Day35 網絡協議與數據封裝

day35 網絡協議與數據封裝

數據封裝與協議結構

以太網MAC幀格式

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數據封裝與傳輸流程

數據在傳輸過程中，從上層逐層封裝到底層，最終通過物理介質發送。封裝與傳輸的具體流程如下：

封裝過程（從IP層到物理層）
  • IP層：IP數據報作為上層數據傳遞至MAC層
  • MAC層封裝：
    • 目的地址（6字節）：接收設備的物理地址（MAC地址）
    • 源地址（6字節）：發送設備的物理地址（MAC地址）
    • 類型（2字節）：標識上層協議類型，例如 0x0800 表示承載的是IP協議數據
    • 數據（46–1500字節）：實際承載的上層協議數據（如IP數據報），若不足46字節，則需填充至最小長度
    • FCS（4字節）：幀檢驗序列（Frame Check Sequence），用于差錯檢測
  • 物理層封裝：
    • 前導碼（8字節）：
      • 前7字節為前同步碼，比特模式為 10101010 交替，用于接收方時鐘同步
      • 第8字節為幀開始定界符（SFD），比特模式為 10101011，表示幀的開始

MTU說明：以太網幀中"數據"部分的最大傳輸單元（MTU）為 1500字節。

解封裝過程（從物理層到IP層）

接收端按照相反順序進行解封裝，從物理層開始逐層去除頭部信息，最終將數據交付給上層應用。

協議封裝層次

數據在發送端自上而下逐層封裝，接收端則自下而上解封裝：

應用層數據 → TCP/UDP頭 → IP頭 → MAC幀 → 物理層前導碼|            |           |          |
"Hello"      傳輸層      網絡層     接口層

IP數據報首部

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核心特性

  • 固定長度：20字節（不含選項字段）
  • 關鍵字段詳解：
字段描述
版本（4位）指明IP協議版本，IPv4為4，IPv6為6，通信雙方必須一致
首部長度（IHL，4位）以32位（4字節）為單位，最小值為5（即20字節），最大值為15（60字節）。當包含選項時長度可變
區分服務（DS，8位）原稱"服務類型"，現用于QoS（服務質量）控制，如優先級、延遲、吞吐量等
總長度（16位）整個IP數據報的長度（首部 + 數據），單位為字節，最大值為65535字節
標識（16位）每產生一個數據報，該計數器加1；分片時所有片段共享同一標識，以便重組
標志（3位）包含兩個有效位：
- DF (Don’t Fragment)：禁止分片
- MF (More Fragments)：還有更多分片（MF=0表示最后一片）
片偏移（13位）分片后該片在原始數據報中的位置，單位為8字節（64位），保證分片按序重組
生存時間（TTL，8位）數據報在網絡中的存活時間，每經過一個路由器減1，為0時被丟棄，防止無限循環
協議（8位）指明上層協議類型，常見值：
- 6：TCP
- 17：UDP
- 1：ICMP
首部校驗和（16位）僅校驗IP首部，不包含數據部分。每次經過路由器需重新計算
源IP地址（32位）發送方的IP地址
目的IP地址（32位）接收方的IP地址

注意：IP是無連接、不可靠的服務，依賴上層（如TCP）實現可靠性。

TCP首部格式

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核心特性

  • 固定長度：20字節（可選字段擴展至最多60字節）
  • 關鍵字段：
字段描述
源/目的端口（各16位）標識通信的應用進程
序列號（32位）當前報文段第一個字節的序號，用于保證數據有序傳輸
確認號（32位）期望收到的下一個字節的序號，表示該序號之前的數據已正確接收
數據偏移（4位）TCP首部長度，以4字節為單位，最小為5（20字節），最大為15（60字節）
保留（6位）保留字段，置0
標志位（6位）控制連接狀態的關鍵標志：
- URG：緊急指針有效
- ACK：確認號有效
- PSH：要求接收方立即交付給應用層
- RST：重置連接
- SYN：同步序列號，用于建立連接
- FIN：請求關閉連接
窗口大小（16位）接收方當前接收緩沖區剩余容量，用于流量控制
校驗和（16位）覆蓋TCP首部、數據及偽首部，確保傳輸完整性
緊急指針（16位）與URG配合使用，指出緊急數據的末尾位置

