[网络协议]计算机网络实验报告二

计算机网络实验报告二

1. 数据链路层

准备:
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

1.1 实验一 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。

Destination:目的MAC
Source:源MAC
Type:类型

? 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从1.2以后的版本开始，默认不打开TCP/UDP协议的校验和检查了。导致有时看不出来数据包的校验和是否正确，界面显示“validation disabled”（即禁止校验）这是因为有时校验和会由网卡计算，这时wireshark抓到的本机发送的数据包的校验和都是错误的，所以默认关闭了WireShark自己的校验。如果你需要打开怎么办？可以在WireShark的协议设置中手工打开：

1.2 实验二 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？

ping 10.60.28.212
发出帧

返回帧

发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源MAC 地址是72.56:CC:7C:FB:2A是其主机的mac地址

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？

发出帧

返回帧

发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址是00:74:9c:9f:40:13，这个MAC地址是本机的网关MAC地址

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？
发出帧

返回帧

发出帧的目的 MAC 地址以及返回帧的源 MAC 地址是00:74:9c:9f:40:13，这个MAC地址是本机的网关MAC地址

? 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？

因为要访问本子网外的计算机时，必定先经过网关，在本子网内就不需要到达网关，直接到该计算机。

1.3 实验三 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。

ping 10.60.28.212


源MAC是本机的MAC地址，目的MAC地址是该IP的MAC地址
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

回复为本机的MAC地址

通过以上的实验，你应该会发现，

ARP 请求都是使用广播方式发送的 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？

如果访问的是本子网的 IP ，如果 ARP 缓存中没有该 IP的mac 地址，那么就广播在子网中寻找这个ip ，然后再得到该ip的mac地址；如果访问的是非子网的 IP ，那么 APR 将会解析得到网关的 mac，因为发送数据到外网都是通过网关这个端口，所以得到的是网关的 mac

2. 网络层

2.1 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。

? 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？

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，上层协议不知道从哪到哪是数据。

2.2 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

一共分成了两个包


包总长为1500，偏移量为0，分段标志置1

包总长为548，偏移量为1480，分段标志置0

? 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：会将其直接丢弃

2.3 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。

1.第一跳10.60.255.254

TTL设置为1
2.第二跳

TTL设置为2
3.第三跳

TTL设置为3
…
Tracert 先发送 TTL 为 1 的回应数据包，并随后的每次发送过程将 TTL 递增 1，直到目标响应或 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？
64-50=14跳

3. 传输层

3.1 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？

源端口和目的端口是用来确认某一个应用程序，IP 只到达子网网关，MAC 只到达子网下的指定主机，而端口号是达到主机上的某个应用程序

3.2 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。
   

第一次握手：客户端Client发送位码为SYN＝1，随机产生seq=x的数据包到服务器，服务器Server由SYN=1知道，客户端Client要求建立联机；
第二次握手：服务器Server收到请求后要确认联机信息，向客户端Client发送ack=(客户端Client请求连接时的seq)+1，SYN=1，ACK=1，产生seq=y的包,代表接收到连接请求并且向客户端再次确认；
第三次握手：客户端Client收到后检查ack是否正确，即第一次发送的seq+1，以及位码ACK是否为1，代表收到了服务器端发过来的确认信息。之后客户端Client会再向服务器发送ack=(服务器Server的seq+1)，ACK=1，服务器Server收到后确认ack 值与ACK=1，连接建立成功。
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。

第一次挥手
?客户端给服务器发送TCP包，用来关闭客户端到服务器的数据传送。
?将标志位FIN和ACK置为1，序号为X=1，确认序号为Z=1。
第二次挥手
服务器收到FIN后，发回一个ACK(标志位ACK=1),确认序号为收到的序号加1，即X=X+1=2。
?序号为收到的确认序号=Z。
第三次挥手
服务器关闭与客户端的连接，发送一个FIN。
?标志位FIN和ACK置为1，序号为Y=1，确认序号为X=2。
第四次挥手
客户端收到服务器发送的FIN之后，发回ACK确认(标志位ACK=1),确认序号为收到的序号加1，即Y+1=2。
?序号为收到的确认序号X=2。

? 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？

多个连接可以加速数据的传输，加快网页的加载

? 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？

将第二次的包和第三次的包合并成一个包

4. 应用层

4.1 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. 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
   dns迭代查询配置_DNS怎么设置、查询和应答报文详解

? 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？

浏览器会检查缓存中有没有这个域名对应的解析的IP地址，如有，则解析结束。
若没有，浏览器会查找操作系统缓存中是否有这个域名对应的DNS解析结果。
若本机无法完成域名的解析，就会真正请求域名服务器来解析这个域名了。操作系统会发送域名到LDNS（本地区的域名服务器），大约80%的域名解析到这里就已经结束，所以LDNS承担着主要的域名解析任务。
若LDNS未命中，就直接到Root Server域名服务器请求解析。
根域名服务器返回给本地域名服务器一个所查询域的主域名服务器(gTLD Server 国际顶级域名服务器)。
本地域名服务器（Local DNS Server）在向上一步返回的gTLD服务器发送请求。
接受请求的gTLD服务器查找并返回此域名对应的Name Server域名服务器的地址。
Name Server域名服务器会查询存储的域名和IP的映射关系表，在正常情况下都根据域名得到目标IP记录，连同一个TTL返回给DNS Server域名服务器。
返回该域名对应的IP和TTL值，Local DNS Server会缓存这个域名和IP的对应关系，缓存的时间由TTL值控制。
把解析的结果返回给用户，用户根据TTL值缓存在本地系统缓存中，域名解析过程结束。

4.2 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。
   
   
   
   (1)状态行由由3部分组成，分别为：协议版本，状态码，状态码描述，之间由空格分隔。状态代码为3位数字，200_{299的状态码表示成功，300}399的状态码指资源重定向，400_{499的状态码指客户端请求出错，500}599的状态码指服务端出错（HTTP/1.1向协议中引入了信息性状态码，范围为100~199）。这里列举几个常见的:
   (2)响应头部与请求头部类似，也包含了很多有用的信息。

   (3)空行，这一行非常重要，必不可少。表示响应头部结束

   (4)响应正文，服务器返回的文档，最常见的为HTML网页。
   

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？

因为304是指客户端已经执行了GET，但文件未变化。