计算机网络 课程基础实验三
应用层和传输层协议分析（PacketTracer）
计科210X 甘晴void 202108010XXX
【给助教的验收建议】
如果是助教，比起听同学读报告，更好的验收方式是随机抽取一个场景（URL/HTTPS/FTP），直接让同学现场做并讲解原理，并对流程中的一些操作或参数直接提问。
文章目录
- [计算机网络 课程基础实验三<br>应用层和传输层协议分析（PacketTracer）](#计算机网络 课程基础实验三
应用层和传输层协议分析（PacketTracer）) -
- 一、实验目的
- 二、实验内容
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- 初识PacketTracer
- [【任务 1】从 PC 使用 URL 捕获 Web 请求](#【任务 1】从 PC 使用 URL 捕获 Web 请求)
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- ①模拟构建终端与连线并进行设置
- [②步骤 2. 研究捕获的通信。](#②步骤 2. 研究捕获的通信。)
- [【任务 2】从 PC 访问服务器的HTTPS服务，捕获数据包并分析](#【任务 2】从 PC 访问服务器的HTTPS服务，捕获数据包并分析)
- [【任务3】从 PC 访问服务器的FTP服务，捕获数据包并分析](#【任务3】从 PC 访问服务器的FTP服务，捕获数据包并分析)
- 三、实验感悟
一、实验目的
通过本实验，熟悉PacketTracer的使用，学习在PacketTracer中仿真分析应用层和传输层协议，进一步加深对协议工作过程的理解。
二、实验内容
研究应用层和传输层协议
从 PC 使用 URL 捕获 Web 请求，运行模拟并捕获通信，研究捕获的通信。
Wireshark 可以捕获和显示通过网络接口进出其所在 PC 的所有网络通信。Packet Tracer 的模拟模式可以捕获流经整个网络的所有网络通信，但支持的协议数量有限。我们将使用一台 PC 直接连接到 Web 服务器网络，并捕获使用 URL 的网页请求。
初识PacketTracer
PacketTracer是一款模拟仿真网络设备以及它们联系的工具，并且它还能允许你抓包查看数据包的流动以及协议的具体工作方式。这是一个非常有用的工具，很值得掌握。
简单入门PacketTracer：
简单来说，在左边的画板上你可以按照自己的想法随意搭建网络（包括设备和连线），组建在左下角，自己稍微探索一下就可以掌握。
对于每一个你放入的网络组件，单机它就可以打开它，你此时就相当于在这个网络组件上操作。例如，打开一个PC时你就相当于现在在PC上操作，可以设置这个PC的IP地址，DNS服务器，网关，子网掩码等，也可以使用这个PC的命令行和浏览器。再如，打开一个服务器时你就相当于现在是服务器管理员，可以配置服务器的ip地址，配置服务器的服务（DNS，HTTP，FTP，DHCP）等。
这很灵活，相当于模拟了一整个网络的运行，挺好玩的。
如果仔细探索，你会爱上这款工具的。
【任务 1】从 PC 使用 URL 捕获 Web 请求
①模拟构建终端与连线并进行设置
在最左下角可以找到相应的组建，红色的闪电符号为wire（连线）
新建一个PacketTracer文件，在"终端 "中选择一台电脑和一个服务器，使用交叉线连接（工具栏里面的黑色虚线），实验拓扑图如下，连线选择FastEthernet而不是RS232出现绿点，说明连接成功。
对PC机进行IP配置（ 双击PC0图标，上栏中选择Desktop，选择IP Configuration打开）
配置为静态IP192.168.1.1，并将DNS服务器IP地址配置为192.168.1.2。
对服务器进行IP配置（ 双击Server0图标，上栏中选择Desktop，选择IP Configuration打开）
将IP配置为192.168.1.2，
并打开DNS服务，添加一个域名解析：
另外需要确保DHCP处于关闭状态
【DHCP】
动态主机配置协议是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码。
这里我们是自己指定IP的，故不需要使用DHCP获得IP，将它控制在关闭状态。
②模拟运行
