[网络协议]计算机网络实验相关总结（验证性，wireshark，CPT）

验证性

Ipconfig

ipconfig 是微软操作系统的计算机上用来控制网络连接的一个命令行工具。它的主要用来显示当前网络连接的配置信息，它有很多的参数可用，比如使用最多的/all

在CMD窗口使用ipconfig/all会获得更加详细的信息

1.【ipconfig微软文档】
2.【ipconfig wiki】

Ping

PING （Packet Internet Groper），因特网包探索器，用于测试网络连接量的程序 。ping 是工作在 TCP/IP 网络体系结构中应用层的一个服务命令， 主要是向特定的目的主机发送 ICMP（Internet Control Message Protocol 因特网报文控制协议）Echo 请求报文，测试目的站是否可达及了解其有关状态。
使用方式：

其中字节表示一个packet包含32*8=256bits，时间表示单个包来回的时间和，TTL则是Time To Live的缩写，该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量，一定程度上可以表示当前IP到目标IP的“距离”。
使用ping/? 可以获取更多有关该指令的信息：

当ping命令无法正确执行时，即ping某一目标的<ip>可以正确通信，但ping它的域名却无法正常通信时可以考虑是否是DNS解析服务器出错或者DNS的配置出现错误导致目标IP的地址解析出现问题

Tracert (Trace Route)

TRACERT (Trace Route 的组合缩写)，也称为路由追踪，该命令行程序可用于跟踪 Internet 协议 （IP） 数据包传送到目标地址时经过的路径。
使用示例（使用tracert命令追踪baidu.com）：

1.tracert的原理是TTL机制，通过不停发送TTL递增的包，记录经过的节点
2.发送的packet会经过网关传往外界，所以追踪其他的ip地址时会出现前几个节点相同的情况

ARP（Address Resolution Protocol）

ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析协议，是用于根据给定网络层地址即 IP 地址，查找并得到其对应的数据链路层地址即 MAC地址的协议。 ARP 协议定义在 1982 年的 RFC 826。

图解ARP

arp命令使用示例（arp -a）：
使用arp -s命令可以将arp缓存类型由静态转换为动态（尝试固定网关）：

出现提示添加失败，该提示出现的原因是权限不够需要提升权限才可用
以管理员身份运行 cmd后再次执行该命令即可正常执行

此外还可以使用 arp/? 查看arp的相关帮助

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）

DHCP即动态主机配置协议，是一个用于 IP 网络的网络协议，位于 OSI 模型的应用层，使用 UDP 协议工作，主要有两个用途：

1 用于内部网或网络服务供应商自动分配 IP 地址给用户
2 用于内部网管理员对所有电脑作中央管理

简单的说，DHCP 可以让计算机自动获取/释放网络配置。
命令示例（ipconfig/release）：

也可以使用以下命令重新获取网络配置 ipconfig/renew :

网卡ip变成169.254.x.x，一种情况是是pc的网卡启动或者dhcp续租成功时，检测到环境中存在ip冲突，操作系统为保护起见分配的保留ip地址。此地址不是合法的地址，因此无法获取的网关的mac地址，无法实现上网等操作。路由器不响应这类消息的arp请求，这个地址无法通过路由器。另一种情况是dhcp功能打开，发出discover消息，没有得到应答消息，操作系统自动分配给pc网卡一个169.254.xx.xx的ip地址。

netstat

无论是使用 TCP 还是 UDP，任何一个网络服务都与特定的端口（Port Number）关联在一起。因此，每个端口都对应于某个通信协议/服务。

netstat（Network Statistics）是在内核中访问网络连接状态及其相关信息的命令行程序，可以显示路由表、实际的网络连接和网络接口设备的状态信息，以及与 IP、TCP、UDP 和 ICMP 协议相关的统计数据，一般用于检验本机各端口的网络服务运行状况。

目录C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\services可以查看对应的端口

使用 netstat -an可以查看连接：

DNS（Domain Name System）

DNS即域名系统，是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS 使用 TCP 和 UDP 的 53 号端口。

