IP协议分析实验报告

IP协议分析实验报告一、实验目的本实验旨在深入了解IP协议的工作原理、数据格式以及运行机制。通过实际的抓包分析，掌握如何使用网络分析工具捕获IP数据包，解读数据包中的各个字段信息，分析IP协议在网络通信中的作用和行为。具体目标包括：1.熟悉IP数据包的结构，能够准确识别和理解包头中的各个字段含义。2.掌握利用抓包工具获取网络中IP数据包的方法，并进行有效的数据过滤和筛选。3.通过分析数据包，了解IP协议的寻址、路由、分片与重组等功能的实现过程。4.探究不同网络环境下IP数据包的传输特点和规律，加深对IP协议的理解和应用能力。二、实验环境1.硬件环境一台安装有网络接口卡的计算机，与校园网或其他局域网相连。2.软件环境操作系统：Windows10（以该系统为例，其他操作系统类似）。网络分析工具：Wireshark（一款功能强大的网络数据包分析软件）。三、实验原理1.IP协议概述IP（InternetProtocol）是TCP/IP协议族中的核心协议之一，主要负责在不同网络之间传输数据包。它提供了无连接、不可靠的数据报服务，将上层传来的数据封装成IP数据包，并通过网络进行传输。2.IP数据包结构IP数据包由包头和数据两部分组成。包头长度一般为20字节（基本包头），包含了源IP地址、目的IP地址、版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间、协议、首部校验和等字段。其中，源IP地址和目的IP地址用于标识数据包的发送方和接收方；版本字段表示IP协议的版本号（如IPv4或IPv6）；首部长度指示包头的长度，以4字节为单位；服务类型字段用于指定数据包的优先级和传输特性；总长度是数据包的全长，包括包头和数据；标识、标志和片偏移字段用于数据包的分片与重组；生存时间字段限制数据包在网络中的生存时间，防止数据包在网络中无限循环；协议字段指明上层协议的类型（如TCP、UDP等）；首部校验和用于验证包头的完整性。3.IP协议工作流程源主机将上层数据封装成IP数据包，填充包头中的各个字段，如源IP地址、目的IP地址等。根据目的IP地址，通过路由表查找最佳路径，确定下一跳路由器的IP地址。将数据包发送到下一跳路由器，路由器接收到数据包后，重复上述路由查找和转发过程，直到数据包到达目的主机。如果数据包在传输过程中遇到网络拥塞或其他问题，可能会进行分片处理，将大的数据包分成多个较小的数据包进行传输，目的主机接收到分片数据包后，再进行重组还原成原始数据。四、实验步骤（一）启动Wireshark抓包1.打开Wireshark软件。2.在主界面中，选择要进行抓包的网络接口（一般为计算机连接网络的网卡）。3.点击"开始"按钮，开始捕获网络数据包。（二）设置过滤条件1.在Wireshark的过滤栏中输入过滤条件，以便只捕获与IP协议相关的数据包。例如，输入"ip"，则只显示IP数据包。2.也可以根据具体需求设置更精确的过滤条件，如只捕获特定源IP地址或目的IP地址的数据包。例如，要捕获源IP地址为192.168.1.100的数据包，可输入"ip.src==192.168.1.100"。（三）捕获并分析IP数据包1.保持抓包一段时间，让网络中有足够的数据包被捕获。2.在捕获的数据包列表中，双击一个IP数据包，打开数据包详细信息窗口。3.观察数据包的各个字段，包括包头和数据部分。解读包头中各字段的含义，如版本、首部长度、源IP地址、目的IP地址、生存时间、协议等。4.分析数据包的传输方向、大小、分片情况等信息。例如，查看数据包是否进行了分片，分片的数量和大小等。（四）分析IP协议的寻址和路由功能1.观察多个数据包的源IP地址和目的IP地址，了解不同主机之间的通信情况。2.通过分析数据包的传输路径，推断路由器的工作过程。查看数据包在经过多个路由器时，源IP地址、目的IP地址以及下一跳IP地址的变化情况。3.分析路由表的作用。可以通过一些网络命令（如在Windows系统中使用"routeprint"命令）查看本地主机的路由表信息，对比抓包分析中数据包的路由路径，理解路由表如何指导数据包的转发。（五）分析IP协议的分片与重组功能1.捕获一些较大的数据包，观察Wireshark是否将其显示为多个分片数据包。2.查看每个分片数据包的标识、标志和片偏移字段，分析这些字段如何协同工作以实现数据包的正确重组。3.对比原始数据包和重组后的数据包，验证分片与重组功能的正确性。（六）停止抓包1.在完成数据包捕获和分析后，点击Wireshark中的"停止"按钮，停止捕获数据包。五、实验结果与分析（一）IP数据包结构分析通过Wireshark捕获的IP数据包，观察到包头结构如下：1.版本：常见的为IPv4，版本号为4。2.首部长度：一般为5，即20字节的基本包头长度。若有选项字段，则首部长度会增加。3.