發送緩沖區劃分

[已發送且已確認] → [已發送未確認] → [待發送]
  • 通過超時重傳機制確保可靠傳輸
  • 只有收到ACK后，已發送未確認區域才能向前滑動

關鍵標志位

標志位作用
SYN連接建立請求（同步序列號）
ACK確認應答（確認號有效）
FIN連接終止請求
RST異常中斷或拒絕連接
PSH推送數據，要求立即處理

UDP首部格式

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核心特性

  • 固定長度：8字節
  • 字段說明：
字段描述
源端口（16位）發送方端口號，可選
目的端口（16位）接收方端口號，必須指定
長度（16位）UDP數據報總長度（首部 + 數據），最小為8字節，最大為65535字節
校驗和（16位）可選，用于差錯檢測；若未啟用則為0。包含偽首部、UDP首部和數據

特點總結：

  • 無連接（無需握手）
  • 不保證可靠傳輸（無確認、無重傳）
  • 開銷小（僅8字節首部）
  • 適用于實時性要求高的場景（如音視頻流、DNS查詢）

網絡診斷工具集

遠程連接工具

# 使用telnet連接指定IP和端口（默認端口23）
telnet 192.168.1.1 8888  # 連接到192.168.1.1的8888端口

功能說明：測試目標主機某端口是否開放并可通信。
理想輸出：

Trying 192.168.1.1...
Connected to 192.168.1.1.
Escape character is '^]'.

網絡狀態監控

# 查看所有網絡連接（包括進程信息）
netstat -anp

功能說明：顯示所有網絡連接、監聽端口及對應進程
典型輸出：

tcp  0  0 0.0.0.0:8888  0.0.0.0:*  LISTEN  1234/python3

表示PID為1234的Python程序正在監聽8888端口。

# 僅查看TCP連接
netstat -n -t

功能說明：顯示所有TCP連接狀態
典型輸出：

tcp        0      0 192.168.1.100:50000   192.168.0.183:80      ESTABLISHED

# 僅查看UDP連接
netstat -n -u

功能說明：顯示所有UDP連接狀態
典型輸出：

udp        0      0 0.0.0.0:68            0.0.0.0:*                        

# 查看特定端口監聽情況
netstat -lnp | grep 8888

功能說明：檢查特定端口是否被監聽及對應進程
典型輸出：

tcp  0  0 0.0.0.0:8888  0.0.0.0:*  LISTEN  1234/python3

網絡連通性測試

# 測試與指定IP的連通性
ping 192.168.1.1

功能說明：使用ICMP協議檢測目標主機是否可達
理想輸出：

64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=1.2 ms

# 測試域名解析及連通性
ping www.baidu.com

功能說明：測試DNS解析和網絡連通性
理想輸出：

64 bytes from 110.242.68.66: icmp_seq=1 ttl=55 time=28.3 ms

ARP表管理

# 查看ARP緩存表（IP與MAC地址映射）
arp -an

功能說明：顯示本地ARP緩存中的IP地址與MAC地址映射關系
典型輸出：

? (192.168.1.100) at 00:1a:2b:3c:4d:5e [ether] on eth0

# 刪除指定IP的ARP緩存條目
arp -d 192.168.1.100

功能說明：清除特定IP地址的ARP緩存，解決IP-MAC映射問題
理想輸出：

(192.168.1.100) deleted

流量抓包分析

Wireshark過濾示例
tcp.port == 50000 && ip.addr == 192.168.0.183

抓取目標或源端口為50000，且IP地址為192.168.0.183的數據包。

tcpdump高級過濾命令
# 按源IP過濾
tcpdump 'ip.src == 192.168.1.100'

功能說明：捕獲來自特定IP的所有數據包
理想輸出：

12:30:45.123456 IP 192.168.1.100.50000 > 192.168.0.183.80: Flags [S], seq 12345

# 按目的端口過濾
tcpdump 'tcp.dstport == 9999'

功能說明：捕獲發送到特定端口的所有數據包
理想輸出：

12:31:22.678901 IP 192.168.1.100.50001 > 192.168.0.183.9999: Flags [P.], seq 12345:12400

