Netzwerk

Grundlagen von Paketen und Routing

Pakete tragen Daten mit Quell- und Zielinformationen durch mehrere Netzwerke; Verschlüsselung schützt Inhalte, lässt aber nicht alle Routing-Metadaten verschwinden.

Bei Internetkommunikation werden Texte, Bilder, Videos, Dateien und andere Daten nicht als ein einziger riesiger Block gesendet.

Tatsächlich werden Daten in Einheiten aufgeteilt, die ein Netzwerk verarbeiten kann, und mit Zielinformationen und anderen Angaben versehen.

Diese kleinen Einheiten, die über das Netzwerk transportiert werden, nennt man allgemein Pakete.

Wenn man Pakete versteht, kann man leichter überlegen, wie Daten durch Netzwerke wandern, was Router beim Weiterleiten betrachten und welche Informationen auf dem Kommunikationsweg verarbeitet werden.

Was ist ein Paket?

Ein Paket ist eine Dateneinheit, die über ein Netzwerk gesendet und empfangen wird.

Beim Ansehen von Websites, Senden von Bildern, Schauen von Videos oder Senden von Nachrichten werden Kommunikationsdaten in Einheiten aufgeteilt, die das Netzwerk gut verarbeiten kann. Jede Einheit erhält Steuerinformationen wie Zielangaben und wird dann gesendet.

Streng genommen unterscheidet sich die Bezeichnung je nach Kommunikationsschicht. Auf der IP-Schicht spricht man zum Beispiel von IP-Paketen, auf der TCP-Schicht von Segmenten und auf der Sicherungsschicht von Frames.

Dieser Artikel geht jedoch nicht tief in diese schichtabhängigen Namen hinein und verwendet "Paket" breit für Kommunikationseinheiten, die im Netzwerk aufgeteilt und transportiert werden.

Bezeichnung	Hauptsächlich verwendete Schicht	Bedeutung
Paket	IP-Schicht / Netzwerkschicht	Einheit mit Ziel-IP-Adresse und Ähnlichem, die über das Netzwerk transportiert wird
Segment	TCP-Schicht	Dateneinheit, die TCP behandelt
Datagramm	Kontext von UDP oder IP	Daten, die als eigenständige Zustelleinheit behandelt werden
Frame	Sicherungsschicht	Einheit, die in einem Netzwerkabschnitt zwischen Geräten wandert

Wichtig ist: Kommunikationsdaten werden nicht nur als "Inhalt" gesendet, sondern zusammen mit Informationen verarbeitet, die für die Zustellung nötig sind.

Warum werden Daten in kleine Teile aufgeteilt?

Große Daten werden in kleine Teile aufgeteilt, damit das Netzwerk insgesamt große Mengen Kommunikation effizient behandeln kann.

Wenn große Dateien oder Videodaten als ein einziger riesiger Block gesendet würden, könnte diese Kommunikation Leitungen und Geräte lange blockieren. Andere Kommunikation müsste warten, und die Effizienz des gesamten Netzwerks würde sinken.

Bei paketweiser Übertragung können Kommunikationen vieler Nutzender und Anwendungen fein abwechselnd verarbeitet werden.

Verfahren	Eigenschaft	Handhabbarkeit im Netzwerk
Große Daten unverändert senden	Eine Kommunikation fließt in großer Einheit	Andere Kommunikation lässt sich schwer dazwischen verarbeiten; Effizienz sinkt leicht
In kleine Pakete aufteilen	Kommunikation wird in kleine Einheiten geteilt	Viele Kommunikationen lassen sich parallel verarbeiten

Dadurch können Webansicht, Video, Chat und Dateiversand im selben Netzwerk gleichzeitig funktionieren.

Paketisierung ist ein Grundmechanismus, mit dem das Internet viele Kommunikationen gleichzeitig verarbeitet.

Pakete enthalten Zielinformationen

Damit ein Paket über das Netzwerk wandern kann, braucht es Informationen darüber, wohin es geliefert werden soll.

Bei IP-Kommunikation gehören Quell-IP-Adresse und Ziel-IP-Adresse zu den typischen Informationen.

Die Quell-IP-Adresse zeigt, woher die Kommunikation gesendet wurde. Die Ziel-IP-Adresse zeigt, wohin sie geliefert werden soll.

Information	Rolle
Quell-IP-Adresse	Zeigt den Ursprung des Pakets
Ziel-IP-Adresse	Zeigt das Zustellziel des Pakets
Datenbereich	Enthält einen Teil des eigentlich zu sendenden Inhalts
Steuerinformationen	Enthalten Hilfsinformationen, die für die Kommunikationsverarbeitung nötig sind

Hier behandeln wir nicht die detaillierte Struktur eines IP-Headers.