一图解析DNS原理

DNS的相关信息可以在C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts查到

解析过的 DNS 记录将会被缓存，以利于加快解析速度。可以使用 ipconfig /displaydns 命令查看：

我们也可以使用 ipconfig /flushdns 命令来清除所有的 DNS 缓存。

使用 nslookup 命令可以指定DNS服务器进行解析

cache

cache 即缓存，是 IT 领域一个重要的技术。我们此处提到的 cache 主要是浏览器缓存。

浏览器缓存是根据 HTTP 报文的缓存标识进行的，是性能优化中简单高效的一种优化方式了。一个优秀的缓存策略可以缩短网页请求资源的距离，减少延迟，并且由于缓存文件可以重复利用，还可以减少带宽，降低网络负荷。

启用cache的情况下打开网页：

关闭cache的情况下打开网页：

可以看到关闭cache的情况下加载的时间明显更长

Wireshark

Ethernet 帧结构

帧结构：
前导码：包括同步码（用来使局域网中的所有节点同步，7字节长）和帧标志（帧的起始标志7，1字节）两部分；

目的地址：接收端的MAC地址，6字节长；

源地址：发送端的MAC地址，6字节长；

类型：数据包的类型（即上层协议的类型），2字节长；

数据：被封装的数据包，46－1500字节长；

校验码：错误检验，4字节长。

Ethernet帧最小长度46字节

当PING子网外的主机时，目的mac会填写当前网关mac：

清空ARP表后，ping外网地址会解析得到网关mac：

获得网关的mac是因为数据包要抵达通信子网之外必须先通过网关，所以返回的是网关的mac。

IP包结构

(1)版本：用来表示TCP/IP是哪个版本，ipv4还是ipv6.
(2)区分服务：确定更高的传输优先级。
(3)总长度：确定数据部分长度。一共是16位，最多有2^16-1=65535字节。
(4)标识：如果出现数据包分片，那么标识用来确定哪些数据包是需要组合的。
(5)标志：确定该数据包是完整的还是分片中的一部分。占3位，只有前两位有用。
(6)片偏移：偏移等于当前字节在数据部分的第几个再除以8.
(7)生存时间：就是TTL，time to live，每过一个路由器就减1。8位二进制。防止数据包在网络中循环。
(8)协议：用协议号标识数据部分是什么数据。

因为ip包的最大长度为1500，当超过1500的ip包发送后会被路由分段重组，如图所示分段的第二个包：

TTL 事件

前面介绍tracert的原理就是TTL机制，即Time to Live机制，而tracert就是根据这样的机制，随着包的TTL的递增，从而获取路径。如图：

如果我们收到一个包的TTL为50，我们可以大概推测该点离我们有大约50跳的距离。

TCP报文结构

首部长度：一般为20字节，选项最多40字节，限制60字节。

源端口、目的端口。

序号：TCP协议面向字节流，传输文件按顺序在缓存里面分块存放，要组建数据包，一块一块的往外发，加上IP，Mac等。序号就是指这个数据包的编号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。

确认号：接收端缓存中收到数据包，然后去掉头，给发送端一个确认，我收到的数据包的最后一个字节。确认号是服务器告诉客户端该发以第几个字节为头的数据包。只要一确认，该确认的数据就会从缓存里面删掉。

数据偏移：是用来记录TCP报文段第多少个字节后，就开始是数据部分。首部最长可以60个字节。

6位标志：URG表示紧急指针是否有效，URG为1的数据包可以插队，优先发。

ACK表示确认号是否有效。PSH为1的数据包优先从接收缓存发给接收方。RST为1，表示TCP出现严重错误，要求对方重新连接。SYN表示请求建立一个连接。FIN表示通知对方本端要关闭连接。

