網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)單位計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常是分組交換網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)。在文件、圖像、視頻或電子郵件等數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸之前，它們首先被分成數(shù)據(jù)包。到達(dá)目的地后，數(shù)據(jù)包將被重新組裝以形成原始內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它們包含相關(guān)的地址信息，有助于識(shí)別消息的發(fā)送者和預(yù)定接收者，從而確保消息傳遞而不會(huì)使網(wǎng)絡(luò)過(guò)載。

在internet上，多個(gè)數(shù)據(jù)包可以通過(guò)不同的路徑到達(dá)同一個(gè)目的地，并且彼此獨(dú)立處理。這種方法被稱為包交換技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠同時(shí)處理多個(gè)連接。它還能讓數(shù)十億臺(tái)設(shè)備同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相互交換數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包如何工作以及如何通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包都使用到達(dá)目的地的最佳路由。這意味著，即使是同一消息中的相鄰數(shù)據(jù)包也可能遵循不同的路徑，因?yàn)樽罴崖酚蓵?huì)不斷變化。這使得網(wǎng)絡(luò)流量在平衡各種設(shè)備的負(fù)載方面更加高效。例如，如果一臺(tái)路由器嚴(yán)重?fù)頂D在消息傳輸過(guò)程中，可以將數(shù)據(jù)包重定向到不同的路徑，以確保整個(gè)消息到達(dá)其目的地。然而，這也意味著數(shù)據(jù)包有時(shí)會(huì)無(wú)序到達(dá)，在傳輸中丟失或由于意外重傳而被復(fù)制。

每個(gè)數(shù)據(jù)包都是要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從源發(fā)送到目的地的較大消息的一小部分。它包含某些內(nèi)容，稱為它的有效載荷以及關(guān)于這些內(nèi)容的信息，放在稱為數(shù)據(jù)包標(biāo)題。報(bào)頭放在數(shù)據(jù)包的前面。這使得能夠接收路由器或交換機(jī)要知道包從哪里來(lái)(源)，怎么處理，送到哪里(目的)。因此，在它的旅程中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都要經(jīng)歷包裝,這在它向目的地行進(jìn)時(shí)向它添加信息，并標(biāo)記它的開始和結(jié)束位置。

中間路由器或交換機(jī)將每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，而接收方路由器或交換機(jī)重組所有數(shù)據(jù)包以顯示完整的信息。中間設(shè)備使用分組交換，這是一種彼此獨(dú)立處理分組的方法。這可以防止少數(shù)大型傳輸控制網(wǎng)絡(luò)。它還使多個(gè)設(shè)備能夠在同一網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)相互通信，而不必等待，也不會(huì)遭受通信質(zhì)量或速度的任何惡化。

為什么使用數(shù)據(jù)包？

底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和草案用于規(guī)定可以支持的數(shù)據(jù)包大小和結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，今天的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都運(yùn)行在傳輸控制協(xié)議協(xié)議棧，使連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備能夠通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)相互通信。這是數(shù)據(jù)包進(jìn)來(lái)的地方。

數(shù)據(jù)包用于高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸。代替?zhèn)鬏斠粋€(gè)大文件作為單個(gè)數(shù)據(jù)塊，以更小的數(shù)據(jù)包發(fā)送可以提高傳輸速率，還可以增加消息成功傳遞的可能性。雖然不使用數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)是可能的，但如果不先將數(shù)據(jù)分成更小的數(shù)據(jù)段就發(fā)送數(shù)據(jù)是非常不切實(shí)際和耗時(shí)的。

數(shù)據(jù)包還使多臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠共享同一個(gè)連接。例如，同一臺(tái)服務(wù)器可以同時(shí)向多臺(tái)計(jì)算機(jī)傳輸不同的文件。這種靈活性意味著不同類型的數(shù)據(jù)可以在同一網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸，而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

使用數(shù)據(jù)包還有其他好處:

