Wireshark在計算機網絡原理教學中的應用研究

趙安軍+曾應員+董麗麗

摘要：在計算機網絡原理教學中，對于抽象的網絡協議的理解始終是教學的難點。本文給出了利用Wireshark協議分析工具開展計算機網絡原理網絡協議的理論教學，結合數據鏈路層、網絡層以及運輸層協議的基本原理，通過Wireshark協議分析結果，詳細討論了復雜協議與具體數據包實現的對應過程。這種理論聯系實際的教學方法在計算機網絡原理教學中起到了很好的教學效果。

關鍵詞：計算機網絡原理；Wireshark；協議分析；TCP/IP

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）39-0258-02

一、概述

計算機網絡原理教學中，網絡協議的體系結構以及支撐體系結構的相關協議是教學的重點和難點。體系結構本身就是抽象的，協議也是抽象的，導致學生對于網絡原理理解困難。各層協議數據分組首部是協議功能實現的主要依賴，通過講解協議數據分組首部的構成、各控制字段代表功能及其含義是理解網絡協議的主要手段。Wireshark（前稱Ethereal）是一個網絡數據包分析軟件，使用WinPCAP作為接口，直接與網卡進行數據報文交換。它的功能是捕獲網絡數據包，并盡可能顯示出最為詳細的網絡數據包信息。借助于Wireshark網絡數據包分析功能，結合教學中對于各協議數據分組首部的具體講解，把抽象的協議和具體的數據包聯系起來，使得學生能夠深入的理解和掌握網絡分層的概念以及協議的工作原理。

二、Wireshark在教學中的應用

Wireshark將各網絡層的數據包層層剝開，按照計算機網絡原理分層的體系結構，給出了各層數據包包括幀（數據鏈路層）、網絡層（IP數據報）、傳輸層（TCP）以及用戶數據的數據包頭格式。

圖1給出了Wireshark捕獲到當打開百度搜索引擎網站時用于和百度WEB服務器建立TCP連接數據包，三個數據幀給出了TCP連接建立的三次握手過程。結合課程講解中的數據鏈路層、網絡層以及傳輸層中的數據分組首部，利用Wireshark給出的數據包分析結果，能夠直觀、易懂的講解不同層數據分組首部的構成及其含義。

1.數據幀首部分析。以太網數據幀格式，不考慮前同步碼和幀定界，包括目的MAC地址、源MAC地址、數據類型以及幀校驗序列。

圖1的Wireshark的數據包分析中，給出了目的主機和源主機網卡的廠商及MAC地址，根據數據幀中類型字段值（0X0800），給出了數據幀中攜帶的數據類型為IPv4數據。Wireshark數據鏈路層以太網協議分析沒有給出前同步碼和幀校驗序列（FCS），這是因為網卡在物理層處理時，要去掉前導碼和幀定界符，然后通過FCS校驗數據幀的正確性，如果校驗出錯，丟棄此幀，校驗正確，就將幀交網卡驅動程序做進一步處理。因此，在Wireshark的數據鏈路層分析中，看不到前同步碼和幀定界符。

2.IP數據包首部分析。IPv4下的IP數據報首部固定部分的格式，包括IPv4版本，IP數據報首部長度，區分服務，總長度，數據報標識、標志以及片偏移，生存時間，上層協議，首部檢驗和，源、目的IP地址。

在圖1的Wireshark給出的IP數據報分析中，給出了首部各字段及其相關的值具體的展示。IP的版本對應的值是4，首部的長度是20bytes，區分服務為0X00的默認值，IP數據報總長度為40字節，數據報的標識是0X0940，標志給出此數據報不允許分片，因此片偏移為0，生存時間為64，表明數據報被丟棄前最多能進過64太路由器，協議類型為6，代表數據報包含的數據為TCP數據，首部校驗和為0X21c4，所顯示的未驗證是因為操作系統設置不進行校驗，可以通過選項來修改，最后是源IP地址192.168.1.122和目的地址220.181.112.244。

3.TCP報文段首部分析。TCP報文段的首部格式包括用來完成進程通信的源端口和目的端口；發送方發送TCP報文段的第一個字節的序號；本端想要接收對端報文段的第一個字節序號的確認號；相當于報文段首部的數據偏移；用來控制TCP連接的URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN六個標志位；本端告知對端的接收窗口；檢驗和與緊急指針。

圖2的Wireshark給出的打開百度主頁的TCP報文段分析中，三個數據幀分別代表了TCP建立連接時的三次握手過程。以第一個數據幀為例，瀏覽器端的源端口是2342，百度Web服務端的端口是443；流索引和TCP段長度是Wireshark給出的內容；序列號是0，實際上當某個主機開啟一個TCP會話時，初始序列號是隨機的，可能是0和4，294，967，295之間的任意值，但Wireshark顯示的都是相對序列號/確認號，而不是實際序列號/確認號，相對序列號/確認號是和TCP會話的初始序列號相關聯的，因為比起真實序列號/確認號，跟蹤更小的相對序列號/確認號會相對容易一些。比如，在“第一個數據幀”中，最初的相對序列號的值是0，但是實際的ASCII碼顯示真實序列號的值是0x54729cd9，轉化為10進制為1423088857；確認號也是相對確認號，值為0；標志位為0X002代表該報文段是第一個TCP連接建立的握手過程；窗口大小為8192；檢驗和為0Xd1dd；緊急指針為0。

三、總結

計算機網絡原理各層協議及分組首部在課程講解中較為抽象，通過引入Wireshark協議分析工具，能夠直觀、具體地將網絡各層分組的首部及其攜帶的數據展示出來，在教學過程中，教師通過實時的捕獲網絡數據，可以將TCP/IP各層數據的封裝、解封過程進行更加具體、詳細講解。無論是對于教師的教學支持，還是對于學生網絡原理的理解，都有很大的幫助作用。

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