计算机网络——Wireshark软件使用与协议分析(ARP协议、IP与ICMP分析)

简介: Wireshark软件使用与协议分析ARP协议分析使用 Wireshark 抓取局域网的数据包并进行分析:1. 学习 Wireshark 基本操作:重点掌握捕获过滤器和显示过滤器。2. 观察 MAC 地址:了解 MAC 地址的组成,辨识 MAC 地址类型。3. 分析以太网帧结构:观察以太网帧的首部和尾部,了解数据封装成帧的原理。4. 分析 ARP 协议:抓取 ARP 请求和应答报文,分析其工作过程。IP与ICMP分析启动 Wireshark,捕捉网络命令执行过程中本机接受和发送的数据报。

 实验4   Wireshark软件使用与协议分析

4.1-----ARP协议分析

一、实验目的

学习 Wireshark 的基本操作,抓取和分析有线局域网的数据包;掌握以太网 MAC帧的基本结构,掌握 ARP 协议的特点及工作过程。

二、实验内容

使用 Wireshark 抓取局域网的数据包并进行分析:

1. 学习 Wireshark 基本操作:重点掌握捕获过滤器和显示过滤器。

2. 观察 MAC 地址:了解 MAC 地址的组成,辨识 MAC 地址类型。

3. 分析以太网帧结构:观察以太网帧的首部和尾部,了解数据封装成帧的原理。

4. 分析 ARP 协议:抓取 ARP 请求和应答报文,分析其工作过程。

三、实验原理

3.1 IP 协议及数据报格式

3.1 Wireshark 简介

Wireshark 软件是目前全球使用最广泛的开源网络数据包分析工具(前身为 Ethe-real),由 Gerald Combs 编写并于 1988 年获开源许可发布。网络数据包分析是指进入网络通信系统、捕获和解码网络上实时传输数据以及搜集统计信息的过程。通过Wireshark对网络数据进行分析,我们能够了解网络是如何运行的、数据包是如何被转发的、应用是如何被访问的;能够分析各层网络协议的性能、掌握通信主体的运行情况,确认带宽分配和时延大小、查看应用的快慢并改进优化,识别网络中存在的攻击或恶意行为、解决网络异常和故障。Wireshark 可以在 Windows、Linux 和 macOS 操作系统中运行,具备友好的图形界面、丰富的统计及图表分析功能。

3.2 以太网 MAC 帧格式

本实验基于使用最广泛的有线局域网(以太网 Ethernet II),以太网的帧结构如表1.1–1所示。其中,MAC 地址(Media Access Control Address,媒体存取控制位址)或称物理地址(Physical Address),用于在网络中标识网卡。MAC 地址的长度为 48 位 (6个字节),通常表示为 12 个 16 进制数,如:00-16-EA-AE-3C-40。其中前 3 个字节的 16进制数 00-16-EA 代表网络硬件制造商的编号、即组织唯一标志符 (OUI),它由 IEEE 分配;而后 3 个字节的 16 进制数 AE-3C-40 代表该制造商所生产的某个网络产品 (如网卡)的系列号。

3.3 ARP 协议及数据报格式

地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP),主要作用是将 IP 地址解析为MAC 地址。当某主机或网络设备要发送数据给目标主机时,必须知道对方的网络层地址(即 IP 地址),而且在数据链路层封装成帧时,还必须有目标主机(或下一跳路由器)的 MAC 地址。本实验重点观察最简单的情形:同一个网段内,主机 A 要向主机 B 发送信息时,ARP 解析的过程(主机 A 和 B 不在同一网段的情况请参阅课本相关内容)。具体如下:

1. 主机 A 首先查看自己的 ARP 表。如果找到了主机 B 的 MAC 地址,则利用这个地址对 IP 数据报进行帧封装,并将数据报发送给主机 B。

2. 如果主机 A 在 ARP 表中找不到主机 B 的 MAC 地址,则以广播方式发送一个ARP 请求报文。ARP 请求报文中的发送端 IP 地址和发送端 MAC 地址为主机 A的 IP 地址和 MAC 地址,目标 IP 地址和目标 MAC 地址为主机 B 的 IP 地址和全0 的 MAC 地址。由于 ARP 请求报文以广播方式发送,该网段上的所有主机都可以接收到该请求,但只有被请求的主机 B 会对该请求进行处理。

