Netzwerkpaket

In der Telekommunikation und in Computernetzwerken ist ein Netzwerkpaket eine formatierte Dateneinheit, die über ein paketvermitteltes Netzwerk übertragen wird . Ein Paket besteht aus Steuerinformationen und Nutzdaten; ^{[ 1 ]} letztere werden auch als Payload bezeichnet . Die Steuerinformationen liefern Daten für die Übermittlung der Payload (z. B. Quell- und Zielnetzwerkadressen , Fehlercodes oder Sequenzinformationen). Typischerweise befinden sich die Steuerinformationen in den Paketkopfzeilen und -trailern .

Bei der Paketvermittlung wird die Bandbreite des Übertragungsmediums zwischen mehreren Kommunikationssitzungen geteilt, im Gegensatz zur Leitungsvermittlung , bei der die Leitungen für die Dauer einer Sitzung vorab zugewiesen werden und die Daten typischerweise als kontinuierlicher Bitstrom übertragen werden .

Im siebenschichtigen OSI -Modell der Rechnernetze bezeichnet ein Paket streng genommen eine Protokolldateneinheit der Vermittlungsschicht (Schicht 3) . ^{[ 2 ]} Eine Dateneinheit der Sicherungsschicht (Schicht 2) ist ein Frame . In der Transportschicht (Schicht 4) sind die Dateneinheiten Segmente und Datagramme . Im Beispiel der TCP/IP-Kommunikation über Ethernet wird ein TCP-Segment in einem oder mehreren IP-Paketen transportiert , die wiederum jeweils in einem oder mehreren Ethernet-Frames enthalten sind .

Das Konzept des Pakets basiert auf dem Postbrief: Der Kopfbereich entspricht dem Umschlag, die Nutzlast dem gesamten Inhalt des Umschlags und der Fußbereich der Unterschrift am unteren Rand. ^{[ 3 ]}

Durch die Verwendung von Paketen lassen sich beim Netzwerkdesign zwei wichtige Ergebnisse erzielen: Fehlererkennung und Adressierung mehrerer Hosts . ^{[ 4 ]}

Kommunikationsprotokolle verwenden verschiedene Konventionen zur Unterscheidung der Elemente eines Pakets und zur Formatierung der Benutzerdaten. Beispielsweise wird beim Point-to-Point-Protokoll das Paket in 8-Bit-Bytes formatiert, und Sonderzeichen dienen zur Abgrenzung der Elemente. Andere Protokolle, wie Ethernet, legen den Beginn des Headers und der Datenelemente anhand ihrer Position relativ zum Paketanfang fest. Einige Protokolle formatieren die Informationen auf Bit- statt auf Byte -Ebene. ^{[ 5 ]}

Ein Paket kann folgende Komponenten enthalten:

Adressen

Für das Routing von Netzwerkpaketen werden zwei Netzwerkadressen benötigt : die Quelladresse des sendenden Hosts und die Zieladresse des empfangenden Hosts. ^{[ 6 ]}

Fehlererkennung und -korrektur

Fehlererkennung und -korrektur erfolgen auf verschiedenen Schichten des Protokollstapels . Netzwerkpakete können Prüfsummen , Paritätsbits oder zyklische Redundanzprüfungen enthalten , um Fehler zu erkennen, die während der Übertragung auftreten. ^{[ 6 ]}

Beim Sender wird die Berechnung vor dem Versand des Pakets durchgeführt. Beim Empfang am Zielort wird die Prüfsumme neu berechnet und mit der im Paket enthaltenen verglichen. Werden Abweichungen festgestellt, kann das Paket korrigiert oder verworfen werden. Paketverluste aufgrund solcher Verwerfungen werden vom Netzwerkprotokoll behandelt.

In einigen Fällen können während des Routings Änderungen am Netzwerkpaket erforderlich sein, wobei in diesen Fällen die Prüfsummen neu berechnet werden.

Hop-Limit

Unter Fehlerbedingungen können Pakete in einem geschlossenen Netzwerk zirkulieren . Ohne Gegenmaßnahmen würde sich die Anzahl der zirkulierenden Pakete so lange erhöhen, bis das Netzwerk überlastet ist und ausfällt. Die Lebensdauer (Time-to-Live, TTL) verringert sich bei jedem Netzwerk-Hop um eins . Erreicht TTL den Wert Null, ist das Routing fehlgeschlagen und das Paket wird verworfen. ^{[ 6 ]}

Ethernet-Pakete besitzen kein Time-to-Live-Feld und sind daher bei Vorhandensein einer Switching-Loop Broadcast-Stürmen ausgesetzt .

