址；

②对方与自己不在同一网段内，通过路由也无法找到对方，但有时对方确实是存在的，当然不存在也是返回超时的信息；

③对方确实存在，但设置了ICMP数据包过滤（比如防火墙设置）。

2. 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。

①ping棋歌教学网站，输入一下命令即可。

ping qige.io

②用Wireshark进行抓包，并使用icmp过滤，可以看到Mac地址。

3. ping www.baidu.com （或者本子网外的主机都可以），同时用 Wireshark 抓这些包，记录一下发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址。
   
   在这里插入图片描述
   
   
   
   
   
   
   
   ✎问题：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？
   
   答：ARP代理，访问非子网计算机时是通过路由器转接的，MAC地址是接入路由器端口的地址，再通过路由器发给相应计算机。

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。

arp -d *

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。



可以观察到Mac地址如果所示：



根据搜索资料得知，虽然与同学处于同一子网，但是ip不是静态ip，ping会导致连接超时等。

3.再次使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存。

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。

ping qige.io

通过以上的实验，我们发现ARP 请求都是使用广播方式发送的。

✎问题：

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。为什么？

答：ARP代理，访问非子网IP时是通过路由器访问的，路由器再把信息发送出去，目标IP收到请求后，再通过路由器端口IP返回去，所以ARP解析将会得到网关的MAC地址。

网络层

实作一 熟悉 IP 包结构

1.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。

我们可以ping百度，然后使用Wireshark进行抓包，可以观察到相关数据，这里我用的之前ping qige.io进行观察。



✎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？

答：便于传输时的识别IP总长度，节省时间，当长度超过1500B时就会被返回链路层进行分段，从而使得效率提高。

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。

ping 202.202.240.16 -l 2000

✎ 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？

答：当遇到了一个大数据包，会转发至能支持该数据报的出链路上。

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。

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

抓包观察到每一个包的TTL即存活时间。

✎ 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？

答：TTL为50，可以推断出该包从源点到我之间有50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。



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。



✎ 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？

答：我们知道一个进程对应一个端口，端口是用来唯一标识这个进程。在传输层，源端口标识发起通信的那个进程，目的端口标识接受通信的那个进程，接受到报文根据端口号将报文发送到目的进程。

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。



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。



SYN 同步序列号，用来发起一个TCP连接

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。



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，可以释放连接了。

分析：可以看到我只有三次挥手，那是因为第二次和第三次合并了。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。

✎ 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？

答：有时候抓到的包用rtsp过滤了之后，存在多个tcp连接。然后找到正确的连接，再使用follow tcp stream功能。

✎ 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？

答：因为第二次和第三次合并,如果对方没有数据发给本端，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。

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

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）。

2.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。

3.可了解一下 DNS 查询和应答的相关字段的含义。

DNS是一套分布式的域名服务系统。每个DNS服务器上都存放着大量的机器名和 IP地址的映射，并且是动态更新的。众多网络客户端程序都使用DNS协议来向DNS服务器查询目标主机的IP地址。



16位标识字段用于标记一对DNS查询和应答，以此区分一个DNS应答是哪个DNS查询的回应。

16位标志字段用于协商具体的通信方式和反馈通信状态。



1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.zero，这3位未用，必须设置为0。

7.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？

答：对于部署再服务器上地应用来说，不需要进行任何代码地修改就可以实现不同机器上地应用访问。一个网站设有很多个计算机，每一个计算机都运行同样的服务器软件。这些计算机的IP地址当然都是不一样的，但它们的域名却是相同的。访问该网址的就得到一个计算机的IP地址，另外一个访问者得到另外一个计算机的IP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。



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。

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。



✎ 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？

答：因为第一次访问时成功收到响应，就会返回200，浏览器这时会下载资源文件，记录response header和返回返回时间。浏览器第二次发送请求的时候，告诉浏览器我上次请求的资源现在还在自己的缓存中，如果你那边这个资源还没有修改，就可以不用传送应答体给我了。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，就应答304，表示不传应答体了，从缓存里取，不一致返回200。