利用Wireshark 抓包工具加速《网络与通信技术》课程的协议理解

Abstract：In the course Network and Communication Technology， the TCP/IP protocol stack involves a multitude of network protocols. Relying solely on traditional teaching methods and static explanations makes it difficult for students to comprehend the interactions between hosts and protocol layers. This paper explores the use of the packet capture tool Wireshark to dynamically capture and analyze network packets in real time， enabling students to intuitively examine protocol timing and field contents， thereby accelerating comprehension and facilitating knowledge transfer to improve learning efficiency. The article introduces the basic functionalities of Wireshark and demonstrates its application in protocol analysis through teaching examples focusing on typical transport-layer and application-layer protocols in the TCP/IP suite.Practice demonstrates that incorporating Wireshark as an interactive teaching component can significantly enhance students’ protocol comprehension.

Keywords： Wireshark； TCP/IP protocol； interactive teaching component

1. 引言

《网络与通信技术》是电气工程及其自动化专业的核心课程，涵盖IP、TCP、UDP等众多协议。传统教学主要依赖教材讲解，同学难以将抽象协议与实际网络通信过程对应起来。Wireshark作为开源网络协议分析工具，能够实时捕获、解析和展示数据包，让协议交互过程可视化，学生可以直观查看数据包的封装格式、传输流程及协议状态变化，从而加深对协议的理解。教学实践表明，将Wireshark作为网络协议教学的辅助，可以提升学生的理解能力。

2. Wireshark简介

Wireshark（前称Ethereal）支持多种操作系统（Windows、Linux、macOS），能够捕获并解析数百种协议的数据包。其主要功能包括：

实时抓包：监听网卡流量，捕获流经网络的数据包。

协议解析：自动解析常见协议（如TCP、UDP、HTTP、DNS等），并以树状结构展示各层协议头信息。

过滤与分析：支持按协议、IP地址、端口等条件过滤数据包，便于聚焦关键通信过程。

流量统计：提供会话统计、流量图等功能，帮助分析网络行为。

Wireshark的直观界面和强大功能使其成为网络协议教学的理想工具。

3. Wireshark在网络协议教学中的应用

3.1 数据链路层协议分析

以太网协议是数据链路层中直接与物理网络交互的层次，传统教学中学生往往难以理解帧封装、MAC地址寻址等核心概念。

实验设计：

1.ARP协议分析：

执行ping命令触发ARP请求，使用Wireshark过滤arp协议；

观察ARP请求/响应报文结构，分析源/目标MAC地址和IP地址的映射关系；

对比同一子网和跨子网通信时的ARP行为差异。

2.以太网帧结构解析：

捕获任意TCP通信数据包；

展开"Ethernet II"字段，分析目的MAC/源MAC/类型字段；

通过ping命令生成小数据包，观察帧最小长度（64字节）和填充字段。

教学价值：

直观展示MAC地址的实际作用；

验证CSMA/CD机制在传统以太网中的体现；

理解二层交换与三层路由的本质区别。

3.2 网络层协议分析

网络层协议中IP和ICMP的报文格式和路由机制是课程重点难点。

实验设计：

1.IP报文分片实验：

使用ping -l 3000 目标IP生成大包；

捕获并分析分片报文的标识符、片偏移、MF标志位；

观察重组过程和时间戳变化。

2.ICMP协议深度分析：

执行traceroute命令，捕获ICMP超时报文；

分析Type/Code字段组合（如3/0表示网络不可达）；

对比IPv4（ICMPv4）和IPv6（ICMPv6）的差异。

3.路由跟踪实验：

使用Wireshark捕获tracert/traceroute过程

分析TTL递减机制和ICMP响应

可视化展示数据包经过的路由节点

3.3 TCP协议深度分析

TCP作为面向连接的可靠传输协议涉及三次握手、数据传输和四次挥手等关键过程，其复杂机制最适合通过抓包分析来增强理解。

实验设计：

使用Wireshark捕获TCP连接（39.99.210.227），观察三次握手，分析序列号和确认号的变化，跟踪数据传输过程，观察滑动窗口机制，捕获连接关闭时的四次挥手，通过Wireshark，加深对可靠传输的理解。