窗口：A和B通信时，B要告诉A他的接收缓存是多少字节。A设置发送缓存的大小。两边缓存最好一样。缓存多少字节，就是窗口大小。

检验和：由发送端填充，接收端对报文段执行CRC（循环冗余校验，利用除法及余数的原理来作错误侦测）算法以检验TCP报文段在传输中是否损坏。

紧急指针：URG校验位为1才有作用，紧急指针为50，就是1-50个字节是要紧急处理的。

选项：长度可变，最长可达40字节。

UDP报文结构

伪头部 ： 只是为了提取 IP 数据报中的源IP，目的IP信息并加上协议等字段构造的数据。在实际传输中并不会发送，仅起到校验和计算使用，因此称之为伪首部。

源端口号 : 一般是客户端程序请求时,由系统自动指定,端口号范围是 0 ~ 65535,0~ 1023为知名端口号。

目的端口 ： 一般是服务器的端口，一般是由编写程序的程序员自己指定，这样客户端才能根据ip地址和 port 成功访问服务器

UDP 长度 ： 是指整个UDP数据报的长度 ， 包括 报头 + 载荷，

UDP校验和 ： 用于检查数据在传输中是否出错，是否出现bit反转的问题，
当进行校验时，需要在UDP数据报之前增加临时的 伪首部。

UDP数据。

TCP 建立和释放连接

SYN(synchronous建立联机)
ACK(acknowledgement 确认)
PSH(push传送)
FIN(finish结束)
RST(reset重置)
URG(urgent紧急)

建立过程：
第一次握手：
Client的应用进程主动打开，将标志位SYN置为1，随机产生一个seq=x，并将数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

第二次握手：
Server应用进程被动打开，Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，若同意客户端的请求，则发回确认报文，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack(number)=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：
Client收到确认报文之后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，通知上层应用进程连接已建立，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

断开连接过程：
第一次挥手：
数据传输结束以后，Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：
Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），此时本次连接就进入了半关闭状态，客户端不再向服务器发送数据。而服务器端仍会继续发送。Server进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：
若服务器已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知Server释放TCP连接，Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送。Server进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：
Client收到FIN后，Client进入TIMEWAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

DNS解析

先使用 ipconfig /flushdns 命令清除缓存，再使用 nslookup qige.io 命令进行解析：

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
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
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
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
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
zero，这3位未用，必须设置为0
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）

CPT（Cisco Packet Tracer）

用交换机构建 LAN

各PC的基本网络配置如下表：

生成树协议

只使用交换机构建拓扑结构，如图：

是初始时的状态。我们可以看到交换机之间有回路，这会造成广播帧循环传送即形成广播风暴，严重影响网络性能。

随后，交换机将自动通过生成树协议（STP）对多余的线路进行自动阻塞（Blocking），以形成一棵以 Switch8 为根（具体哪个是根交换机有相关的策略）的具有唯一路径树即生成树！

经过一段时间，随着 STP 协议成功构建了生成树后，Switch8 的两个接口当前物理上是连接的，但逻辑上是不通的，处于Blocking状态（桔色）如下图所示：

路由器配置初步

1.这显然是两个不同的子网。在不同子网间通信需通过路由器。
2.现实中，两个路由器连接是远程的。该连接通过路由器的光纤接口或者serial 口进行，一般不会通过双绞线连接。因为双绞线衰落快，最长传输距离约100米，不适合长距离传输。

0号route

以太网口0/0配置：

Router>enable   // 从普通模式进入特权模式
Router#configure terminal   // 进入全局配置模式
Router(config)#interface f0/0   // 进入配置以太网口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0   // 配置该接口的 IP
Router(config-if)#no shutdown   // 激活接口
Router(config-if)#^z   // 直接退到特权模式
Router#

广域网口0/0配置：

Router>en   // 从普通模式进入特权模式
Router#conf t   // 进入全局配置模式
Router(config)#int s0/0   // 进入配置广域网口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0   //配置该接口的 IP
Router(config-if)#clock rate 64000    // 其为 DCE 端，配置时钟频率
Router(config-if)#no shutdown   // 激活接口
Router(config-if)#^z   // 直接退到特权模式
Router#