# 組合條件：源IP為192.168.1.100 且 目的端口為9999
tcpdump 'ip.src == 192.168.1.100 and tcp.dstport == 9999'

功能說明：使用邏輯AND組合多個過濾條件
理想輸出：

12:32:15.234567 IP 192.168.1.100.50002 > 192.168.0.183.9999: Flags [S], seq 12346

# 組合條件：源IP為192.168.1.100 或 目的IP為192.168.1.102
tcpdump 'ip.src == 192.168.1.100 or ip.dst == 192.168.1.102'

功能說明：使用邏輯OR組合多個過濾條件
理想輸出：

12:33:08.765432 IP 192.168.1.100.50003 > 192.168.1.102.80: Flags [P.], seq 12347:12450

環境配置建議：

# 禁用防火墻（避免干擾抓包）
sudo ufw disable# 安裝SSH服務（支持遠程登錄）
sudo apt-get install openssh-server openssh-client# 安裝Wireshark（圖形化抓包工具）
sudo apt-get install wireshark

tcpdump 使用補充說明

# 在默認網卡上抓包（顯示簡要信息）
tcpdump -n

功能說明：捕獲所有網絡接口的流量，以數字形式顯示IP和端口
理想輸出：

12:35:45.123456 IP 192.168.1.100.50000 > 192.168.0.183.80: Flags [S], seq 12345

# 根據源或目的IP抓包
tcpdump -n src 192.168.1.100
tcpdump -n dst 192.168.1.100

功能說明：分別捕獲指定IP作為源或目的的數據包
理想輸出：

12:36:22.678901 IP 192.168.1.100.50001 > 192.168.0.183.80: Flags [P.], seq 12345:12400

# 抓取指定IP的所有收發包并輸出十六進制
sudo tcpdump -n -x src or dst 192.168.0.130

功能說明：捕獲指定IP的所有流量并以十六進制格式顯示
理想輸出：

12:37:15.234567 IP 192.168.0.130.50002 > 192.168.1.100.80: Flags [S], seq 123460x0000:  4500 003c 1234 4000 4006 0000 c0a8 00820x0010:  c0a8 0164 0050 0089 0000 3039 0000 0000

# 將抓包內容保存到文件
tcpdump -n -x src 192.168.1.100 > xxx.log

功能說明：將抓包結果保存到文件以便后續分析
操作結果：生成包含原始數據包的xxx.log文件

# 按端口過濾
tcpdump -n src port 80
tcpdump -n dst port 80
tcpdump -n port 80

功能說明：分別捕獲源端口、目的端口或任意方向端口為80的流量
理想輸出：

12:38:08.765432 IP 192.168.1.100.50003 > 192.168.0.183.80: Flags [P.], seq 12347:12450

# 按協議過濾
tcpdump -n proto icmp
tcpdump -n proto tcp
tcpdump -n proto udp

功能說明：分別捕獲指定協議類型的數據包
理想輸出：

12:39:01.234567 IP 192.168.1.100 > 192.168.1.1: ICMP echo request

# 指定網絡接口抓包
tcpdump -n -i eth0
tcpdump -n -i lo  # 本地回環接口

功能說明：在特定網絡接口上捕獲流量
理想輸出：

12:40:15.678901 IP 127.0.0.1.50004 > 127.0.0.1.8080: Flags [S], seq 12348

# 組合條件（and/or）
tcpdump 'ip.src == 192.168.1.100 and tcp.dstport == 9999'
tcpdump 'ip.src == 192.168.1.100 or ip.dst == 192.168.1.102'

功能說明：使用邏輯運算符組合多個過濾條件
理想輸出：

12:41:22.345678 IP 192.168.1.100.50005 > 192.168.1.102.9999: Flags [P.], seq 12349:12452

高級抓包示例：

sudo tcpdump -n -i esn33 -xx src or dst www.taobao.com -AXX -vv | less
  • -xx：以十六進制和ASCII顯示鏈路層數據
  • -A：以ASCII顯示數據包內容
  • -XX：十六進制顯示并包含鏈路層頭
  • -vv：詳細輸出
  • | less：分頁查看輸出

