什么是网络数据包？

网络数据包是通过网络传输的基本数据单位计算机网络通常是分组交换网络，如因特网。在文件、图像、视频或电子邮件等数据通过网络传输之前，它们首先被分成数据包。到达目的地后，数据包将被重新组装以形成原始内容。为了实现这一点，它们包含相关的地址信息，有助于识别消息的发送者和预定接收者，从而确保消息传递而不会使网络过载。

在internet上，多个数据包可以通过不同的路径到达同一个目的地，并且彼此独立处理。这种方法被称为包交换技术，使网络设备能够同时处理多个连接。它还能让数十亿台设备同时通过互联网相互交换数据。

网络数据包如何工作以及如何通过互联网发送

每个网络数据包都使用到达目的地的最佳路由。这意味着，即使是同一消息中的相邻数据包也可能遵循不同的路径，因为最佳路由会不断变化。这使得网络流量在平衡各种设备的负载方面更加高效。例如，如果一台路由器严重拥挤在消息传输过程中，可以将数据包重定向到不同的路径，以确保整个消息到达其目的地。然而，这也意味着数据包有时会无序到达，在传输中丢失或由于意外重传而被复制。

每个数据包都是要通过互联网从源发送到目的地的较大消息的一小部分。它包含某些内容，称为它的有效载荷以及关于这些内容的信息，放在称为数据包标题。报头放在数据包的前面。这使得能够接收路由器或交换机要知道包从哪里来(源)，怎么处理，送到哪里(目的)。因此，在它的旅程中，每个数据包都要经历包装,这在它向目的地行进时向它添加信息，并标记它的开始和结束位置。

中间路由器或交换机将每个数据包发送到目的地，而接收方路由器或交换机重组所有数据包以显示完整的信息。中间设备使用分组交换，这是一种彼此独立处理分组的方法。这可以防止少数大型传输控制网络。它还使多个设备能够在同一网络上同时相互通信，而不必等待，也不会遭受通信质量或速度的任何恶化。

为什么使用数据包？

底层网络结构和草案用于规定可以支持的数据包大小和结构。一般来说，今天的大多数网络都运行在传输控制协议协议栈，使连接到互联网的设备能够通过不同的网络相互通信。这是数据包进来的地方。

数据包用于高效可靠的数据传输。代替传输一个大文件作为单个数据块，以更小的数据包发送可以提高传输速率，还可以增加消息成功传递的可能性。虽然不使用数据包传输数据是可能的，但如果不先将数据分成更小的数据段就发送数据是非常不切实际和耗时的。

数据包还使多台计算机能够共享同一个连接。例如，同一台服务器可以同时向多台计算机传输不同的文件。这种灵活性意味着不同类型的数据可以在同一网络上同时传输，而不会丢失数据。

使用数据包还有其他好处:

• 数据包使用现有最佳路线为了送货。这使得它们能够被路由通过网络的拥塞部分，而不会在特定点减慢它们的速度。如果某条路径不可用或拥塞，重新路由会增加数据包正确到达目的地的可能性。
• 可以动态选择不同的路径，并根据当前的网络条件将数据包路由到目的地。这个过程被称为包交换技术，减少网络拥塞，提高网络可靠性。
• 如果出现错误，可以存储数据包，稍后重新传输。
• 数据包报头可以包含使路由器能够识别和重传丢失数据包的信息。这促进了数据完整性并将数据丢失的可能性降至最低。
• 为了确保安全传递，可以对数据包进行加密。
• 与其它方法相比，分组交换是一种经济高效的数据传输方法，例如线路转接。后者需要发送方和接收方之间的专用通道，这增加了成本。此外，线路可能在传输之间保持空闲，导致浪费带宽。由于这些原因，在传输数据时，分组交换优于电路交换。

IPv4中网络数据包的组成部分

IPv4是使用最广泛的互联网协议版本。它包含了一组使设备能够连接到互联网的规则，每个连接设备都分配有一个唯一的32位标识符，称为国际电脑互联网地址。当数据在设备之间发送时，网络数据包包含两台设备的IP地址。路由器和交换机使用这些信息通过网络将数据包从源设备路由到目的设备。