• 數(shù)據(jù)包使用現(xiàn)有最佳路線為了送貨。這使得它們能夠被路由通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的擁塞部分，而不會(huì)在特定點(diǎn)減慢它們的速度。如果某條路徑不可用或擁塞，重新路由會(huì)增加數(shù)據(jù)包正確到達(dá)目的地的可能性。
• 可以動(dòng)態(tài)選擇不同的路徑，并根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件將數(shù)據(jù)包路由到目的地。這個(gè)過(guò)程被稱為包交換技術(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。
• 如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包，稍后重新傳輸。
• 數(shù)據(jù)包報(bào)頭可以包含使路由器能夠識(shí)別和重傳丟失數(shù)據(jù)包的信息。這促進(jìn)了數(shù)據(jù)完整性并將數(shù)據(jù)丟失的可能性降至最低。
• 為了確保安全傳遞，可以對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密。
• 與其它方法相比，分組交換是一種經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)傳輸方法，例如線路轉(zhuǎn)接。后者需要發(fā)送方和接收方之間的專用通道，這增加了成本。此外，線路可能在傳輸之間保持空閑，導(dǎo)致浪費(fèi)帶寬。由于這些原因，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，分組交換優(yōu)于電路交換。

IPv4中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的組成部分

IPv4是使用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本。它包含了一組使設(shè)備能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)則，每個(gè)連接設(shè)備都分配有一個(gè)唯一的32位標(biāo)識(shí)符，稱為國(guó)際電腦互聯(lián)網(wǎng)地址。當(dāng)數(shù)據(jù)在設(shè)備之間發(fā)送時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包含兩臺(tái)設(shè)備的IP地址。路由器和交換機(jī)使用這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包從源設(shè)備路由到目的設(shè)備。

在IPv4中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在功能上類似于郵政包裹。每個(gè)數(shù)據(jù)包可以包含三個(gè)部分:數(shù)據(jù)包報(bào)頭、有效載荷和報(bào)尾。報(bào)頭類似于信封，有效載荷類似于里面的內(nèi)容，而報(bào)尾相當(dāng)于簽名。

數(shù)據(jù)包標(biāo)題

報(bào)頭是數(shù)據(jù)包的開始或前端部分。它包含與數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)相關(guān)的指令和識(shí)別信息，如數(shù)據(jù)包的起始IP地址、目的IP地址和內(nèi)容。任何處理或接收設(shè)備(如路由器或交換機(jī))都會(huì)首先看到報(bào)頭，這使得它能夠正確地定向數(shù)據(jù)包到達(dá)預(yù)定的目的地。

IPv4協(xié)議報(bào)頭中包含以下字段:

• 版本。該字段指示IP版本(v4)。
• 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)頭長(zhǎng)度。IHL是internet報(bào)頭的長(zhǎng)度，以32位為增量，指向數(shù)據(jù)的開頭。這是一個(gè)4位字段。
• 服務(wù)類型。該8位字段標(biāo)記數(shù)據(jù)包，以指示服務(wù)質(zhì)量渴望。
• 總長(zhǎng)度。這是以八位字節(jié)計(jì)量的數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度，包括互聯(lián)網(wǎng)報(bào)頭和數(shù)據(jù)。這個(gè)16位字段允許數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度達(dá)到65，535個(gè)八位字節(jié)。
• 身份證明。發(fā)送方分配一個(gè)16位標(biāo)識(shí)值來(lái)幫助組裝數(shù)據(jù)報(bào)的片段。
• 旗幟。這些是用于分段的各種控制標(biāo)志。標(biāo)志的第一位總是設(shè)置為0。
• 碎片偏移量。該13位字段指示該片段屬于數(shù)據(jù)報(bào)中的何處。碎片偏移量以八個(gè)二進(jìn)制八位數(shù)或64位為單位進(jìn)行測(cè)量。第一個(gè)片段的偏移量為零。
• 生存時(shí)間。這晶體管-晶體管邏輯。該字段指示IP數(shù)據(jù)包在被丟棄之前允許保留在網(wǎng)絡(luò)中的最長(zhǎng)時(shí)間。需要它來(lái)防止數(shù)據(jù)包永遠(yuǎn)循環(huán)。數(shù)據(jù)包每通過(guò)一個(gè)路由器，TTL字段就減一。一旦該字段包含值0，數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄。
• 協(xié)議。該8位字段指示數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分中使用的下一層協(xié)議。
• 報(bào)頭校驗(yàn)和。 A 校驗(yàn)和接收器使用它來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)包報(bào)頭中的任何損壞或錯(cuò)誤。這是一個(gè)16位的字段。
• 源地址。這是32位源IP地址。
• 目的地地址。這是32位目的IP地址。
• 選項(xiàng)。這個(gè)字段是可選的，它的長(zhǎng)度是可變的。源路由選項(xiàng)就是一個(gè)例子，其中發(fā)送者請(qǐng)求某個(gè)路由路徑。如果某個(gè)選項(xiàng)的長(zhǎng)度不是32位，它會(huì)在剩余的位中使用填充選項(xiàng)，使報(bào)頭成為整數(shù)個(gè)4字節(jié)的塊。

