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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。
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,选择目前连接的网络,WLAN。
②通过命令行窗口ping www.baidu.com ,然后进行抓包。
③使用ip.addr==110.242.68.4 and icmp过滤出与百度相关且是icmp协议的信息。
目的mac、源mac、类型分别如下:
字段Frame Number、字节长度如下:
(1)ping 10.160.69.49(旁边的计算机,子网内),抓包如下
发出帧的目的MAC地址:b4:69:21:5e:43:13,目的MAC是该主机的
返回帧的源 MAC 地址:40:23:43:aa:1f:4f
(2)Ping qige.io(子网外)
目的mac:00:74:9c:9f:40:13
源mac:40:23:43:aa:1f:4f
这个目的mac地址是网关的。
(3)ping cqjtu.edu.cn
目的mac:00:74:9c:9f:40:13
源mac:40:23:43:aa:1f:4f
这个目的mac地址是网关的。
通过以上的实验,你会发现:
原因如下:
① 为防止干扰,先使用 arp -d * 命令清空 arp 缓存
发现命令执行失败,此时使用管理员运行就可以了。
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。
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。
通过以上的实验,你应该会发现:
原因如下:
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。
版本:IPV4 ;头部长度:20 bytes ; 总长度:60; 存活时间TTL:128 ; 协议:ICMP
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:头部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,总长度字段则是为了接收端读数据,接收数据。
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。
分段标志:Flags
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:丢掉然后通知发送端重新传送。
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。
✎ 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:64-50=14跳
(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。
源端口:80
目的端口:52281
序列号:0
确认号:1
各种标志位:0x012(SYN,ACK)
(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。
源端口:54915
目的端口:54915
长度:271
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:传输层实现的是端到端的通信,需要源端口号与目的端口号实现两边的确认。
(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。
(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。
四次挥手过程如下:
问题1: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:访问qige.io的时候,不止一个端口与qige.io建立连接,而是许多端口同时与它建立连接。
作用:可以同时进行加载数据,提高运行速度。
问题2: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:第二次和第三次可以合并。
应用层的协议非常的多,我们只对 DNS 和 HTTP 进行相关的分析。
(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)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。
(3)可了解一下 DNS 查询和应答的相关字段的含义(参考链接: DNS报文格式解析)
✎ 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:我们访问的网址只有一个域名,但是服务器主机并不只有一台,并且域名解析服务器可能有很多个,所以会同时向几个域名解析服务器发出请求,从而得到不同的结果。
(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。
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。
状态码:
1xx:接收到请求且正在处理 2xx:请求正常处理完毕:eg:200 OK 3xx:重定向状态,表示浏览器需要进行附加操作
4xx:服务器无法处理这个请求 eg :404 Page Not Found 5xx:服务器处理出错
Server:服务器通过这个头告诉浏览器服务器的类型
Transfer-Encoding:告诉浏览器数据的传送格式
Date:当前的GMT时间
Content- Type:表示后面的文档属于什么MIME类型
Cache-Control:指定请求和响应遵循的缓存机制
✍ 建议:
HTTP 请求和应答的头部字段值得大家认真的学习,因为基于 Web 的编程中我们将会大量使用。如:将用户认证的令牌信息放到头部,或者把cookie 放到头部等。
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: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,服务器会回复浏览器上次请求的资源现在在缓存里,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,应答304,表示不再重新传送。
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