服务器的HTTP服务是默认打开的。PC机的DNS服务器设置为了192.168.1.2，当PC机对设置了域名解析的www.wolfvoid.com进行访问时，首先会发送DNS请求报文给该服务器，由该服务器进行DNS解析并返回IP地址192.168.1.2，然后PC机再向服务器发起HTTP请求。
切换到仿真模式，在PC机的浏览器中访问该域名，在事件窗口可以看到两个数据包。
让其运行全过程，在EventList中可以看到具体的数据包过程。
在上述数据包传递(获取部分之后就可以)，可以发现PC0端的浏览器成功访问了该网址。
②步骤 2. 研究捕获的通信。
名词解释：
- PDU（Protocol Data Unit），协议数据单元是指对等层次之间传递的数据单位。 协议数据单元(Protocol Data Unit )物理层的 PDU是数据位（bit），数据链路层的 PDU是数据帧（frame），网络层的PDU是数据包（packet），传输层的 PDU是数据段（segment），其他更高层次的PDU是报文（message）。
- **OSI，开放系统互联（Open System Interconnection）**该模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI模型把网络通信的工作分为7层，自底向上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
在 Event List中点开数据包，然后单击 Info列中的彩色正方形，会打开 PDU Information（PDU 信息）窗口。此窗口将按 OSI 模型组织。
例如，在我们查看的第一个数据包中，注意 DNS 查询（第 7 层）封装在第 4 层的 UDP 数据段中，等等。如果单击这些层，将会显示设备（本例中为 PC）使用的算法。查看每一层发生的事件。
查看第一个DNS数据包的PDU信息，可以在应用层看到这是一个DNS请求，在PDU详情中可以看到DNS请求的具体域名为www.wolfvoid.com
在这个对Web的访问请求中，数据包的协议类型有DNS，ARP，TCP，HTTP。可以查看每个数据包的PDU信息，PDU信息按照OSI参考模型组织，可以看到每一层的事件，也可以查看PDU的详细信息，在详细信息中，数据按照不同层次的协议组织。
我们也可以看看别的协议的OSI模型封装情况。
比如这是 ARP协议的PDU
比如这是HTTP协议的情况。HTTP协议是应用层协议，在第7层上。
接下来我们可以结合所学知识研究一下全过程：
其中，显示没有上一个设备的数据包是在设备端产生但未发送到的。其中HTTP请求是非持续连接，只发送了一个文件。还可以注意到断开连接时，服务器的FIN-ACK和FIN报文段合并了，因此只通过三个数据包就断开了连接。
【任务 2】从 PC 访问服务器的HTTPS服务，捕获数据包并分析
★★★请注意，任务2和任务3需要使用提供的文件完成，使用自己的文件是无法完成的（因为有些页面的组件我们自己建的文件里是没有的）。★★★
打开提供的文件，模型已经为我们构建好了，具体的要求也提好了。照做即可。
（1）使用HTTP协议访问Web页面
使用与任务一相同的方式，访问http://10.1.1.3
下面是访问的事件列表。
访问过程中，先出现两段文字，再先后出现两张图片的缩略图。这说明是在请求后获取这些网页的组件。
下面我们主要关注有效的HTTP报文（有效是指有源有目的端）
①获取索引页
首先关注到开始，客户端使用Get方法，试图从服务端获得资源。这里是第一个HTTP请求，推测这里想要获取的应该是那两段文字和这JPG和GIF图片的地址，因为下面马上就要尝试获取这两个了。
②分别获取两个较大的资源
使用Get方法尝试向服务器获取logo.gif
服务器返回无法找到该资源（提供文件的时候估计只给了链接，没给真正的资源）
使用Get方法尝试向服务器获取image.jpg
服务器同样没有找到。
总结这个过程，红框框出部分为HTTP协议的部分。
（右下角的时间远离足够远，此时传输已经结束很久了，保证不会遗漏）
（2）使用HTTPS协议访问Web页面
使用相同的方式，访问https://10.1.1.3
由于只是访问的方式不同而已，访问的资源是同一个，所以访问的结果是一样的。
这次发现有效的HTTPS协议只有一次，而之前的HTTPS协议有三次。
我们可以查看这次通信的内容如下：
（因为只有一次，所以直接查看来回）