有效載荷

IP數(shù)據(jù)包有效負(fù)載是數(shù)據(jù)包傳送到目的地的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以是電子郵件、網(wǎng)頁(yè)、視頻或其他形式的數(shù)字媒體的內(nèi)容。接收設(shè)備根據(jù)使用的協(xié)議。有效載荷用0位填充，以確保數(shù)據(jù)包在32位邊界結(jié)束。這確保了網(wǎng)絡(luò)硬件對(duì)數(shù)據(jù)包的高效處理。

拖車

有時(shí)，某些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還會(huì)在數(shù)據(jù)包上附加一個(gè)結(jié)尾部分或尾部。IP數(shù)據(jù)包不包含報(bào)尾，但是以太網(wǎng)幀則不然，要么表示包的結(jié)束，要么執(zhí)行糾錯(cuò)。

IPv6中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包

IPv6是IPv4的較新版本。當(dāng)IPv4在20世紀(jì)80年代初開發(fā)出來(lái)時(shí)，很難想象世界會(huì)完全耗盡它的430萬(wàn)個(gè)地址。其后繼者IPv6的工作始于1994年，但直到最近才開始普及。IPv6是IPv4的更簡(jiǎn)化版本，通過(guò)消除很少使用或不必要的字段，為實(shí)時(shí)流量提供了更好的支持。這兩者并存，因?yàn)镮Pv4仍然被用來(lái)路由今天的互聯(lián)網(wǎng)流量。截至2025年1月，谷歌報(bào)告稱，其流量的42.75%通過(guò)IPv6連接發(fā)生。

數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)IPv6和IPv4有所不同。值得注意的是，IPv6數(shù)據(jù)包報(bào)頭包含更多字段，因?yàn)镮Pv6地址比IPv4地址大四倍。IPv6數(shù)據(jù)包中的報(bào)頭字段如下:

• 版本。該4位字段指示IP版本(IPv6)。比特序列是0110。
• 交通類。該字段指示數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，以便路由器正確處理它。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，優(yōu)先級(jí)最低的數(shù)據(jù)包將被丟棄，以防止目的地被過(guò)量的數(shù)據(jù)淹沒(méi)。流量類別是一個(gè)8位字段，0至7位分配給擁塞控制流量。
• 流動(dòng)標(biāo)簽。源設(shè)備使用20位流標(biāo)簽來(lái)控制數(shù)據(jù)包流，并請(qǐng)求中間設(shè)備進(jìn)行特殊處理IPv6路由器。通過(guò)用非零值標(biāo)記數(shù)據(jù)包來(lái)控制流量。
• 有效負(fù)載長(zhǎng)度。該16位字段指示有效載荷大小，即特定包的有效載荷中包含的信息量.
• 下一個(gè)標(biāo)題。這定義了緊跟在IPv6報(bào)頭之后的擴(kuò)展報(bào)頭。該字段包含8位。
• 跳躍極限。 該字段與IPv4中的TTL相同，指示有多少個(gè)中間路由器數(shù)據(jù)包在被丟棄之前會(huì)被允許傳輸。
• 源地址。與IPv4一樣，該字段表示數(shù)據(jù)包來(lái)源的128位IP地址。
• 目的地地址。這表示數(shù)據(jù)包的目的地。在IPv6中，源地址和目的地址字段的長(zhǎng)度都是128位。

除了報(bào)頭之外，IPv6分組還可以包含認(rèn)證報(bào)頭(AH)和封裝安全有效載荷(ESP)。AH -在IPv6中引入，因此在IPv4中不存在-為IP數(shù)據(jù)報(bào)提供數(shù)據(jù)源驗(yàn)證。它還計(jì)算有效負(fù)載的完整性檢查值，以防止重放攻擊。ESH對(duì)IPv6數(shù)據(jù)包的有效載荷進(jìn)行加密，以增加其機(jī)密性并確保其私密性。

什么是丟包？

顧名思義，數(shù)據(jù)包丟失指數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中丟失，并且從未到達(dá)其預(yù)期目的地的情況。數(shù)據(jù)包丟失表示為丟失的數(shù)據(jù)包占發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)的百分比。