Länge

Es kann ein Feld zur Angabe der Gesamtpaketlänge geben. In manchen Netzwerktypen ergibt sich die Länge jedoch aus der Übertragungsdauer. ^{[ 6 ]}

Protokollkennung

Es ist oft wünschenswert, mehrere Kommunikationsprotokolle in einem Netzwerk zu verwenden. Ein Protokollidentifikatorfeld legt das Protokoll eines Pakets fest und ermöglicht es dem Protokollstapel, viele verschiedene Pakettypen zu verarbeiten.

Priorität

Einige Netzwerke implementieren Quality of Service (QoS) , wodurch bestimmte Pakettypen gegenüber anderen priorisiert werden können. Dieses Feld gibt an, welche Paketwarteschlange verwendet werden soll; eine Warteschlange mit hoher Priorität wird an Stellen im Netzwerk, an denen Überlastung auftritt, schneller geleert als Warteschlangen mit niedrigerer Priorität. ^{[ 6 ]}

Nutzlast

Im Allgemeinen bezeichnet die Nutzlast die Daten, die im Auftrag einer Anwendung übertragen werden. Ihre Länge ist üblicherweise variabel, bis zu einem Maximum, das durch das Netzwerkprotokoll und manchmal auch durch die Geräte entlang der Route festgelegt wird. Bei Bedarf können einige Netzwerke ein größeres Paket in kleinere Pakete aufteilen. ^{[ 6 ]}

IP-Pakete bestehen aus einem Header und einer Nutzlast. Der Header enthält feste und optionale Felder. Die Nutzlast folgt direkt im Anschluss an den Header. Ein IP-Paket hat keinen Trailer. Häufig wird ein IP-Paket jedoch als Nutzlast in einem Ethernet-Frame übertragen, der selbst einen Header und einen Trailer besitzt.

Gemäß dem Ende-zu-Ende-Prinzip bieten IP-Netzwerke keine Garantie für die Zustellung, die Vermeidung von Duplikaten oder die korrekte Reihenfolge der Pakete. Es ist jedoch üblich, ein zuverlässiges Transportprotokoll wie das Transmission Control Protocol (TCP) über den Paketdienst zu legen, um diesen Schutz zu gewährleisten.

Der Pakettelemetriestandard des Consultative Committee for Space Data Systems ( CCSDS ) definiert das Protokoll für die Übertragung von Instrumentendaten von Raumfahrzeugen über den Tiefraumkanal. Gemäß diesem Standard werden Bilder oder andere Daten, die von einem Raumfahrzeuginstrument gesendet werden, mithilfe eines oder mehrerer Pakete übertragen.

Der paketierte Elementarstrom (PES) ist eine Spezifikation des MPEG-2- Standards, die es ermöglicht, einen Elementarstrom in Pakete zu unterteilen. Die Paketierung erfolgt durch Einkapselung sequenzieller Datenbytes des Elementarstroms in PES-Paketheader.

Eine gängige Methode zur Übertragung von Elementardatenströmen eines Video- oder Audio-Encoders besteht darin, zunächst PES-Pakete aus den Elementardatenströmen zu erstellen und diese anschließend in MPEG-Transportstrom- (TS-) oder MPEG-Programmstrom- (PS-) Pakete einzukapseln. Die TS-Pakete können dann mithilfe von Rundfunkverfahren, wie sie beispielsweise bei ATSC und DVB verwendet werden, übertragen werden .

Um Monokompatibilität zu gewährleisten , wird das NICAM- Signal auf einem Hilfsträger zusammen mit dem Tonträger übertragen . Dadurch bleibt der reguläre FM- oder AM- Mono -Tonträger für den Empfang durch Mono-Empfänger unverändert. Das NICAM-Paket (mit Ausnahme des Headers) wird vor der Übertragung mit einem 9-Bit-Pseudozufallsgenerator verschlüsselt. Es ist wichtig, dass der NICAM-Bitstrom eher weißem Rauschen ähnelt , da dies die Signalstörungen auf benachbarten Fernsehkanälen reduziert.