3. 主机 B 比较自己的 IP 地址和 ARP 请求报文中的目标 IP 地址,当两者相同时进行如下处理:将 ARP 请求报文中的发送端(即主机 A)的 IP 地址和 MAC 地址存入自己的 ARP 表中。然后以单播方式发送 ARP 响应报文给主机 A,其中包含了自己的 MAC 地址。

4. 主机 A 收到 ARP 响应报文后,将主机 B 的 MAC 地址加入到自己的 ARP 表中以用于后续报文的转发,同时将 IP 数据报进行封装后发送出去。ARP 报文结构如图1.1–1所示,ARP 报文总长度为 28 字节,MAC 地址长度为 6 字节,IP 地址长度为 4 字节。每个字段的含义如下:

• 硬件类型:指明了发送方想知道的硬件接口类型,以太网的值为 1。

• 协议类型:表示要映射的协议地址类型。IP 地址的类型值为 0x0800。

• 硬件地址长度和协议地址长度:分别指出硬件地址和协议地址的长度,以字节为

单位。在以太网中,它们的值分别为 6 和 4。

• 操作码(op):用来表示这个报文的类型,ARP 请求为 1,ARP 响应为 2,RARP

请求为 3,RARP 响应为 4。

3.4 实验方法及手段

使用 Wireshark 软件在有线局域网中捕捉相关网络操作的数据包,运用观察对比、计算验证、分析统计等方法,掌握以太网 MAC 帧和 IP 数据报的结构以及 ARP 协议的工作原理。

四、实验条件

• PC 机一台,连入局域网;

• Wireshark 软件,建议 3.0 以上版本。

五、实验步骤

5.1 WireShark 基本使用

1. 通过 Wireshark 官网下载最新版软件,按默认选项安装。

2. 运行 Wireshark 软件,程序界面会显示当前的网络接口列表,双击要观察的网络接口,开始捕捉数据包,Wireshark 软件选择网络接口的界面如图1.1–2所示。

3. 点击工具栏上的红色方块按钮停止捕捉。

4. 菜单、工具栏、状态栏和主窗口如图1.1–3所示,可以根据需要通过菜单“视图”以及“编辑/首选项/外观”的相关选项对基本设置进行更改。例如图1.1–4中的语言、字体缩放、颜色、布局等项目。

5. 使用“显示过滤器”可以方便地从捕获的数据包中筛选出要观察的数据包。显示过滤器支持若干的过滤选项:源 MAC、目的 MAC、源 IP、目的 IP、TCP/UDP传输协议、应用层协议(HTTP, DHCP)、源端口 Port、目的端口 Port 等。在显示过滤器栏中输入过滤表达式(更详细的显示过滤语法可以查看 WireShark 的官方文档 1 )

6. 通过主菜单“文件”/“导出特定分组”(如图1.1–6),可以保存捕获的网络数据(也可以先选中某些包,只保存部分数据)。

7. 如果只想捕捉特定的数据包,可以使用菜单“捕获”/“捕获过滤器”选定想要的类型(如图1.1–7)。例如,选择“IPv4 only”,Wireshark 只抓取 ipv4 类型的数据包。Wireshark 过滤器官方文档提供了更加全面详细的语法和常用示例 2。

8. Wireshark 还提供了丰富的统计功能供用户选用,如图1.1–8。更多文档可以查询Wireshark 使用帮助 3。

5.2 观察 MAC 地址

启动 Wireshark 捕捉数据包,在命令行窗口分别 ping 网关和 ping 同网段的一台主机,分析本机发出的数据包。重点观察以太网帧的 Destination 和 Source 的 MAC 地址,辨识 MAC 地址类型,解读 OUI 信息、I/G 和 G/L 位。