1.连接建立与终止全过程捕获

使用telnet或curl建立TCP连接

过滤tcp.port==目标端口观察：

三次握手（SYN→SYN/ACK→ACK）

四次挥手（FIN→ACK→FIN→ACK）

重点分析：

初始序列号（ISN）随机化

TIME_WAIT状态持续时间

2.流量控制机制可视化

大文件传输时捕获数据流

观察窗口大小（Window Size）动态变化：

滑动窗口机制

零窗口探测报文

窗口缩放选项（Window Scaling）

3.拥塞控制实证分析

模拟网络拥塞（使用流量整形工具）

捕获并分析：

慢启动阶段窗口指数增长

拥塞避免阶段线性增长

快速重传/快速恢复过程

3.2 HTTP协议分析

HTTP（超文本传输协议）作为应用层最典型的代表协议，其无状态、请求-响应模式的特点对初学者较抽象，其实验设计需要体现从基础到进阶的系统性学习路径。

实验设计：

基础HTTP请求/响应分析，访问一个HTTP网站（访问39.99.210.227），同时用Wireshark抓包，分析HTTP请求（GET/POST）和响应（200 OK）的报文结构，观察HTTP头部字段的作用，达到掌握HTTP报文基本结构的目的。

1.清除浏览器缓存后访问http：//39.99.210.227

2.设置过滤器：http && ip.addr == 服务器IP

3.分析内容：

请求报文：

http

GET / HTTP/1.1Host： 39.99.210.227

User-Agent： Mozilla/5.0...Accept： text/html

响应报文：

http

HTTP/1.1 200 OK

Server： nginx

Content-Type： text/html

Content-Length： 1256

4.重点观察：

起始行/头部/空行/实体的分界

常用头部字段的作用

HTTP层

├─请求行： GET /index.html HTTP/1.1

├─头部字段

│ ├─Host： 39.99.210.227

│ ├─User-Agent： Mozilla/5.0

│ └─Accept-Language： zh-CN

└─空行

通过以上实验可以破除抽象概念，将教材中的"请求-响应模型"转化为可视化的真实数据流，解决"HTTP只是书本上的文字"的认知障碍，将报文结构具象化，通过Wireshark的树状解析视图，直观展示其协议字段的层次结构。

4.教学效果评估

通过在本校电气工程及其自动化专业2023级的《网络与通信技术》课程中采用Wireshark辅助教学，结合实时抓包分析协议，经过一学期教学后，通过协议分析的面试考核，同学们对协议中各字段内容的填充与计算等各方面的理解有显著提升，对协议交互过程的理解明显更深入，能利用学校的网络场景搭建实验环境，大幅提升了协议的学以致用，同时问卷调查显示95%的同学认为Wireshark使协议学习更直观、有趣，是课程学习的利器。

5.教学建议

分阶段教学：先讲解协议理论，再结合Wireshark进行实验验证。

案例驱动：设计贴近实际的抓包任务（如分析网页加载过程）。

鼓励探索：让学生自行捕获并分析未知协议（如ARP、ICMP）。

结合网络安全：通过Wireshark分析网络攻击（如SYN Flood），增强网络安全意识。

6.结论

Wireshark作为一款强大的抓包工具，能够有效提升《网络与通信技术》课程的教学效果。通过实时数据包分析，学生可以直观理解协议交互过程，弥补传统教学的不足，未来可进一步探索Wireshark在5G通信、物联网等新兴协议教学中的应用。

参考文献：

[1] 谢希仁. 计算机网络（第8版）[M]. 电子工业出版社，2021.

[2] 彭玉兰. 基于GNS3+Wireshark的网络协议分析实验教学改革[J].现代信息科技，2022，6（18）.