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什么是数据包?它们是如何传送的?
我们现在来看一下互联网协议,即 IP 协议。首先我们会介绍 IP 数据包。然后介绍数据包的寻址方式,最后介绍名称解析,也就是将名称转换为地址的机制。我假设您已经看过有关 Web 协议的演示。
请回顾一下,在前面介绍 Web 协议、HTTP 和 HTTPS 时,我们了解到 Web 协议涉及请求消息和响应消息。为了让这些消息能够在互联网上传输,它们必须被封装到“信封”中,并且这些信封必须标明地址。这个过程类似于大家耳熟能详的邮政信件。如果我想给姐姐寄一封信信,我不能只在信头处写上“Joanna 收”,然后就把这封信交给邮局。我得把信装进信封,并在信封上写上正确的地址。在互联网上,这种信封称为数据包。稍后我们就会介绍数据包的寻址方式。另外需要说明,数据包有固定的大小上限,因此长报文必须分成多个数据包。
为了了解其工作原理,我们回顾一下之前的例子。回想一下,我们首先在地址栏中输入地址,或者是点击某个链接,然后浏览器向 Web 服务器发送加密请求报文。我们进一步深入地探索一下这一步:发送加密请求报文。
首先,我们必须创建一个新的数据包,并为其寻址。在本例中,它会从我的笔记本电脑传送到 Apple Web 服务器。当然,真实的互联网地址看起来并不是这样的,不过我们稍后就会讲到这一点。现在,我们可以将加密的请求报文放到数据包中。然后即可将数据包发送到目的地:Apple Web 服务器。
收到数据包后,Apple Web 服务器即可从数据包中删除报文,然后解密并读取其中的内容。
使用的过程与加密响应的过程完全相同。在本例中,由于加密后的响应过大,无法放到一个数据包中,因此分成了两个。
一个关键点是,IP 被称为网络层协议。它的作用是将数据以数据包的形式通过互联网从源端传输到目的端。
IP 会指定数据包的寻址方式,
IP 会指定数据包的最大大小,
但 IP 并不会指定或限制数据包内的内容。这是一个要点。
您可以在 IP 数据包中找到的内容包括:
网络请求和响应报文
IP 语音 (VoIP)
实时数据流
电子邮件信息
域名系统 (DNS) 请求和响应信息
所有这些都是应用层协议的示例。
分层是通信协议中的一个重要概念。应用端点会使用并理解其应用协议。例如:
Web 浏览器和服务器会使用并理解 HTTP 及 HTTPS
电子邮件客户端和服务器使用并理解一种电子邮件传输协议,该协议称为简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol,简称 SMTP)
但路由器等网络元素并不一定使用或理解这些协议!它们只需要使用和理解互联网协议即可。应用程序关注的是数据包内部,而网络元素则关注外部。继续用邮政信件打比方。我可以用一种只有我和姐姐才懂的秘密语言给姐姐写信,但只要我把信装进信封,写上正确的地址,邮局就可以顺利地将这封信件送到她手中。我和姐姐关注的是信封里的内容,但邮局关注的只有外边的信息。
这种分层的做法促成了巨大的创新。目前的应用层协议有数千种,还有很多链路层协议。可以将链路层理解为物理连接,例如以太网、Wi-Fi 和蜂窝网络。但网络层协议只有一个,那就是 IP。
新的应用程序可以轻松层叠在 IP 协议上。任何人都可以发明一种新的应用层协议,只要这些消息能够被封装到 IP 数据包中,该协议就可以在互联网上运行。不需要更改路由器等任何网络元素。万维网(WWW,World Wide Web)就是一个很好的例子。在 IP 和互联网诞生之初,万维网还不存在。后来,在 Tim Berners-Lee 创造万维网时,他只需要将新发明的请求和响应报文放到 IP 数据包中,不需要更改 IP 协议或互联网。万维网就这样开始顺利运作。
类似地,也可以在下方加入新的链路技术层。任何人都可以发明新的链路技术,只要它能传输 IP 数据包,就能成为互联网的一部分,并且承载任何应用程序。例如 Wi-Fi 和 IPoAC。
您没听说过 IPoAC 吗?它的全称是 IP Over Avian Carrier。这是一个真实的提案,虽然提案发布的日期表明了这只是个玩笑,但它其实说明了一个很重要的事实。如果您真的能让鸽子传递 IP 数据包,那就能用鸽子运行 WWW 应用程序。虽然速度肯定会很慢,但可以实现。
什么是 IP 数据包?