Wichtig ist: Ein Paket enthält nicht nur einen Teil der zu sendenden Daten, sondern auch Informationen, um es im Netzwerk zuzustellen.

Was tun Router?

Ein typisches Gerät zum Weiterleiten von Paketen ist der Router.

Ein Router prüft Zielinformationen des empfangenen Pakets und entscheidet, wohin er dieses Paket als Nächstes senden soll.

Diesen Entscheidungs- und Weiterleitungsmechanismus nennt man allgemein Routing.

Genauer gesagt betrachtet ein Router die Ziel-IP-Adresse, vergleicht sie mit seinen Routeninformationen und bestimmt den nächsten Weiterleitungsort. Dieser "nächste Weiterleitungsort" ist nicht unbedingt das endgültige Ziel. Häufig wird an den nächsten Router oder das nächste Netzwerk übergeben.

Element	Rolle
Paket	Kommunikationseinheit, die über das Netzwerk wandert
Ziel-IP-Adresse	Information, wohin das Paket geliefert werden soll
Router	Gerät, das anhand von Zielinformationen den nächsten Weiterleitungsort bestimmt
Routing	Verarbeitung, die anhand von Routeninformationen die Richtung eines Pakets bestimmt

Router leiten Pakete grundsätzlich nicht weiter, indem sie die Bedeutung des Datenbereichs verstehen.

Sie lesen zum Beispiel nicht den Text einer Webseite oder die Bedeutung eines Bildes, sondern leiten vor allem anhand von Ziel- und Routeninformationen weiter.

Pakete erreichen ihr Ziel über mehrere Netzwerke

Das Internet ist kein einzelnes riesiges Netzwerk.

Es besteht aus vielen verbundenen Netzwerken, etwa Heimnetzwerken, Unternehmensnetzwerken, Netzen von Kommunikationsanbietern und Rechenzentrumsnetzen.

Pakete laufen zwischen Quelle und Ziel über mehrere Router und Netzwerke.

Dabei verwaltet nicht jeder Router den gesamten Weg bis zum endgültigen Ziel im Detail. Grundsätzlich entscheidet er anhand seiner eigenen Routeninformationen, wohin er als Nächstes weitergibt.

Pakete nähern sich dem Ziel also, indem sie an mehreren Punkten im Netzwerk weitergeleitet werden.

Routen sind nicht immer vollständig identisch

Auch beim Zugriff auf dieselbe Website ist die Kommunikationsroute nicht immer vollständig identisch.

Innerhalb desselben Kommunikationsflusses wird oft eine ähnliche Route verwendet, doch je nach Zustand des Netzwerks kann sich die Route ändern.

Mögliche Faktoren sind:

Faktor	Inhalt
Netzwerkstörung	Ein Teil von Leitungen oder Geräten fällt aus, und es wird auf eine andere Route gewechselt
Überlastung	Durch Lastverteilung oder Routensteuerung kann eine andere Route genutzt werden
Konfigurationsänderung	Einstellungen von Kommunikationsanbietern oder Administratoren ändern die Route
Veränderung von Verbindungen	Die Route ändert sich je nachdem, wie Netzwerke miteinander verbunden sind

Unpräzise wäre jedoch die Vorstellung, dass jedes Paket jedes Mal völlig frei eine andere Route wählt.

Router leiten meist gemäß Routeninformationen weiter. Kommunikation zum selben Ziel läuft häufig über dieselbe Route, und Routenänderungen hängen von Netzwerkzustand und Einstellungen ab.

BGP und andere detaillierte Routensteuerung behandeln wir hier nicht. Wichtig ist, dass Kommunikation im Internet mehrere Netzwerke durchläuft und die Route keine fest verdrahtete einzelne Linie ist.

Beim Empfänger werden Daten wieder nutzbar gemacht

Daten, die auf der Sendeseite aufgeteilt wurden, werden auf der Empfangsseite wieder in eine nutzbare Form gebracht.

Wenn Sie zum Beispiel eine Webseite öffnen, empfängt der Browser mehrere Kommunikationsdaten und verarbeitet sie als HTML, CSS, JavaScript, Bilder und Ähnliches.

Bei TCP-Kommunikation werden Reihenfolge und Zustellbestätigung der aufgeteilten Daten behandelt, damit die Empfangsseite die Daten in richtiger Reihenfolge nutzen kann.

Bei Kommunikation wie UDP, die andere Eigenschaften als TCP hat, führt das Protokoll selbst Zustellbestätigung und erneutes Senden nicht in gleicher Weise aus. Je nach Zweck übernimmt die Anwendung notwendige Verarbeitung.