功能說明：全面捕獲并詳細顯示與淘寶相關的網絡流量，適合深度分析

TCP連接管理

三次握手建立連接

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過程解析

  1. 第一次握手（SYN）
    客戶端 → 服務器：SYN=1, Seq=x
    客戶端發起連接請求，進入 SYN_SENT 狀態。

  2. 第二次握手（SYN+ACK）
    服務器 → 客戶端：SYN=1, ACK=1, Seq=y, Ack=x+1
    服務器確認請求并同步自己的序列號，進入 SYN_RCVD 狀態。

  3. 第三次握手（ACK）
    客戶端 → 服務器：ACK=1, Ack=y+1
    客戶端確認服務器的SYN，連接建立完成，雙方進入 ESTABLISHED 狀態。

關鍵點：三次握手確保雙方的發送與接收能力正常，實現全雙工通信。

編程對應函數：

  • 客戶端調用 connect() 觸發握手。
  • 服務器調用 listen() 監聽連接，accept() 接受連接。

四次揮手終止連接

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過程解析

  1. 第一次揮手（FIN+ACK）
    主機A → 主機B：FIN=1, ACK=1, Seq=u, Ack=v
    A端主動關閉連接，停止發送數據，但仍可接收數據。

  2. 第二次揮手（ACK）
    主機B → 主機A：ACK=1, Ack=u+1
    B端確認A的關閉請求，A進入 FIN-WAIT-2 狀態。

  3. 第三次揮手（FIN+ACK）
    主機B → 主機A：FIN=1, ACK=1, Seq=w, Ack=u+1
    B端也關閉連接，發送FIN。

  4. 第四次揮手（ACK）
    主機A → 主機B：ACK=1, Ack=w+1
    A確認B的FIN，等待2MSL后關閉連接。

關鍵點：TCP連接是全雙工的，因此需要雙方獨立關閉，共需四次揮手。

萬維網WWW

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萬維網（World Wide Web，簡稱 WWW 或 Web）并非一種獨立的計算機網絡，而是一個基于因特網的大規模、聯機式信息儲藏所。它通過"超鏈接"機制，使用戶可以從一個站點方便地跳轉到另一個站點，實現主動、按需獲取信息。
圖中展示了多個萬維網站點（A、B、C、D、E），它們之間通過虛線"鏈接到"相互連接，表明信息是分布式存儲的，而非集中在一個服務器上，體現了萬維網的分布式服務特性。

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為解決"如何讓用戶方便找到所需信息"的問題，萬維網采用三大核心技術：

  • URL（統一資源定位符）：為因特網上的每個資源（如網頁、圖片、文件）提供唯一的地址標識，實現精確定位。
  • HTTP（超文本傳輸協議）：應用層協議，定義瀏覽器與服務器之間的交互規則，基于TCP實現可靠數據傳輸。
  • HTML（超文本標記語言）：用于編寫網頁內容，支持嵌入超鏈接、文本、圖像、音視頻等多媒體元素，并可在瀏覽器中渲染展示。

此外，用戶還可借助搜索引擎等工具快速查找所需信息。

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URL結構與示例

使用HTTP的URL一般形式：

http://<主機>:<端口>/<路徑>
  • 主機：服務器域名或IP地址（如 www.tsinghua.edu.cn）
  • 端口：HTTP默認端口為 80，通常省略不寫
  • 路徑：服務器上資源的具體路徑，若省略則指向該站點的主頁
主頁的含義
  • 可以是WWW服務器最高級別的頁面
  • 某組織或部門定制的門戶頁面
  • 個人創建的自我介紹頁面
示例

訪問清華大學主頁：

http://www.tsinghua.edu.cn

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HTTP協議與萬維網工作過程

  • HTTP角色：
    HTTP是應用層協議，規定了瀏覽器（客戶端）向服務器請求文檔、服務器響應文檔的格式與流程，是萬維網交換文本、圖像、音視頻等多媒體文件的基礎。

  • 工作流程：

    1. 瀏覽器與服務器（如 www.tsinghua.edu.cn）建立TCP連接
    2. 瀏覽器發送HTTP請求報文，請求特定文檔
    3. 服務器返回HTTP響應報文，攜帶請求的文檔內容
    4. 傳輸完成后釋放TCP連接（HTTP/1.0行為）