5.3 分析以太网的帧结构

选择其中一个数据包,点击 Ethernet II 展开(图1.1–9),查看 MAC 帧的各个字段。

5.4 ARP 协议分析

1. 使用 ??? –? 命令(其语法见图1.1–10),清空本机的 ARP 缓存,开启 Wireshark,ping 本机的同网段地址,在显示过滤器条框中输入“???”,观察捕获的 ARP 报文的各个字段,分析请求/响应的过程。

2. 使用 ??? –? 命令,清空本机的 ARP 缓存。开启 Wireshark,ping 与本机网段不同的 IP 地址或域名,观察捕获的 ARP 报文的各个字段,分析请求/响应的过程。

六、实验心得与体会

思考题

1. 使用了显示过滤器后,Wireshark 的抓包工作量会减少吗?

2. MAC 帧的长度和 IP 数据报的长度有怎样的关系?请用你的数据记录进行验证。

3. ping 同一局域网内的主机和局域网外的主机,都会产生 ARP 报文么?。所产生的ARP 报文有何不同,为什么?

4.2-----IP与ICMP分析

一、实验目的

IP 和 ICMP 协议是 TCP/IP 协议簇中的网络层协议,在网络寻址定位、数据分组转发和路由选择等任务中发挥了重要作用。本实验要求熟练使用 Wireshark 软件,观察 IP数据报的基本结构,分析数据报的分片;掌握基于 ICMP 协议的 ping 和 traceroute 命令及其工作原理。

二、实验内容

启动 Wireshark,捕捉网络命令执行过程中本机接受和发送的数据报。

1. 执行 ping 命令,观察 IP 数据报和 ICMP 询问报文的结构:通过 Wireshark 监视器观察捕获流量中的 ICMP 询问报文和 IP 数据报的结构。注意比较 ICMP 请求帧与回应帧,及其 IP 头部数据字段的异同。

2. 改变 ping 命令的参数,观察 IP 数据报分片:更改 ping 命令参数 MTU,使其发出长报文以触发 IP 数据报分片,再观察 IP 数据报的结构变化。

3. 执行 Traceroute 命令,观察 ICMP 差错报文的结构,并分析其工作原理:使用Linux 操作系统提供的 traceroute 命令(或者 Windows 系统提供的 tracert 命令),捕获和分析该命令所产生的 IP 数据报,特别注意相关的 ICMP 差错报文。结合捕获的具体数据,画出命令执行过程中数据交互的示意图,掌握 traceroute 的工作原理。

三、实验原理

3.1 IP 协议及数据报格式

网际互连协议(Internet Protocol,IP),是 TCP/IP 体系中的网络层协议,可实现大规模的异构网络互联互通,为主机提供无连接的、尽力而为的数据包传输服务。在网际协议第 4 版(IPv4)中,IP 数据报是一个可变长分组,包括首部和数据两部分 (如图1.2–1)。首部由 20~60 字节组成,包含与路由选择和传输有关的重要信息。其各字段意义如下:

1. 版本(4 位):该字段定义 IP 协议版本,所有字段都要按照此版本的协议来解释。

2. 首部长度(4 位):该字段定义数据报协议头长度,表示协议首部具有 32 位字长

的数量,最小值为 5,最大值为 15。

3. 服务(8 位):该字段定义上层协议对处理当前数据报所期望的服务质量,并对

数据报按照重要性级别进行分配。前 3 位为优先位,后面 4 位为服务类型,最后1 位没有定义。这 8 位可用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性。

4. 总长度(16 位):该字段定义整个 IP 数据报的字节长度,包括协议首部和数据,其最大值为 65535 字节。

5. 标识(16 位):该字段包含一个整数,用于标识当前数据报。当数据报分片时,标识字段的值被复制到所有的分片中。

6. 标记(3 位):该字段由 3 位字段构成,其中最低位(MF)控制分片:若存在下一个分片则值为 1;否则置 0 代表该分片是最后一个。中间位(DF)指出数据报是否可进行分片,若置 1 则不允许该数据报进行分片。第三位即最高位保留不使用,值为 0。