分組丟失可以導(dǎo)致性能問(wèn)題在數(shù)字通信中。例如，用戶可能會(huì)失去網(wǎng)絡(luò)連接或服務(wù)速度慢，或者他們可能接收不完整的數(shù)據(jù)，如無(wú)法理解的文本、跳過(guò)的視頻或丟失的圖像。這些問(wèn)題會(huì)影響用戶體驗(yàn)，擾亂依賴互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。在某些情況下，數(shù)據(jù)包丟失可能會(huì)產(chǎn)生后門，威脅參與者可以利用這些后門未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)并竊取敏感或關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包丟失有多種原因:

• 網(wǎng)絡(luò)擁塞。
• 數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。
• 使用過(guò)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)硬件。
• 出現(xiàn)故障或有問(wèn)題的軟件。
• 拒絕服務(wù)(磁盤操作系統(tǒng))攻擊。

最大限度減少數(shù)據(jù)包丟失的一種方法是增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，尤其是在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)。簡(jiǎn)化交通流量的技術(shù)，例如深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)，也可以減少擁堵。更新硬件和軟件以及使用有線連接代替無(wú)線連接也可以減少數(shù)據(jù)包丟失的情況。

分組交換與電路交換

在電信領(lǐng)域，電路交換和分組交換都是互連通信設(shè)備的常用方法。然而，它們實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方式不同。分組交換用于將數(shù)據(jù)分組，以便通過(guò)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸。這是一種有效的方式來(lái)處理傳輸無(wú)連接傳輸模式網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)。

另一方面，電路交換傳輸用于語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)。在電路交換中，與分組交換一樣，網(wǎng)絡(luò)中的線路由許多用戶共享。但是，在連接期間，每個(gè)連接都需要一條專用路徑。

下面重點(diǎn)介紹了這兩種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

包交換技術(shù)

• 它是一種無(wú)連接服務(wù)，不需要發(fā)送方和接收方之間的專用路徑。
• 由于沒(méi)有專用連接，分組交換不能用于要求很少延遲的應(yīng)用更高的服務(wù)質(zhì)量，如語(yǔ)音。
• 每個(gè)數(shù)據(jù)包都攜帶相關(guān)信息，如源、目的地和協(xié)議標(biāo)識(shí)符，這些信息有助于數(shù)據(jù)包選擇到達(dá)目的地的最佳可用路徑，從而最大限度地提高傳遞的可能性。
• 在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，將數(shù)據(jù)分組為分組能夠?qū)崿F(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的互操作性。例如，包交換網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))中的主機(jī)可以發(fā)送穿過(guò)其局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)，而不知道目的地的任何信息局域網(wǎng)或其局域網(wǎng)和目的局域網(wǎng)之間的任何設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。
• 雖然分組交換網(wǎng)絡(luò)不能保證可靠的傳輸，但它們確實(shí)能最大限度地降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榻邮赵O(shè)備可以在檢測(cè)到丟失的分組時(shí)請(qǐng)求它，然后始發(fā)設(shè)備可以重新發(fā)送它。
• 不需要提前預(yù)留帶寬，也不需要建立呼叫。
• 分組交換中使用的協(xié)議很復(fù)雜。
• 如果強(qiáng)有力的安全措施，如加密、防火墻、認(rèn)證(設(shè)備和用戶)和訪問(wèn)控制列表，則連接可能是不安全的，從而使分組暴露于截取、訪問(wèn)甚至篡改的風(fēng)險(xiǎn)中。還可能出現(xiàn)其他問(wèn)題，例如中間人攻擊、DoS攻擊和數(shù)據(jù)泄露。

電路交換

• 它會(huì)預(yù)先保留整個(gè)帶寬，因此數(shù)據(jù)傳輸需要建立連接。
• 保留的帶寬提高了連接的質(zhì)量網(wǎng)路性能因?yàn)闇p少了擁擠。
• 在數(shù)據(jù)可以在源和目的地之間傳輸之前，它需要一條專用的路徑，這使得它適合于長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的通信應(yīng)用，例如語(yǔ)音。
• 同時(shí)，電路交換的專用性質(zhì)使得即使在信道空閑時(shí)也不可能傳輸其它數(shù)據(jù)。例如，即使沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，鏈接仍然保持，直到被用戶終止。
• 結(jié)果，帶寬被浪費(fèi)了，因?yàn)樵趽砣陂g，其他發(fā)送者不能使用相同的路徑。
• 電路交換是完全透明的；發(fā)送方和接收方可以使用任何比特率格式或成幀方法。
• 它不如分組交換可靠，因?yàn)樗鼪](méi)有辦法重新發(fā)送丟失的分組。