互联网曾被人们称为“信息高速公路”。这个名称表明了计算机如何在分布式计算机网络上以极快的速度彼此通信。
IP 数据包是使用 TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)协议套件在 IP 网络中传输的一种格式化的小型数据单元。大型文件、消息或媒体流会被分割成多个数据包,以便它们能够高效地通过网络传输,并在最终目的地重新组装。
每个数据包都包含数据和控制信息。数据部分(有效载荷)包含正在传输的实际内容(例如,文本、图像或视频),而数据包报头中的控制信息包含源和目标 IP 地址、存留时间、数据包长度及路由指令等详细信息。
通过将数据拆分为小数据包,可以让网络能够高效利用可用带宽,并管理互联网上的海量网络流量。发送信息所需的数据包总数取决于传输的数据量。
IP 数据包是如何传送的?
互联网是一个“分组交换网络”,该术语用于描述网络设备如何处理数据包并在网络中对其进行动态路由。分组交换有别于电路交换。后者是传统电话系统中采用的一种早期网络通信方式,在通话期间会预留一条专用的通信路径。
使用互联网协议 (IP) 传输每个数据包。TCP、UDP 或 ICMP 等上层协议可以被封装在 IP 数据包中,以提供可靠性或消息传递等额外功能。IP 工作在 OSI 模型的网络层,负责在 IP 网络中路由数据包;而传输控制协议 (TCP) 工作在传输层,以帮助确保数据的可靠交付。
IP 网络采用无连接方法,这意味着各个数据包是单独发送的,并且在到达最终目的地前,可能会通过路由器及网络基础架构沿着不同的路径进行传输。为了让您对 IP 数据包的大小有所了解,我们举例说明一下:一个 IPv4 数据包可以小至 20 字节(最小报头大小),最大总长度能达到 65,535 字节(包含报头和有效载荷)。
当数据包在网络中传输时,它们可能会被封装在链路层帧(如以太网帧)中,这些帧包含了 MAC 地址等硬件标识符以及目标网络接口信息。
IP 指定了哪些信息?
互联网协议 (IP) 是 OSI 模型中的一个网络层协议,用于指定以下有关 IP 数据包的信息:
数据包的寻址方式
数据包的最大大小
路由信息,用于在 IP 网络中传送数据包
IP 协议并不规定数据包内应用程序数据的结构,但它确实在报头中包含了一个协议字段,该字段用于标识被封装的传输协议,例如 TCP、UDP 或 ICMP。
IP 数据包内部有什么?
IP 数据包可以比喻成一封实体信件。例如,如果您想给朋友寄信,您会把信放在信封里,然后在信封上写上地址,这样信件就可以寄给正确的人。
IP 数据包由报头和有效载荷组成。报头包含网络设备使用的路由和控制信息,而有效载荷承载的是要传输的实际数据。
IP 数据包路由到网站时包含以下元素:
网络请求和响应报文
IP 语音 (VoIP)
实时数据流
电子邮件信息
域名系统 (DNS) 请求和响应信息
以上都是应用层协议,而 IP 是网络层协议。
IP 数据包通信
在我们有关 HTTPS(网络协议 HTTP 的安全版本)的术语表页面中,我们描述了 HTTPS 协议的“请求-响应”流如何在客户端(浏览器)与 Web 服务器之间传输信息。IP 数据包在 HTTPS 流的第 2 步和第 3 步期间发挥作用。
HTTPS 流的第 2 步
从 HTTPS“请求-响应”流的第 2 步开始,会发生以下过程:
浏览器向 Web 服务器发送请求。首先对该请求进行加密,然后创建一个 IP 数据包;再将加密报文放入 IP 数据包中。
在通过网络传输之前,数据包会被封装在链路层帧(通常为以太网帧)中,该帧包含发送设备和接收设备的 MAC 地址,并标识相应的网络接口。
然后,该数据包会被发送到目标(Web 服务器)。
HTTPS 流的第 3 步
来自客户端的 IP 数据包到达 Web 服务器,其中包含的报文将被解密并读取。生成响应报文并进行加密,然后将其放入 IP 数据包并返回客户端。
如果加密后的响应太大,无法装入一个数据包中,那么它会被分成多个更小的数据包。TCP 等协议通过序号这类标识符来追踪数据包,以确保接收端按正确顺序接收数据包,同时不会丢失任何数据。
IP 数据包中的有效载荷和报头是什么?