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HTTP請求與響應流程

當用戶點擊指向"清華大學院系設置"頁面的鏈接（URL：http://www.tsinghua.edu.cn/chn/yxsz/index.htm）時，發生以下步驟：

  1. 解析URL：瀏覽器提取主機名 www.tsinghua.edu.cn 和路徑 /chn/yxsz/index.htm
  2. DNS解析：向DNS服務器查詢該域名對應的IP地址
  3. 獲取IP地址：DNS返回IP地址 166.111.4.100
  4. 建立TCP連接：瀏覽器與服務器在IP 166.111.4.100、端口 80 上建立TCP連接
  5. 發送HTTP請求：瀏覽器發送GET請求，獲取 /chn/yxsz/index.htm 文件
  6. 接收響應：服務器返回HTML文件內容
  7. 釋放連接：TCP連接關閉
  8. 顯示內容：瀏覽器解析并顯示文本內容

優化行為：
瀏覽器可設置"僅下載文本"，加快頁面加載速度。圖像、音頻等內容僅顯示占位圖標，點擊后再單獨建立連接下載。

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HTTP報文結構

HTTP是面向文本的協議，報文由ASCII字符組成，字段長度不固定。

兩類報文
報文類型組成部分
請求報文1. 請求行（方法、URL、版本）
2. 首部行（多個字段名:值）
3. 實體主體（可選，如POST數據）
響應報文1. 狀態行（版本、狀態碼、短語）
2. 首部行（多個字段名:值）
3. 實體主體（可選，如HTML內容）

主要區別：起始行不同（請求報文為"請求行"，響應報文為"狀態行"）。

HTTP請求報文示例解析

GET /?pcm=202.412_0_0.0.0&scm=thor.412_14-201000.0.0.0&spm=smpc.home.top-nav.1.1756968683979AWFZBXy_1467 HTTP/1.1
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/avif,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3;q=0.7
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Host: news.sohu.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/121.0.0.0 Safari/537.36

這是一條 HTTP/1.1 請求報文，用于向搜狐新聞服務器請求資源。

解析如下：

  • 請求行：

    GET /?pcm=... HTTP/1.1
    • 方法：GET（獲取資源）
    • 路徑與參數：包含多個跟蹤參數（用于統計來源）
    • 協議版本：HTTP/1.1

  • 請求首部字段：

    • Accept：客戶端可接受的內容類型，包括HTML、XML、圖片等，q值表示優先級
    • Accept-Encoding：支持的壓縮方式（gzip, deflate），減少傳輸體積
    • Accept-Language：首選語言為簡體中文（zh-CN）
    • Host：請求的主機名，用于虛擬主機識別
    • Connection: keep-alive：希望保持TCP連接，復用連接提高效率
    • User-Agent：客戶端身份標識，此處為Windows 10上的Chrome瀏覽器（v121）

該請求體現了現代瀏覽器在訪問網頁時的標準行為：支持壓縮、多語言、連接復用等特性。

Remote Address:
[240e:45:d000:3008:2a::]:80

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這是用網絡抓包工具 Wireshark捕獲的網絡數據包界面，展示了設備與搜狐新聞（news.sohu.com）等網絡節點之間的通信情況：

  • 上半部分：是捕獲的數據包列表，包含時間（Time）、源地址（Source）、目的地址（Destination）、協議（Protocol）、長度（Length）、信息（Info）等列，能看到有 TCP、HTTP 等協議的數據包，記錄了不同時間、不同地址間的網絡交互，比如 TCP 連接的建立（含 SYN 等標志）、HTTP 請求與響應等過程
  • 中間部分：是選中的某條數據包（這里是 HTTP 相關）的詳細解析，展開了"Hypertext Transfer Protocol"（超文本傳輸協議）部分，能看到 HTTP 請求的具體內容，像請求行（包含請求方法、URL 等）、請求首部字段（如 Host 指定主機為 news.sohu.com，Connection 表示連接方式，User-Agent 標識客戶端為 Chrome 瀏覽器等）
  • 下半部分：是該數據包的十六進制與 ASCII 碼形式的原始數據，可用于更底層的數據包內容分析，查看數據在網絡傳輸中的原始字節形態