在IPv4中，网络数据包在功能上类似于邮政包裹。每个数据包可以包含三个部分:数据包报头、有效载荷和报尾。报头类似于信封，有效载荷类似于里面的内容，而报尾相当于签名。

数据包标题

报头是数据包的开始或前端部分。它包含与数据包中的数据相关的指令和识别信息，如数据包的起始IP地址、目的IP地址和内容。任何处理或接收设备(如路由器或交换机)都会首先看到报头，这使得它能够正确地定向数据包到达预定的目的地。

IPv4协议报头中包含以下字段:

• 版本。该字段指示IP版本(v4)。
• 互联网报头长度。IHL是internet报头的长度，以32位为增量，指向数据的开头。这是一个4位字段。
• 服务类型。该8位字段标记数据包，以指示服务质量渴望。
• 总长度。这是以八位字节计量的数据报长度，包括互联网报头和数据。这个16位字段允许数据报的长度达到65，535个八位字节。
• 身份证明。发送方分配一个16位标识值来帮助组装数据报的片段。
• 旗帜。这些是用于分段的各种控制标志。标志的第一位总是设置为0。
• 碎片偏移量。该13位字段指示该片段属于数据报中的何处。碎片偏移量以八个二进制八位数或64位为单位进行测量。第一个片段的偏移量为零。
• 生存时间。这晶体管-晶体管逻辑。该字段指示IP数据包在被丢弃之前允许保留在网络中的最长时间。需要它来防止数据包永远循环。数据包每通过一个路由器，TTL字段就减一。一旦该字段包含值0，数据包就会被丢弃。
• 协议。该8位字段指示数据包数据部分中使用的下一层协议。
• 报头校验和。 A 校验和接收器使用它来检测数据包报头中的任何损坏或错误。这是一个16位的字段。
• 源地址。这是32位源IP地址。
• 目的地地址。这是32位目的IP地址。
• 选项。这个字段是可选的，它的长度是可变的。源路由选项就是一个例子，其中发送者请求某个路由路径。如果某个选项的长度不是32位，它会在剩余的位中使用填充选项，使报头成为整数个4字节的块。

有效载荷

IP数据包有效负载是数据包传送到目的地的数据。该数据可以是电子邮件、网页、视频或其他形式的数字媒体的内容。接收设备根据使用的协议。有效载荷用0位填充，以确保数据包在32位边界结束。这确保了网络硬件对数据包的高效处理。

拖车

有时，某些网络协议还会在数据包上附加一个结尾部分或尾部。IP数据包不包含报尾，但是以太网帧则不然，要么表示包的结束，要么执行纠错。

IPv6中的网络数据包

IPv6是IPv4的较新版本。当IPv4在20世纪80年代初开发出来时，很难想象世界会完全耗尽它的430万个地址。其后继者IPv6的工作始于1994年，但直到最近才开始普及。IPv6是IPv4的更简化版本，通过消除很少使用或不必要的字段，为实时流量提供了更好的支持。这两者并存，因为IPv4仍然被用来路由今天的互联网流量。截至2025年1月，谷歌报告称，其流量的42.75%通过IPv6连接发生。

数据包的结构IPv6和IPv4有所不同。值得注意的是，IPv6数据包报头包含更多字段，因为IPv6地址比IPv4地址大四倍。IPv6数据包中的报头字段如下:

• 版本。该4位字段指示IP版本(IPv6)。比特序列是0110。
• 交通类。该字段指示数据包优先级，以便路由器正确处理它。如果出现网络拥塞，优先级最低的数据包将被丢弃，以防止目的地被过量的数据淹没。流量类别是一个8位字段，0至7位分配给拥塞控制流量。
• 流动标签。源设备使用20位流标签来控制数据包流，并请求中间设备进行特殊处理IPv6路由器。通过用非零值标记数据包来控制流量。
• 有效负载长度。该16位字段指示有效载荷大小，即特定包的有效载荷中包含的信息量.
• 下一个标题。这定义了紧跟在IPv6报头之后的扩展报头。该字段包含8位。
• 跳跃极限。 该字段与IPv4中的TTL相同，指示有多少个中间路由器数据包在被丢弃之前会被允许传输。
• 源地址。与IPv4一样，该字段表示数据包来源的128位IP地址。
• 目的地地址。这表示数据包的目的地。在IPv6中，源地址和目的地址字段的长度都是128位。