IP 数据包由报头和有效载荷组成。
有效载荷:这是数据包所包含的实际数据,如文本、图像等。这相当于您寄给朋友的一封实体信件。
- 报头:这相当于装有信件的信封。数据包报头或 IP 报头位于数据包的开头。它包含源 IP 地址和目标 IP 地址,以及数据包长度、协议标识符、存留时间 (TTL) 和分片信息等其他字段。
报头中的其他字段可能包括:
- 存留时间 (TTL),用于防止数据包在网络中无限期地循环。
- 服务类型 (ToS) 字段,用于确定某些类型的网络流量的优先级。
- 服务质量指标,可帮助管理特定应用程序的带宽和延迟。
IP 层的完整性检查由 IPv4 报头校验和处理。在以太网等网络上进行传输时,IP 数据包会在链路层被封装到一个数据帧中,该帧可能会包含一个尾部(例如 CRC)。
网络层协议和应用层协议
分层是通信协议中的一个基本概念。应用端点会使用并理解应用协议。例如,Web 浏览器和服务器使用 HTTP 和 HTTPS 进行通信,电子邮件阅读器和服务器使用电子邮件传输协议(简单邮件传输协议,SMTP)进行通信。
但网络协议只有一种——互联网协议 (IP)。数以千计的应用层协议和许多链路层协议(如以太网、Wi-Fi 和蜂窝协议)都通过这一个网络协议进行通信。
在 OSI 模型中,IP 在网络层运行,而 TCP 与 UDP 等协议在传输层运行,以协调数据包的传送及其可靠性。
这种分层级标准化的 IP 主干网为创新提供了动力。凭借这种单一网络层,即可方便地开发叠层在 IP 协议上的应用程序;只要应用程序支持可以放在 IP 数据包中的信息,它就可以在互联网上运行,从而实现整个系统的和谐共生。不需要更改路由器等任何网络元素。
万维网 (WWW) 就是这种创新的一个例子。在 IP 和互联网诞生之初,万维网还不存在。Tim Berners-Lee 利用这种分层机制创造了 WWW,因为其请求和响应报文可以放在 IP 数据包中,不需要更改 IP 或互联网:万维网就这样开始顺利运作。
Akamai、数据包和云计算
Akamai 对 IP、HTTP、HTTPS 等协议的工作原理有着深刻理解,并藉此在网络安全领域树立了自身的威信。由于数据包是互联网上数据传输的基本单元,因此 Akamai 的边缘网络旨在优化数据包传送、高效管理网络流量并减少分布式基础架构中的数据包丢失。
除了安全解决方案之外,Akamai 还通过云计算解决方案套件优化云计算,提供安全防护、可扩展性和监测能力,并且不受云服务提供商的束缚。我们的云计算产品套件包括 Download Delivery 产品线,能够优化全球范围内的每一次大型 HTTP 文件下载。
Akamai 的互联网攻击防护
基于云的网络攻击无处不在。Akamai 致力于杜绝利用互联网发动的网络攻击。针对 Web 服务器的分布式拒绝服务 (DDoS) 攻击可能会造成 IP 数据包丢失。我们的专用基础架构提供 DDoS 防范功能,可在云端阻止 DDoS 攻击,避免其侵扰应用程序、数据中心和面向互联网的(公有或私有)基础架构。Akamai 拥有独特的架构,可将 DNS 资源划分到彼此不重叠的多个专用云环境之中。超过 225 名一线 SOCC 响应人员是 Akamai 的有力后盾;我们的全托管式解决方案可过滤攻击流量、拦截各种重大攻击,让您的防御人员可以腾出时间专注于高优先级的安全计划。Akamai 为现代企业提供保护,抵御云和分散式团队造成的漏洞。
常见问题
是的。当 IP 数据包在网络传输过程中未能到达目的地时,就会发生数据包丢失。数据包丢失通常由网络拥塞、带宽不足、硬件故障、错误配置的网络设备,或分布式拒绝服务 (DDoS) 等网络攻击引起。丢失的数据包可能会拖慢应用程序速度、中断流媒体传输或导致连接问题。
数据报是在分组交换网络中传输的数据单元。IP 数据包是 IP 网络中用于在设备之间传送数据的一种数据报。某些数据报是使用 UDP(用户数据报协议)发送的,该协议是一种无连接传输协议,在发送数据包时不保证其可靠传送,也不保证按序到达。
分组交换是一种网络传输机制,它将数据拆分为小型数据包,并在网络中对这些数据包进行独立发送。每个数据包都可以沿着不同的路径传输至目的地,并在那里进行重组。分组交换使网络能够高效利用带宽,它是互联网数据传输背后的核心技术。
数据包是 OSI 模型网络层中使用的数据单元,而帧是链路层中使用的数据单元。数据包包含 IP 寻址和路由信息,而帧包含 MAC 地址等硬件级标识符,用于在本地网络上的设备之间传输数据。
客户为什么选择 Akamai
Akamai 是一家致力于支持并保护在线商业活动的网络安全和云计算公司。我们卓越的安全解决方案、出色的威胁情报和全球运营团队可提供深度防御,保护各地的企业数据和应用程序。Akamai 的全栈云计算解决方案可在海外分布广泛的平台上提供高性能且经济实惠的服务。众多全球企业信赖 Akamai,凭借我们卓越的可靠性、扩展性和专业技术,企业能够从容拓展业务。