整體呈現了從網絡數據包捕獲到分層解析的過程，便于分析網絡通信的細節，比如 HTTP 請求的構造、TCP 連接的交互等。

ipv6.addr == 240e:45:d000:3008:2a:: && tcp.port == 80

網絡爬蟲應用示例

天氣API接口

接口網址
http://api.k780.com
https://sapi.k780.com    AppKey
77384Sign
5ac63f91d88ad9c5e08f6e513552b3f1

天氣查詢請求示例

https://sapi.k780.com/?app=weather.today&cityNm=臺北&appkey=77384&sign=5ac63f91d88ad9c5e08f6e513552b3f1&format=json

API響應示例

{"success":"1","result":{"weaid":"360","days":"2025-09-04","week":"星期四","cityno":"taibeixian","citynm":"臺北","cityid":"101340101","temperature":"31℃/25℃","temperature_curr":"31℃","humidity":"72%","aqi":"15","weather":"多云轉晴","weather_curr":"陰","weather_icon":"http://api.k780.com/upload/weather/d/2.gif","weather_icon1":"","wind":"無持續風向","winp":"1級","temp_high":"31","temp_low":"25","temp_curr":"31","humi_high":"0","humi_low":"0","weatid":"3","weatid1":"","windid":"0","winpid":"1","weather_iconid":"2"}}

接口說明：
該示例展示了如何通過HTTP GET請求調用天氣API，獲取指定城市的天氣信息。請求中包含必要的認證參數（AppKey和Sign），API返回JSON格式的天氣數據，包括溫度、濕度、天氣狀況等信息。

數據封裝與拆包回顧

數據在傳輸過程中經歷完整的封裝與解封裝過程：

服務器端                          客戶端
應用層                            應用層
傳輸層                            傳輸層
網絡層   [數據拆包]           網絡層   [數據封包]
接口層                            接口層
  • 數據封裝結構：|MAC頭部|IP頭部|TCP/UDP頭部|應用數據|
  • 一幀數據：幀(frame)的最大傳輸單元(MTU)為1500字節

協議頭部關鍵字段

IP頭部：

  • ipflag：D位(能否分片)、M位(是否最后一片)
  • TTL：生命周期計數器

TCP頭部（20字節）：

  • U：緊急數據標志
  • S：SYN標志（同步序列號）
  • F：FIN標志（結束連接）
  • R：RESET標志（重置連接）
  • P：PUSH標志（立即推送）
  • A：ACK標志（確認應答）

UDP頭部（8字節）：

  • 僅包含源端口、目的端口、長度和校驗和

網絡協議分析工具

Wireshark網絡抓包工具

Wireshark是一款強大的網絡協議分析工具，用于網絡調試和協議分析：

  1. 啟動方式：

    sudo wireshark

  2. 基本操作流程：

    • 選擇網絡設備進行監聽
    • 設置過濾條件（如端口、IP地址等）
    • 分析捕獲的數據包

  3. 常用過濾條件示例：

    port 80                # 過濾HTTP流量
ip.addr == 192.168.1.1 # 過濾指定IP的流量
tcp.port == 50000      # 過濾指定端口的TCP流量

該工具能夠直觀展示網絡數據包的層次結構，從物理層到應用層的完整協議棧，是理解和分析網絡通信的重要工具。

HTTP協議詳解

HTTP協議概述

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協議）是Web應用的基礎協議，具有以下特點：

  • B/S架構：瀏覽器/服務器模式
  • 資源定位：通過URL唯一標識互聯網上的資源（網頁、電影、圖片等）
  • 標記語言：HTML（HyperText Markup Language）用于編寫網頁內容

HTTP交互步驟

  1. 建立連接：通過TCP三次握手建立連接
  2. 發送請求：瀏覽器發送HTTP請求報文
  3. 處理響應：等待服務器返回響應報文及數據
  4. 斷開連接：通過TCP四次揮手斷開連接（HTTP/1.0默認行為）

HTTP/1.1引入了持久連接（Keep-Alive）機制，可以在一個TCP連接上發送多個請求，提高了效率。

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