除了报头之外，IPv6分组还可以包含认证报头(AH)和封装安全有效载荷(ESP)。AH -在IPv6中引入，因此在IPv4中不存在-为IP数据报提供数据源验证。它还计算有效负载的完整性检查值，以防止重放攻击。ESH对IPv6数据包的有效载荷进行加密，以增加其机密性并确保其私密性。

什么是丢包？

顾名思义，数据包丢失指数据包在网络中丢失，并且从未到达其预期目的地的情况。数据包丢失表示为丢失的数据包占发送的数据包总数的百分比。

分组丢失可以导致性能问题在数字通信中。例如，用户可能会失去网络连接或服务速度慢，或者他们可能接收不完整的数据，如无法理解的文本、跳过的视频或丢失的图像。这些问题会影响用户体验，扰乱依赖互联网的业务运营。在某些情况下，数据包丢失可能会产生后门，威胁参与者可以利用这些后门未经授权访问网络并窃取敏感或关键任务数据。

数据包丢失有多种原因:

• 网络拥塞。
• 数据传输错误。
• 使用过时的网络硬件。
• 出现故障或有问题的软件。
• 拒绝服务(磁盘操作系统)攻击。

最大限度减少数据包丢失的一种方法是增加网络带宽，尤其是在网络拥塞时。简化交通流量的技术，例如深度数据包检测，也可以减少拥堵。更新硬件和软件以及使用有线连接代替无线连接也可以减少数据包丢失的情况。

分组交换与电路交换

在电信领域，电路交换和分组交换都是互连通信设备的常用方法。然而，它们实现这一点的方式不同。分组交换用于将数据分组，以便通过数字网络传输。这是一种有效的方式来处理传输无连接传输模式网络，如互联网。

另一方面，电路交换传输用于语音网络。在电路交换中，与分组交换一样，网络中的线路由许多用户共享。但是，在连接期间，每个连接都需要一条专用路径。

下面重点介绍了这两种技术的主要优点和缺点。

包交换技术

• 它是一种无连接服务，不需要发送方和接收方之间的专用路径。
• 由于没有专用连接，分组交换不能用于要求很少延迟的应用更高的服务质量，如语音。
• 每个数据包都携带相关信息，如源、目的地和协议标识符，这些信息有助于数据包选择到达目的地的最佳可用路径，从而最大限度地提高传递的可能性。
• 在分组交换网络中，将数据分组为分组能够实现不同网络和设备之间的互操作性。例如，包交换网络(如以太网)中的主机可以发送穿过其局域网的数据，而不知道目的地的任何信息局域网或其局域网和目的局域网之间的任何设备或网络。
• 虽然分组交换网络不能保证可靠的传输，但它们确实能最大限度地降低数据丢失的风险，因为接收设备可以在检测到丢失的分组时请求它，然后始发设备可以重新发送它。
• 不需要提前预留带宽，也不需要建立呼叫。
• 分组交换中使用的协议很复杂。
• 如果强有力的安全措施，如加密、防火墙、认证(设备和用户)和访问控制列表，则连接可能是不安全的，从而使分组暴露于截取、访问甚至篡改的风险中。还可能出现其他问题，例如中间人攻击、DoS攻击和数据泄露。

电路交换

• 它会预先保留整个带宽，因此数据传输需要建立连接。
• 保留的带宽提高了连接的质量网路性能因为减少了拥挤。
• 在数据可以在源和目的地之间传输之前，它需要一条专用的路径，这使得它适合于长时间和连续的通信应用，例如语音。
• 同时，电路交换的专用性质使得即使在信道空闲时也不可能传输其它数据。例如，即使没有数据传输，链接仍然保持，直到被用户终止。
• 结果，带宽被浪费了，因为在拥塞期间，其他发送者不能使用相同的路径。
• 电路交换是完全透明的；发送方和接收方可以使用任何比特率格式或成帧方法。
• 它不如分组交换可靠，因为它没有办法重新发送丢失的分组。