计算机网络实验：使用Wireshark抓包工具进行应用层和传输层网络协议分析（TCP部分）

在这一部分，我们通过与远程服务器之间发送 150KB 的文件来分析 TCP 数据包的发送和接收。研究内容包括：

TCP利用序列号和确认号来提供的可靠数据传输
TCP 拥塞控制算法中的慢启动和拥塞避免
TCP 协议的流控制策略
如何建立 TCP 连接
TCP 连接的性能（吞吐量和往返时间）

具体步骤为：

抓取传输到远程服务器的 TCP 数据包
a) 打开 web 浏览器，进入：
http://gaia.cs.umass.edu/wireshark-labs/alice.txt
复制这篇文章 Alice in Wonderland 到电脑。

直接复制文字到本地即可，也可以单击鼠标右键，选择“网页另存为”，保存txt文件。

b) 接下来访问：
http://gaia.cs.umass.edu/wireshark-labs/TCP-wireshark-file1.html
如下图：

接下来，点击“浏览”，选择在上一步中保存的txt文件，但不点击upload按钮。不要关闭浏览器。

c) 启动Wireshark，现在开始进行数据包捕获。然后在网络封包分析和数据包捕获选项页面点击“OK”。

d) 返回浏览器，点击“Upload alice.txt file”按钮来更新文件到服务器。一旦这个文件被更新，会有一条恭喜信息。

e) 现在停止网络封包分析和数据捕获。网络封包分析窗口如下所示：

f) 很意外地，发现有52.114.77.164与168.63.202.111这两个IP地址的报文，干扰了我们的判断。对这部分问题的处理见如下链接：
【解决方案】使用Wireshark工具抓取TCP数据包时为什么遇到了52.114.77.164与168.63.202.111？

g) 再次启动Wireshark，尝试捕获报文。结果如下。

下图为实验指导书中给出的结果。

与实验指导书中给出的结果进行对比，二者一致，所有的TCP报文，源地址与目的地址只有192.168.0.101与128.119.245.12，前者为本机IP地址，后者为服务器IP地址，捕获成功。
分析建立 TCP 连接的过程。

从捕获到的TCP报文入手，结合课程所学，进行分析。

a) 根据课程所学，我们知道，TCP通过三次握手建立连接。

步骤1：客户机向服务器发送 TCP SYN报文段
· 指定初始序号
· 没有数据
步骤2：服务器收到SYN报文段, 用SYNACK报文段回复
· 服务器为该连接分配缓冲区和变量
· 指定服务器初始序号
步骤3：客户机接收到 SYNACK, 用ACK报文段回复,可能包含数据

具体过程如下图所示：

b) 下面分析捕获的报文。在捕获到的报文段中，可以看到非常明显的三次握手过程，即前三行：

观察第一个报文段为客户端向服务器发送的请求报文的内容，客户端端口为1412，服务器端口为80。这一报文的SYN=1, Seq=0，Len=0，表明该请求无数据，为连接请求。

第二个报文段是服务器向客户端发送的确认报文段， SYN=1,seq=0,ACK number=1，也就是期望下一段的Seq为1。服务器响应了来自主机1412端口的连接请求，向主机发送一个确认报文。该报文内容如下图所示。

第三个报文段是客户端向服务器发送的确认报文段。该报文段的Seq=1,与上一个报文段的 ACK number=1相对应。该报文段的ACK number=1，也就是期望下一段的Seq为1。该报文内容如下图所示：

在完成三次握手建立连接之后，便进行数据传输。
根据抓取的数据结果，分析 TCP 的基本结构和内容。
以下图所示的TCP报文为例：

Source Port：源端口号，这里是1113
Destination Port：目的端口号，这里是80
Sequence Number：序号，relative为相对序号，raw为真实序号
Acknowledgement number：确认号，与序号相同，有绝对与相对之分
Header Length：首部长度，这里为20字节
Flags：标志位，包括Syn、Fin等
Window size value：窗口大小
Checksum：检查和
Urgent Pointer：紧急指针
TCP 拥塞控制分析：
a) 在网络封包分析的“listing of captured-packets”窗口中选一个TCP段，然后选择Statistics->TCP Stream Graph-> Time-Sequence-Graph(Stevens)

b) 可以看到一个类似下面的情形

c) 使用 Time-Sequence-Graph(Stevens)绘图工具查看 TCP 数据段的时序图，找出TCP 慢启动的开始和结束以及拥塞避免阶段。
i. 首先，需要读懂TCP流图形的横纵座标的含义。
a. 横座标：时间序列
b. 纵座标：受监控的TCP流在某个方向所传数据的字节流
ii. 综上，可以得出结论：
a. TCP流图形用于表示在单位时间内，受监控的TCP流在某个方向所传数据的字节流。
b. 斜线的斜率越大，表示文件的传输速率越高，反之，文件传输缓慢。
iii. 首先回顾一下拥塞避免：

iv. 结合以上两图，发现TCP流图中没有拥塞避免的阶段。0.9s左右速度骤减，推测原因出自网络状态不稳定。在慢启动还没有结束时，便已经上传完成了文件。慢启动对应成倍增加速率，拥塞控制对应线性增加速率。
d) 如何加大数据量，会怎样呢？加大数据量，重复上述步骤，结果如下。

红框内为拥塞避免阶段，观察到每个RTT内，线性增加速率。同时观察到重传现象。慢启动过程与拥塞避免符合我们之前的分析。