7. 分片偏移(13 位):该字段指出数据分片在源数据报中的相对位置,以 8 字节为长度单位。

8. 生存时间(8 位):该字段是计数器,转发该数据报的路由器依次减 1 直至减少为 0。

9. 协议(8 位):该字段指出在 IP 层处理后,由哪种上层协议接收该数据报。

10. 头部校验和(16 位):该字段帮助确保 IP 协议头的正确性。计算过程是先将校验和字段置为 0,然后将整个头部每 16 位划分为一部分,并将各部分相加,其计算结果取反码,填入校验和字段中。第一单元 网络抓包与协议分析

11. 源地址(32 位):源主机的 IP 地址。

12. 目的地址(32 位):目标主机的 IP 地址。一个 IP 包从源主机传输到目标主机可能需要经过多个传输媒介不同的网络。每种网络对数据帧都设置了一个最大传输单元 (MTU) 的限制(例如以太网的 MTU 是 1500字节)。因此,当路由器在转发 IP 包时,如果数据包的大小超过了出口链路网络的 MTU时,需将对该 IP 数据报进行分片,才能在目标链路上顺利传输。每个 IP 分片将独立传输,直到所有分片都到达目的地后,目标主机才会把他们重组成一个完整的 IP 数据报。在 IP 数据报的分片与重组过程中,以下三个首部字段发挥了重要作用:

1. 标记的后两位:最低位记为 MF(More Fragment),MF = 1 代表还有后续分片,MF = 0 表示此为原始数据报的最后分片。次低位 DF(Don’t Fragment),用来控制数据报是否允许分片。DF = 1 表示该数据报不允许分片;DF = 0 允许分片。

2. 标识符:用于目的主机将 IP 数据报的各个分片重装成原来的数据报。

3. 片偏移:以 8 字节为单位,目的主机在重装 IP 数据报时需要根据该字段提供偏移量进行排序。这是因为数据分片的独立传输使各分片的到达顺序难以确定。

3.2 ICMP 协议及报文格式

因特网控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP),用于 IP 主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络是否连通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的控制管理消息,对网络正常运行起着重要的作用。ICMP报文的类型可以分为ICMP差错报文和ICMP询问报文两种(其结构如图1.2–2)。ICMP 差错报告报文主要有终点不可达、源站抑制、超时、参数问题和路由重定向5 种。ICMP 询问报文有回送请求和应答、时间戳请求和应答、地址掩码请求和应答以及路由器询问和通告 4 种。其常见的类型与代码如表1.2–1所示。

四、实验条件

装有 Wireshark 软件的 PC 机一台,处于局域网环境。

参考资料:

• J.F Kurose and K.W. Ross, Wireshark Lab: ICMP v8.0

• Wireshark 官方过滤器语法指导书

• IP 协议的 RFC

五、实验步骤

5.1 ping 命令

本机(示例 IP 为 192.168.1.251)启动 Wireshark 软件,选择要监听的网络接口(如eth0、wlan0);然后在终端发起网络命令:ping IP 地址/域名。

1. 在 Wireshark 监视器中设置过滤条件。例如图1.2–3设置过滤条件为 icmp,则显示出所捕获的 ICMP 数据包。

2. 点击 Internet Protocol Version 4 展开(如图1.2–4),查看 IP 数据报,特别观察 IP数据报的首部字段及其内容。

3. 点击 Internet Control Message Protocol 展开(如图1.2–5),查看 ICMP 报文,并解释回显(Echo Request 和 Echo Reply)报文的首部字段。

4. 清空 Wireshark 监控器,重新发起网络命令(如图1.2–6):ping IP 地址/域名–l#length,并解释对比前后两次执行 ping 命令的结果。其中,-l #length 确定 echo数据报的长度为 #length,其默认值为 32 字节,且小于 65,527 字节。

5. 可以多次改变 #length 的大小(例如 1000 字节、2000 字节和 4000 字节),观察IP 数据报何时会分片?请解释 IP 数据报分片的原因和具体情况。提示:请先确认该网络的 MTU,可在 Wireshark 记录中查找“IPv4 fragments”项目。