我们发现无法查看https协议的内容。这样的原因是，http是超文本传输协议，信息通过明文传输，https则是具有安全性的ssl加密传输协议。因此总体来说，https更加安全。
对于Https，Packet Tracer并不实际加密和解密数据。数据包内容只是隐藏在PDU信息上，（可以理解，只是一个模拟器，让用户看知道不出来就可以了，没有必要真的去加密）
【任务3】从 PC 访问服务器的FTP服务，捕获数据包并分析
★★★请注意，任务2和任务3需要使用提供的文件完成，使用自己的文件是无法完成的（因为有些页面的组件我们自己建的文件里是没有的）。★★★
打开提供的文件，模型已经为我们构建好了，具体的要求也提好了。照做即可。
这是一个简单的FTP模型，有两个终端PC，一个交换机和一个路由器，最后连接到服务器上。
其中服务器提供FTP服务，支持文件的命名，删除，读写等操作；PC运行FTP客户端，访问服务器提供的FTP服务。
（0）使用命令行登录ftp
- 从PC0的Command Prompt输入"ftp www.ftpserver.com"连接服务器。
- 输入用户名：cisco，密码：cisco，进入FTP prompt界面。
使用命令行在PC0客户端登录ftp服务器，出现以下界面表示成功登录。
（1）测试写操作
使用put sampleFile.txt将文件上传到服务器。
此时打开服务端的ftp服务可以发现该文加已经被写入
分析数据包：
输入"FTP wwwftpserver.com"之后，服务器会提示需要输入用户名，此时会返回一个欢迎用户的信息，如图，是四个连续的FTP，路径为：Server------Router------Switch------PC。所以之后看到的信息或者命令的传递都会有3条，依次是从PC到Router到Switch再到PC，或者是返回来的路径。
此时点开这些数据包，发现都是同一条信息，即服务端向客户端发送的欢迎信息。
之后的写与读操作，都需要连接。
在这种情况下，服务器发送的响应表明数据连接已经建立，客户端可以开始在该连接上发送或接收数据。这通常是在进行文件传输时显示的消息。
这表示文件开始传输了。
（2）测试读操作
使用命令get sampleFile.txt可从服务端读取文件
截取到的由PC0向服务端传递请求读的申请。
（3）获取文件列表
使用dir可以从服务器读取所有文件列表，包括刚刚上传的sampleFilesampleFile.txt。
（4）重命名
使用rename，将sampleFile.txt文件重命名为：1.txt。
此时，再使用dir查看文件目录，可以发现文件名已经被更改。
（5）删除
使用delete，将刚刚的文件删除。
再次使用dir查看，发现该文件已经被删除。
（6）退出
使用quit退出。
数据包分析：
可以发现PC0很快地将这个退出指令向服务端Server传递。
然后服务端Server回传信息，表示同意断开。
延申：STP是什么？
我们发现在FTP中有一个STP在空闲的时候或者不空闲的时候一直在广播。即使在PC0明确表示退出连接之后。那么STP是什么？
为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
STP的作用
- Stp通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份目的
- 消除了广播风暴
- 物理链路冗余，网络变成了层次化结构的网络
STP操作
- 选举一个根桥
- 每个非根交换机选举一个根端口
- 每个网段选举一个指定端口
- 阻塞非根，非指定端口
三、实验感悟
总结来说，这次实验让我初步认识PacketTracer这个工具的使用，并且能够使用这个工具自己搭建小型的客户端-服务器模型并进行访问，同时能够使用仿真功能进行抓包并研究数据包的结构与内容。
在一步一步地学习过程中，我发现PacketTracer这个工具不仅仅是一个学生学习用的工具，在实际应用中，企业也会使用或是使用类似的工具，在正式网络上线运营之前先做一个模拟仿真，这能很好地降低试错成本。所以这个工具是有很大的实际意义的。
另外，在使用PacketTracer进行复现DNS,HTTP,HTTPS,FTP等协议的过程，我对于这些协议以及它们是如何工作的，有了更为深入的了解，感觉更加具象化了。而且我还可以对网络做出改变再看看它的变化，比书上无法改变的那种案例要好得多。
感觉PacketTracer真的是一个很好的学习工具。