Art der Kommunikation	Behandlung auf Empfangsseite
Kommunikation mit TCP	Durch Reihenfolgen- und Wiederholungssteuerung lassen sich Daten leichter in richtiger Reihenfolge nutzbar machen
Kommunikation mit UDP	Sie setzt Zustellgarantie und Reihenfolge nicht voraus; nötige Verarbeitung erfolgt bei Bedarf in der Anwendung

Nutzende bemerken diesen Ablauf normalerweise nicht.

Browser und Anwendungen zeigen oder verarbeiten empfangene Daten als Bildschirme oder Dateien, die Menschen nutzen können.

Paketkommunikation trägt Massenkommunikation

Im Internet kommunizieren Nutzende weltweit gleichzeitig.

Diese Kommunikation wird nicht jeweils über eigene, dauerhaft belegte Wege geführt. Stattdessen wird sie in kleine Pakete aufgeteilt, die Netzwerkgeräte nacheinander weiterleiten.

Der Grundablauf der Paketkommunikation lässt sich so ordnen.

Phase	Verarbeitung
Sendeseite	Daten werden in Einheiten geteilt, die das Netzwerk verarbeiten kann
Paketisierung	Zielinformationen und andere Steuerinformationen werden hinzugefügt
Im Netzwerk	Router und ähnliche Geräte leiten anhand von Zielinformationen weiter
Auf der Route	Die Pakete laufen über mehrere Netzwerke zum Ziel
Empfangsseite	Empfangene Daten werden in eine für die Anwendung nutzbare Form gebracht

Durch diesen Mechanismus kann das Internet viele Kommunikationen gleichzeitig verarbeiten.

Pakete sind kleine Einheiten. Durch ihre Kombination werden Webansicht, Videostreaming, Nachrichtenversand, Online-Konferenzen und Dateiübertragung möglich.

Wichtige Perspektive für Anonymität

Pakete gelangen nicht direkt und augenblicklich von der Quelle zum Ziel.

Unterwegs gibt es mehrere Zwischenpunkte wie Router, Netze von Kommunikationsanbietern und Rechenzentrumsnetze.

Deshalb muss man bei Anonymität und Privatsphäre verstehen, wo auf dem Kommunikationsweg welche Informationen sichtbar sein können.

Wenn Kommunikationsinhalte verschlüsselt sind, können Dritte auf dem Weg den Inhalt nicht unbedingt direkt lesen.

Es gibt jedoch Informationen, die durch Verschlüsselung nicht vollständig verschwinden: dass Kommunikation stattfindet, Ziel-IP-Adresse, Datenmenge, Timing und Ähnliches.

Information	Kann auf dem Weg sichtbar sein	Ergänzung
Kommunikationsinhalt	Sichtbar, wenn nicht verschlüsselt	Bei HTTPS und Ähnlichem ist der Inhalt leichter geschützt
Ziel-IP-Adresse	Hohe Wahrscheinlichkeit	Für Routing notwendige Information
Datenmenge	Kann sichtbar sein	Tendenz der gesendeten und empfangenen Datenmenge
Kommunikationszeitpunkt	Kann sichtbar sein	Information darüber, wann kommuniziert wurde
Quellinformation	Kann sichtbar sein	Sichtweise ändert sich je nach NAT, VPN und ähnlicher Konfiguration

Pakete und Routing zu verstehen ist die Grundlage, um zu überlegen, wie Informationen im Netzwerk wandern und an welchen Punkten sie beobachtet werden können.

Zusammenfassung

Ein Paket ist eine kleine Kommunikationseinheit, mit der Daten über ein Netzwerk gesendet und empfangen werden.

Große Daten werden in netzwerktaugliche Einheiten geteilt, mit Zielinformationen versehen und gesendet.

Router entscheiden anhand von Ziel- und Routeninformationen eines Pakets, wohin sie es als Nächstes weiterleiten.

Pakete laufen über mehrere Netzwerke zum Ziel, aber ihre Route ist nicht immer vollständig fest. Sie kann sich durch Störungen, Überlastung, Konfigurationsänderungen oder Verbindungsänderungen zwischen Netzwerken ändern.

Auf der Empfangsseite werden die angekommenen Daten in eine Form verarbeitet, die Anwendungen nutzen können. Es gibt Kommunikation wie TCP, die Reihenfolgen- und Wiederholungssteuerung ausführt, und Kommunikation wie UDP, die leichte Zustellung betont.

Wenn man diesen Mechanismus versteht, kann man genauer überlegen, wie Kommunikation im Internet transportiert wird und welche Informationen auf dem Kommunikationsweg verarbeitet werden können.