計算機網絡實驗：使用Wireshark抓包工具進行應用層和傳輸層網絡協議分析（TCP部分）

在這一部分，我們通過與遠程服務器之間發送 150KB 的文件來分析 TCP 數據包的發送和接收。研究內容包括：

TCP利用序列號和確認號來提供的可靠數據傳輸
TCP 擁塞控制算法中的慢啓動和擁塞避免
TCP 協議的流控制策略
如何建立 TCP 連接
TCP 連接的性能（吞吐量和往返時間）

具體步驟爲：

抓取傳輸到遠程服務器的 TCP 數據包
a) 打開 web 瀏覽器，進入：
http://gaia.cs.umass.edu/wireshark-labs/alice.txt
複製這篇文章 Alice in Wonderland 到電腦。

直接複製文字到本地即可，也可以單擊鼠標右鍵，選擇“網頁另存爲”，保存txt文件。

b) 接下來訪問：
http://gaia.cs.umass.edu/wireshark-labs/TCP-wireshark-file1.html
如下圖：

接下來，點擊“瀏覽”，選擇在上一步中保存的txt文件，但不點擊upload按鈕。不要關閉瀏覽器。

c) 啓動Wireshark，現在開始進行數據包捕獲。然後在網絡封包分析和數據包捕獲選項頁面點擊“OK”。

d) 返回瀏覽器，點擊“Upload alice.txt file”按鈕來更新文件到服務器。一旦這個文件被更新，會有一條恭喜信息。

e) 現在停止網絡封包分析和數據捕獲。網絡封包分析窗口如下所示：

f) 很意外地，發現有52.114.77.164與168.63.202.111這兩個IP地址的報文，干擾了我們的判斷。對這部分問題的處理見如下鏈接：
【解決方案】使用Wireshark工具抓取TCP數據包時爲什麼遇到了52.114.77.164與168.63.202.111？

g) 再次啓動Wireshark，嘗試捕獲報文。結果如下。

下圖爲實驗指導書中給出的結果。

與實驗指導書中給出的結果進行對比，二者一致，所有的TCP報文，源地址與目的地址只有192.168.0.101與128.119.245.12，前者爲本機IP地址，後者爲服務器IP地址，捕獲成功。
分析建立 TCP 連接的過程。

從捕獲到的TCP報文入手，結合課程所學，進行分析。

a) 根據課程所學，我們知道，TCP通過三次握手建立連接。

步驟1：客戶機向服務器發送 TCP SYN報文段
· 指定初始序號
· 沒有數據
步驟2：服務器收到SYN報文段, 用SYNACK報文段回覆
· 服務器爲該連接分配緩衝區和變量
· 指定服務器初始序號
步驟3：客戶機接收到 SYNACK, 用ACK報文段回覆,可能包含數據

具體過程如下圖所示：

b) 下面分析捕獲的報文。在捕獲到的報文段中，可以看到非常明顯的三次握手過程，即前三行：

觀察第一個報文段爲客戶端向服務器發送的請求報文的內容，客戶端端口爲1412，服務器端口爲80。這一報文的SYN=1, Seq=0，Len=0，表明該請求無數據，爲連接請求。

第二個報文段是服務器向客戶端發送的確認報文段， SYN=1,seq=0,ACK number=1，也就是期望下一段的Seq爲1。服務器響應了來自主機1412端口的連接請求，向主機發送一個確認報文。該報文內容如下圖所示。

第三個報文段是客戶端向服務器發送的確認報文段。該報文段的Seq=1,與上一個報文段的 ACK number=1相對應。該報文段的ACK number=1，也就是期望下一段的Seq爲1。該報文內容如下圖所示：

在完成三次握手建立連接之後，便進行數據傳輸。
根據抓取的數據結果，分析 TCP 的基本結構和內容。
以下圖所示的TCP報文爲例：

Source Port：源端口號，這裏是1113
Destination Port：目的端口號，這裏是80
Sequence Number：序號，relative爲相對序號，raw爲真實序號
Acknowledgement number：確認號，與序號相同，有絕對與相對之分
Header Length：首部長度，這裏爲20字節
Flags：標誌位，包括Syn、Fin等
Window size value：窗口大小
Checksum：檢查和
Urgent Pointer：緊急指針
TCP 擁塞控制分析：
a) 在網絡封包分析的“listing of captured-packets”窗口中選一個TCP段，然後選擇Statistics->TCP Stream Graph-> Time-Sequence-Graph(Stevens)

b) 可以看到一個類似下面的情形

c) 使用 Time-Sequence-Graph(Stevens)繪圖工具查看 TCP 數據段的時序圖，找出TCP 慢啓動的開始和結束以及擁塞避免階段。
i. 首先，需要讀懂TCP流圖形的橫縱座標的含義。
a. 橫座標：時間序列
b. 縱座標：受監控的TCP流在某個方向所傳數據的字節流
ii. 綜上，可以得出結論：
a. TCP流圖形用於表示在單位時間內，受監控的TCP流在某個方向所傳數據的字節流。
b. 斜線的斜率越大，表示文件的傳輸速率越高，反之，文件傳輸緩慢。
iii. 首先回顧一下擁塞避免：

iv. 結合以上兩圖，發現TCP流圖中沒有擁塞避免的階段。0.9s左右速度驟減，推測原因出自網絡狀態不穩定。在慢啓動還沒有結束時，便已經上傳完成了文件。慢啓動對應成倍增加速率，擁塞控制對應線性增加速率。
d) 如何加大數據量，會怎樣呢？加大數據量，重複上述步驟，結果如下。

紅框內爲擁塞避免階段，觀察到每個RTT內，線性增加速率。同時觀察到重傳現象。慢啓動過程與擁塞避免符合我們之前的分析。