1号router

以太网0/0配置：

Router>en   // 从普通模式进入特权模式
Router#conf t   // 进入全局配置模式
Router(config)#int f0/0   // 进入配置以太网口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0   // 配置该接口的 IP
Router(config-if)#no shutdown   // 激活接口
Router(config-if)#^z   // 直接退到特权模式
Router#

广域网0/0配置：

Router>en   // 从普通模式进入特权模式
Router#conf t   // 进入全局配置模式
Router(config)#int s0/0   // 进入配置广域网口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.2.2 255.255.255.0   //配置该接口的 IP
Router(config-if)#no shutdown   // 激活接口
Router(config-if)#^z   // 直接退到特权模式
Router#

静态路由

静态路由：静态路由是非自适应性路由协议，是由网络管理人员手动配置的，不能够根据网络拓扑的变化而改变。 因此，静态路由简单高效，适用于结构非常简单的网络。

静态 0号router

Router>en   // 从普通模式进入特权模式
Router#conf t   // 进入全局配置模式
Router(config)#ip route 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.2.2   // 告诉交通大学路由器到 192.168.3.0 这个网络的下一跳是 192.168.2.2
Router(config)#exit   //退到特权模式
Router#show ip route    //查看路由表

静态 1号router

Router>en   // 从普通模式进入特权模式
Router#conf t   // 进入全局配置模式
Router(config)#ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1   // 告诉重庆大学路由器到 192.168.1.0 这个网络的下一跳是 192.168.2.1
Router(config)#exit   //退到特权模式
Router#show ip route    //查看路由表

VLAN

VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网。通过划分VLAN，我们可以把一个物理网络划分为多个逻辑网段即多个子网。
划分 VLAN 后可以杜绝网络广播风暴，增强网络的安全性，便于进行统一管理等。

构建如图拓扑结构：

下面我们就该交换机的 24 个 100M 接口分为 3 个部分，划分到 3 个不同的 VLAN 中，id 号分别设为 10、20、30，且设置别名（computer、communication、electronic）以利于区分和管理。
配置：

Switch>en
Switch#conf t
Switch(config)#vlan 10    // 创建 id 为 10 的 VLAN（缺省的，交换机所有接口都属于VLAN 1，不能使用）
Switch(config-vlan)#name computer    // 设置 VLAN 的别名
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#int vlan 10    // 该 VLAN 为一个子网，设置其 IP，作为该子网网关
Switch(config-if)#ip address 192.168.0.1 255.255.255.0
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#vlan 20    // 创建 id 为 20 的 VLAN
Switch(config-vlan)#name communication    //设置别名
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#int vlan 20
Switch(config-if)#ip addr 192.168.1.1 255.255.255.0
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#vlan 30    // 创建 id 为 20 的 VLAN
Switch(config-vlan)#name electronic    // 设置别名
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#int vlan 30
Switch(config-if)#ip add 192.168.2.1 255.255.255.0
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#int range f0/1-8    // 成组配置接口（1-8）
Switch(config-if-range)#switchport mode access    // 设置为存取模式
Switch(config-if-range)#switchport access vlan 10    // 划归到 VLAN 10 中
Switch(config-if-range)#exit
Switch(config)#int range f0/9-16
Switch(config-if-range)#switchport mode access
Switch(config-if-range)#switchport access vlan 20
Switch(config-if-range)#exit
Switch(config)#int range f0/17-24
Switch(config-if-range)#switchport mode access
Switch(config-if-range)#switchport access vlan 30
Switch(config-if-range)#^Z
Switch#show vlan // 查看 VLAN 的划分情况

此时可以使用 ping 命令进行测试，你会发现只有在同一 VLAN 中的 PC 才能通信，且广播也局限于该 VLAN。

DHCP、DNS及Web服务器简单配置

配置拓扑图如下：

该拓扑中，服务器及客户机都连在同一交换机上。为简单起见，服务器 Server-PT 同时作为 DHCP、DNS 以及 Web 服务器，各客户机无需配置，将自动获取网络配置。
配置如下：

各pc ip配置获取如下：