5.2 traceroute 命令本机(示例 IP 为 192.168.1.251)启动 Wireshark 软件,选择要监听的网络接口(如eth0、wlan0);然后在终端发起网络命令:traceroute IP 地址/域名。

1. 启动 Wireshark 软件,选择要监听的网络接口,设置过滤条件 icmp(如图1.2–7)。

2. 在终端中使用 traceroute 命令,目的主机是外网的一台设备(如图1.2–8,示例 IP为 210.34.0.1)。

3. 点击 Internet Control Message Protocol 展开,查看 ICMP 差错报文,观察并解释ICMP 报文结构和字段内容。

4. 结合 ICMP 报文记录画出数据交互示意图,并描述 tracert 工作原理。

六、实验心得与体会

使用Ping命令,去ping一个不存在的主机IP,如10.104.125.344。使用wireshark 捕获数据包,并进行分析。

命令:ping 10.104.125.344

cmd窗口显示ping请求找不到主机,wireshark抓不到ICMP包

2、观察ICMP超时消息。

使用Ping命令,输入ping www.baidu.com–i 2 把TTL设成一个很小的数字,去ping一个比较远的服务器。

命令:ping www.baidu.com -i 2

cmd窗口显示TTL传输中过期,抓包软件的包显示:70Time-to-live Type值为11,Code值为0 表示传输期间生存时间为0

3、使用Ping 命令,正常ping一个能通的地址,比如ping www.baidu.com 打开wireshark,截取数据包。

命令:ping www.baidu.com

抓包软件中看到一个request请求包和一个reply回应包,一个TTL为128,一个为55

4、使用ping命令查看参数

5、使用Tracert命令跟踪一个地址,并进行抓包分析

选取一个地址来tracert跟踪,并抓包分析。

命令:tracert www.baidu.com

请求超时表示跳到了防火墙,该路由接口禁用了对tracert数据包的响应

image.gif编辑

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IP包字段名称

含义

Version

4

版本为4,IPV4

Differentiated Services

0x00(DSCP:Default;ECN:0x00

:Not-ECT)

区分服务领域

Header Length

20

头部长度,指向数据开始的位置,这个域的最小合法值是5

Identification

0xd6bf(54975)

标识符

Flags

0x00

标记字段,第1位不能使用,第2位是DF位,当DF为1 时,表示路由器不允许分段处理,为0 时,表示允许分段处理。 第3 位是MF位,当MF为1时表示不是最后一个分段,为0时表示是最后一个分段。

Fragment offset

0

分段偏移,表示是首段的偏移,以8个字节为偏移单位

Time to live

50

生存期

Header checksum

0xa47a

头部校验和,确保数据的正确性

Total Length

89

总长

Protocol

ICPM(1)

协议,指定了数据包中的数据类型

Destination

10.97.150.160

目的地址

Source

139.196224.164

源地址

MTU即允许发送不需要分段的最大IP单包字节数。Data-length=MTU-IP头-iCMP头

使用ping IP地址/域名–l#length,命令,当length+IP头+ICMP头<=MTU时,包不会被分片否则会被分片发送

image.gif编辑

从上图可以看出,所抓的包大小都是3005字节

image.gif编辑

从该界面可以很清楚看到,和前面捕获到的数据包不同。在该界面的Protocol列,显示了IPv4协议的包。这是因为发送数据包过大,所有是经过了分片后发送。

上图中:

1480=1514-14-20(以太网侦大小-数据链路层头部-IP头部)53=88-14-20-1(帧尾)

心得:

该实验通过Wireshark软件使用进行ARP和IP与ICMP协议分析。通过本次实验对与网络层的协议有了进一步的学习,进行抓包以及分析,使得更理解网络中的各个协议。本次实验,收获颇多,对今后的学习有了较大的帮助。

注:实验结果可能有误,也可能顺序错误,本篇博客只能给你部分帮助,请谅解,谢谢。

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