服务类型：此字段用于指定数据包的优先级、延迟、吞吐量、可靠性等传输特性。例如，有些数据包可能设置为高优先级以确保实时性。4.总长度：数据包的全长，包括包头和数据部分。例如，捕获的某些数据包总长度为1500字节，其中包头20字节，数据部分1480字节。5.标识：每个数据包都有一个唯一的标识，用于在分片时标识属于同一个原始数据包的各个分片。6.标志：包括MF（MoreFragments）和DF（Don'tFragment）标志。MF标志表示后面还有分片，DF标志表示不允许分片。例如，有些数据包的DF标志被设置，若数据包大小超过网络MTU（MaximumTransmissionUnit），则会导致数据包被丢弃。7.片偏移：用于指示该片在原始数据包中的相对位置，以8字节为单位。通过片偏移和标识字段，接收方可以正确重组数据包。8.生存时间：例如，捕获的数据包中生存时间字段值为64，表示数据包最多可以经过64个路由器转发。如果超过这个值，数据包将被丢弃。9.协议：指明上层协议的类型。常见的有TCP（协议号6）、UDP（协议号17）等。例如，当协议字段值为6时，表示上层数据是通过TCP协议传输的。10.首部校验和：用于验证包头的完整性，确保在传输过程中包头没有被篡改。（二）IP协议寻址和路由分析1.源IP地址和目的IP地址观察在捕获的数据包中，观察到不同主机之间通信时源IP地址和目的IP地址各不相同。例如，源IP地址可能是192.168.1.101，目的IP地址可能是192.168.2.50，这表明不同子网的主机可以通过IP协议进行通信。对于内部网络通信，源IP地址和目的IP地址通常在同一网段内，如192.168.1.xxx范围内。当数据包需要跨网段传输时，会通过路由器进行转发。2.路由路径分析通过查看数据包的详细信息，发现数据包在传输过程中，源IP地址保持不变，目的IP地址也不变，但下一跳IP地址会随着经过的路由器而改变。例如，数据包从源主机出发，首先到达默认网关路由器的IP地址，然后网关路由器再根据目的IP地址查找下一跳路由器，将数据包转发出去。以校园网为例，当一台计算机访问外网服务器时，数据包从计算机的源IP地址出发，经过校园网的出口路由器，其下一跳IP地址变为外网服务器所在网络的边界路由器IP地址，最终到达目的服务器。3.路由表分析在Windows系统中使用"routeprint"命令查看本地主机的路由表，发现路由表中包含了多个路由条目。例如，有一条默认路由条目，其目标网络为0.0.0.0，掩码为0.0.0.0，下一跳为校园网的默认网关IP地址。这意味着当主机要访问任何非本地网段的IP地址时，都会通过默认网关进行转发。同时，路由表中还可能包含特定网段的路由条目，如对于校园网内部的某个子网，会记录该子网的网络地址、子网掩码以及下一跳路由器的IP地址。这些路由条目是根据网络拓扑结构和路由器配置动态生成的，用于指导数据包的正确转发。（三）IP协议分片与重组分析1.分片数据包观察捕获了一些较大的数据包，发现Wireshark将其显示为多个分片数据包。例如，一个总长度为2000字节的数据包（超过了常见以太网MTU1500字节），被分成了两个分片数据包。第一个分片数据包的总长度为1500字节（其中包头20字节，数据1480字节），MF标志位被设置，表示后面还有分片；第二个分片数据包的总长度为520字节（包头20字节，数据500字节），MF标志位未设置，表示这是最后一个分片。2.分片字段分析查看每个分片数据包的标识字段，发现所有分片的标识字段值相同，这确保了它们属于同一个原始数据包。片偏移字段用于指示该片在原始数据包中的相对位置。例如，第一个分片的片偏移为0，第二个分片的片偏移为185（1480÷8=185），表示第二个分片在原始数据包中从第185个8字节块开始。3.重组验证在Wireshark中，可以看到重组后的数据包信息。通过对比原始数据包的内容（如应用层数据）和重组后数据包的内容，发现数据完全一致，验证了IP协议分片与重组功能的正确性。例如，对于传输的一个文件数据，在分片传输后，接收方能够正确重组文件内容，保证了数据的完整性。六、实验总结通过本次IP协议分析实验，深入了解了IP协议的工作原理、数据包结构以及寻址、路由、分片与重组等重要功能。1.在实验过程中，熟练掌握了Wireshark网络分析工具的使用方法，能够准确捕获和分析IP数据包。通过对数据包各个字段的解读，清晰地理解了IP协议包头的含义和作用。2.对IP协议的寻址和路由功能有了更直观的认识。观察到源IP地址和目的IP地址在数据包传输过程中的作用，以及路由表如何指导数据包的转发路径。明白了不同网络环境下数据包的传输过程，包括在同一子网内的直接通信和跨子网通过路由器的转发。3.对于IP协议的分片与重组功能，通过实际捕获和分析分片数据包，理解了如何通过标识、标志和片偏移字段实现数据包的正确分片和重组。验证了在网络中，当数据